大斷面煤巷智能掘進裝備系統及其效益分析

崔軍政

（晉能控股裝備制造集團有限公司寺河礦， 山西 晉城 048205）

0 引言

回采巷道是煤礦井下綜采工作面的重要安全通道，具有通風及輔助運輸的作用，是工作面安全高效開采的前提和基礎[1-3]。隨著開采理論研究的不斷深入和開采技術裝備的不斷發展，越來越多的綜采工作面實現了高效智能化生產。綜采工作面的快速發展對掘進技術也提出了新的要求：一方面高效智能化開采工作面推進速度快、所需設備大，要求回采巷道的斷面不斷增大；另一方面工作面快速推進，要求回采巷道具有較高的掘進速度[4-6]。寺河礦綜采工作面回采巷道設計為矩形巷道，巷道寬度為5.40 m，高度為3.80 m，以往的回采巷道采用EBZ160 型懸臂式掘進機進行掘進，實際作業過程中存在掘進速度慢、掘進效率低、智能化程度低等問題，導致掘進工作面施工人數多，掘進與回采作業人員比例超過4∶1，安全高效的掘進問題需要進一步解決。以W2307 工作面運輸順槽為研究對象，針對現有的掘進技術現狀，對掘進工作面新型智能掘進裝備進行了選型研究，并對掘進效益進行了分析，為后期掘進工作面智能化升級提供參考。

1 巷道掘進技術現狀

W2307 運輸順槽設計為矩形斷面，巷道掘進寬度為5 400 mm，掘進高度為3 800 mm，沿煤層底板全煤巷掘進，相鄰以往的工作面運輸順槽采用EBZ160 型懸臂式掘進裝備掘進，配套手持式錨桿鉆機及后配套運輸系統，具體掘進工藝為：掘進機割、裝、運煤→達到循環進度后→調機→人工鋪網、永久支護→延皮帶/接溜槽、接風筒→清理浮煤。實際掘進過程中平均月進尺為210 m。

1）掘進裝備功率偏低。目前掘進工作面使用EBZ160 型懸臂式掘進機進行掘進，實際掘進過程中掘進裝備電機功率偏低，隨著巷道斷面的逐漸增大，截割路徑逐漸增大，實際截割過程中截割速度慢、耗時多，增加了單工序作業時間，制約了整體掘進速度。

2）永久支護作業時間長。掘進過程中通過人工鋪網，采用手持式錨桿鉆機打鉆孔、安裝錨桿及錨索，在工作面附近打設全部錨桿及錨索，實際永久支護作用時間長，占單工序作業時間的65%以上，此外，掘進與永久支護無法實現平行作業，單工作面作業時間長，制約了掘進速度。

3）掘進系統智能化程度低。掘進過程中，各設備僅具有簡單的單機控制功能，各設備協同性較差，需要多人協同操作，掘進設備整體智能化程度較低，在一定程度上制約了掘進速度。

2 智能掘進掘進裝備選型及技術特征

根據W2307 工作面掘進截割要求，掘進及截割頭由巷道一側頂部進刀，進刀深度為400 mm，截割進刀后沿著水平方向截割，每完成一次水平擺動截割后下降800 mm，連續逐步向下水平擺動向截割，直至達到巷道斷面設計要求時，修復巷道邊緣。結合相鄰礦區相似條件下巷道快速掘進裝備選型及應用情況，通過類比分析可知，選用EBZ200 型懸臂式掘進機時，掘進機的截割速度、截割功率等可以滿足要求，初步確定W2307 工作面運輸順槽使用EBZ200 型懸臂式掘進機進行掘進。

EBZ200 型懸臂式掘進機主要技術參數如下：機身長度為11.52 m；機身寬度為3.2 m；機身高度為2.3 m；電機功率為200 kW；額定電壓為1 140 V；額定轉速為479 r/min；切割頭臥底深度為0.225 m；爬坡能力為±18°；總質量為約75 t。

EBZ200 型懸臂式掘進機配備了智能化控制系統，主要包括遠程控制系統、自動截割系統、集中控制系統、負載自適應控制、姿態自調整及防撞控制、危險區域人員識別系統等。

1）遠程控制系統：由導航定位系統、信號傳輸系統、視頻及狀態監控系統、遠程控制平臺、等子系統組成，系統在遠端能實時顯示掘進工作面整體環境圖像、傳送掘進機運行影像、工作狀態、油溫、系統工作時間、截割計時、慣性導航系統上傳的姿態方位角信息、巷道參數的設置界面、截割頭軌跡在線監控等。

2）自動截割系統：通過導航定位系統、隔爆型激光陀螺慣性導航儀與礦用隔爆型三維激光掃描儀相融合，實現掘進機車身姿態方位信息的完全自主獲取，結合掘進機車載多傳感器組合網絡的數據信息，經過精確的模型計算得出掘進機截割頭實時位姿信息，在煤礦巷道內準確測量掘進機車身及截割頭的動態定位數據，以實現懸臂掘進機進行精準的掘進作業。

目前，殼牌、道達爾等西方石油公司憑借在液化天然氣等方面的特有技術，占據該地區天然氣開發生產多年。中國石油企業要想在卡塔爾有所建樹，需要與國際公司開展合作，利用市場及資金優勢來彌補技術的不足。但一段時間以來，卡塔爾因政策導向與周邊阿拉伯國家關系緊張，對其投資環境應給與重點關注。

