體驗智能掘進的“榆北方案”
在如今的技術條件下，掘進速度能有多快？在業內平均月進尺幾百米的情況下，地處毛烏素沙漠東部的陜煤集團榆北煤業公司，創造了單巷日進尺91米、月進尺2020米的最高紀錄。
如何解決采掘失衡難題、如何克服快掘設備在井下出現的“水土不服”、如何做到“人機環管”的高度融合？帶著這些疑問，記者走進了榆北煤業公司。
曹家灘公司智能快掘成套裝備：
僅5人就可完成“掘鋪支運”循環作業
穿上礦工服，坐上防爆車，駛過有“井下高速”之稱的柏油路，30分鐘左右，記者一行來到陜煤集團榆北煤業公司曹家灘公司井下122107工作面主運順槽。
此刻的智能快掘成套裝備正處于檢修狀態。記者看到，正對著平坦煤壁的截割頭保持進刀姿勢，堅硬的塑料錨網平整鋪開，長達6000多米的皮帶等待著烏金到來，被賦予降噪功能的通風機和熱乎乎的班中餐一起，將能量送給守護在這條“巨龍”旁邊的工作人員。
現場技術人員告訴記者，裝備整機配置為掘錨一體機+液壓錨桿鉆車+自行走可伸縮連續皮帶機，可實現探、掘、支、破、運一體化作業，“掘進1米只需要12分鐘，日進尺60米、平均月進尺1680米，同時每班掘進人員由10人減少為5人”。
為收到上述效果，此套裝備經歷了技術更新與版本迭代。目前，運行的是智能快掘成套裝備3.0版。
由于掘進裝備與工藝整體落后，掘進速度無法滿足礦井開采需求，導致曹家灘公司生產接續緊張。在陜煤集團的主導下，2019年6月，針對地質條件簡單、圍巖完整穩定的曹家灘公司，榆北煤業公司會同鐵建重工、西煤機等單位研制了智能快掘成套裝備1.0版。在試驗過程中，他們遇到了掘支、頂幫錨支護不同步，運輸系統卡煤等難題。
以掘進區區長王劍為首的攻關小組是曹家灘公司于2019年1月成立的多工種快掘團隊。隊員共計40多人，平均年齡只有31歲。面對快掘經驗較少的現狀，技術骨干多次外出學習、內部培訓，開展了大量寫實、分析論證和技術改造工作，前前后后針對裝備的大小改造有十大類102項。
“設備在地面跟在井下的狀態完全不同，而創新就蘊含在解決難題過程中。”王劍舉例。試生產那天，因原裝截齒設計不合理，導致機身抖動厲害，人在上面根本站不穩。他們便將截齒換成細長型截齒，抖動減少，但出煤速度太慢。之后，他們對截齒進行了二次更換，機身抖動問題和割煤速度慢的問題才得以解決。
在減少一臺錨桿鉆車、增加錨桿機二級滑移架和泡沫除塵噴射系統、掘錨一體機與支護鉆車轉載點之間增加破碎裝置、增加尾部支撐油缸及控制閥組等改造基礎上，相較于第一套需要17個錨桿司機協同作業，智能快掘成套裝備2.0版只需10人。
因此，該團隊打破了傳統的月進尺600多米的僵局，在鄰采空區片幫嚴重的122108回風順槽，煤層夾矸厚、巷道壓力大的112203輔運順槽，實現了單月穩進尺1500米。
借助機器人技術，榆北煤業公司最終研制出智能快掘成套裝備3.0版。目前，這套裝備在曹家灘公司122107工作面主運順槽進行工業性試驗。該裝備具備精準定位導向、自動行走、一鍵啟動、自動截割、自動鋪網、自動打錨桿（索）、礦用連續皮帶機等功能，僅5人就可完成“掘鋪支運”循環作業。
11月26日召開的全國煤礦快速掘進現場交流會選址榆林。介紹經驗和被參觀的煤礦正是曹家灘公司和小保當公司。在參觀的過程中，帶給記者最直接的視覺沖擊便是一條長達6千米的皮帶。技術人員介紹，皮帶由大跨距橋式轉載皮帶機改造成變頻帶式輸送機，機尾通過電控移動底盤實現自動行走，在行走過程中可以進行防碰撞檢測控制。