3）集中控制系統：可針對掘進設備、二運轉載機、自移機尾、皮帶運輸機進行遠程集中控制、狀態監控、工作面場景再現等。

4）負載自適應控制系統：掘進裝備的截割速度可根據地層的不同情況實時調整速度，避免出現機器振動過大的現象。

5）姿態自調整及防撞控制：對掘進過程中掘進機出現的不同邊界姿態進行定性和分類，根據分類情況，相應的情形均觸發掘進機姿態自調整策略，機器行走方式為履帶式，經過分析履帶式行走的特性，決定在姿態自調整控制中采用雙側履帶行走速度的絕對值保持相等的方式，以保證模型的準確性。

6）危險區域人員識別系統：通過車身加裝熱釋紅外傳感器對進入探測范圍內的人員進行感應或與井下人員定位系統對接，對進入危險區域的人員進行探測，開機前及運行過程中，監測到人員時，進行停機報警。

3 快速掘進系統

根據掘進工作面懸臂式掘進裝備選型結果，結合寺河礦以往的掘進技術現狀分析，認為制約工作面掘進速度的主要因素為永久支護作業時間長，以往的永久支護作業通過人工進行鋪網，使用手持式錨桿鉆機打設鉆孔，安裝全部的錨桿及錨索，并施加預緊力，支護過程中單個作業人員使用順序作業的模式進行，安裝完全部的錨桿和錨索時實際耗時長，一方面增加了單工序作業時間，另一方面永久支護作業時間占單工序作業時間比例高，永久支護效率在很大程度上影響了工作面整體掘進效率。為了適應EBZ200 型懸臂式掘進機的快速截割要求，提高整體掘進速度，應從降低永久支護作業時間入手，引入自動錨桿鉆車代替人工錨桿支護可有效降低永久支護作業時間，從而降低單工序掘進作業時間。

W2307 運輸順槽屬于大斷面巷道，考慮巷道掘進裝備的空間運行關系，在EBZ200 型懸臂式掘進機的基礎上，引入兩臂式錨桿鉆車，在掘進機完成規定的截割工序后，由錨桿轉車快速工作面所需錨桿，完成永久支護；同時為適應工作面掘進系統的快速、連續運輸，考慮掘進工作面各設備的協同運行，引入皮帶轉載機和自移機尾，有效連接掘進機后方皮載機及皮帶輸送機，實現皮帶機的快速運移，保證掘進工作面運輸系統的連續性和高效性。

使用新型快速掘進系統的具體作用工藝流程如下：交接班→安全檢查→校對激光→掘進機進入已支護好的巷道截割、裝載、運煤→達到循環進度后停止截割，退機→兩臂式錨桿鉆車進入已割好的巷道內→安全檢查、敲幫問頂→用錨桿鉆車的臨時支臂進行臨時支護→永久支護→延皮帶/接溜槽、接風筒→清理浮煤→完成單工序掘進作業。

4 快速掘進系統投資估算及效益分析

4.1 設備投資估算

采用新型快速掘進技術裝備后，需增加購置的設備主要有EBZ200 型智能掘進機、皮帶裝載機、錨桿鉆車、自移機尾、掘進智能控制系統，皮帶機使用原有設備，其中EBZ200 型智能掘進機投資估算為280.00萬元，錨桿鉆車投資估算為140.00 萬元，皮帶轉載機及自移機尾投資估算合計為80.00 萬元，智能控制系統投資估算為160.00 萬元，快速掘進系統總體投資估算為660.00 萬元。

4.2 快速掘進收益分析

4.2.1 掘進效率

以往的回采巷道掘進工作面平均月進尺為210 m，通過與周圍相鄰礦區快速掘進實踐類比，結合掘進工作面開采技術條件，使用快速掘進系統后掘進巷道平均月進尺可確定為360 m，按照年有效掘進11個月，1 個月設備搬家，則原有設備年進尺為2 310 m，快速掘進系統年進尺為3 960 m，掘進速度預計提高71.43%。

4.2.2 人工成本分析

以往的掘進巷道單工作面生產所需人員為18人，檢修人員為13 人，按照“三八制”作業制度，各工作日需要2 個生產班，1 個檢修班，共49 人，每人平均月工資為1.20 萬元，則原有的掘進年人工成本為705.60 萬元；使用快速掘進系統后單工作面生產班人員需10 人，檢修班人員需12 人，共34 人，按照相同的作業制度，年人工成本為489.60 萬元，年節約人工成本216.00 萬元。

4.2.3 收益分析

使用原有的掘進工藝與裝備時，一個掘進隊需要49 人，年進尺為2 310 m，按照政策，掘進1 m 集團公司按照0.5 萬元收入計算，則一個掘進隊年收入為1 155 萬元，除去人工成本收益為449.40 萬元；使用快速掘進工藝與裝備時，一個掘進隊需要34 人，年進尺為3 960 m，按照政策，掘進1 m 集團公司按照0.5萬元收入計算，則一個掘進隊年收入為1 980 萬元，除去人工成本收益為1 490.40 萬元。不考慮其他因素，使用快速掘進系統進行掘進時，需要0.44 個月即可收回設備投資成本。

5 結語

對寺河礦快速掘進工作面智能化設備選型及成套系統投資收益進行了初步研究，為后期智能化掘進工作面的實施提供參考，在后期智能化升級改造過程中要充分考慮掘進工作面實際開采技術條件，根據礦方自身的實際條件制定合理的掘進施工規程及智能化管理規章制度，為巷道安全高效掘進提供基礎與保障。