作為榆北煤業公司智能掘進的領軍者，王劍團隊正不斷壯大，其快掘工法也經歷了變革。從以半智能掘進工作面為核心到以掘支一體化技術為核心，他們通過優化支護參數、作業人員組織分配和裝備性能，探尋掘進工作面各工藝之間的搭配缺陷，形成了人機匹配的精優作業法。
“雖然我們掘進工作面智能化程度達到了80%以上，但各工序協調聯控上還缺乏一顆‘智慧大腦’。我們將繼續利用大數據和人工智能技術，在復雜多變的井下實現智能掘進。”王劍說。
小保當公司護盾式掘進機器人：
掘進與鉆錨平行作業，臨時支護效果佳
“開始啟動！”在全國煤礦快速掘進現場交流會上，通過遠程監控系統，榆北煤業公司總經理石增武向80多公里外的小保當公司一號煤礦井下人員傳達指令。隨后，智能掘進機器人調動手腳，截割部開始截割。
相對曹家灘公司井下的“巨龍”，小保當公司井下的機器人視覺上便自成一體。現場技術人員告訴記者，護盾式掘進機器人系統分為5個部分：護盾式掘進機器人、鉆錨機器人、錨網運輸機器人、電液控平臺、運輸及通風除塵系統，集成了掘、支、錨、運、通風、除塵等功能。
“護盾式掘進機器人由截割滑臺、前后盾體、操作臺及液壓系統和電氣系統組成，是整個系統中最有特色的部分。”小保當公司講解員王新向記者介紹。
站在全長14.5米的盾體中間，面向煤壁，記者左手邊是電氣組合開關，控制著盾體內所有傳感器和電磁閥的信號傳輸。生產時，支護機器人油泵和除塵風機先啟動，二運皮帶和一運刮板輸送機隨后啟動，最后主油泵和裝載星輪啟動，截割部開始割煤。割煤完成后，整機以“邁步式”向前行走，行走過程由升降油缸、推拉油缸和前后盾體共同完成。
跟智能快掘成套裝備相似的是，護盾式掘進機器人系統也經歷了三代更迭。
2017年，小保當公司在一號煤礦112201回風順槽引入的第一代鐵建重工掘錨機，未能成功投用。2019年，該公司引入瑞典山特維克掘錨一體機與鐵建重工錨破運一體機中西合璧的第二代快速掘錨成套裝備，雖實現了截割、裝載、臨時支護、錨桿支護等工序的平行作業，但在截割區域安全防護、協同支護效率等方面存在不少問題。
如何實現整機系統化運轉？2020年7月，針對小保當公司一號煤礦夾矸與片幫并存的地質條件，陜煤集團與西安科技大學、西安煤機廠，將多臺獨立運轉的設備進行系統化集成，研發出全國首套護盾式掘進機器人系統，即第三代快掘成套裝備。
“護盾式掘進機器人系統的主要優勢在于自動化截割和臨時支護作用顯著。掘進與鉆錨實現平行作業，既減少了作業人員，又大幅提升了掘進效率。”小保當公司二號煤礦生產副礦長喬永力表示。
8月25日，裝備在小保當公司完成了地面聯合試運轉；9月15日，在小保當公司一號煤礦112204膠運順槽掘進工作面完成了井下安裝，進入了工業性試驗階段。
實現巷道掘進的精準定位是系統研發的關鍵。經了解，智能掘進機器人系統應用的“慣導+數字式全站儀+油缸行程”多信息融合精確定位定向技術，確保了巷道掘進的精度。
“在拉移機尾過程中，我們遇到了活動機尾卡阻、拉移速度較慢、絞車鋼絲繩易繃斷等問題，于是便在皮帶機尾的底座上焊接了增高滑靴，使皮帶機尾能快速前移。”小保當公司一號煤礦掘進二隊黨支部書記陳兵說。
此外，技術人員還在錨桿臺車底盤部位安裝了一臺破碎機，解決了大塊煤無法破碎導致的卡煤問題；負壓濕式除塵風機與正壓通風風筒形成供風回路，為掘進工作面供風和除塵；由技術人員和廠家共同設計的除塵系統中，增加了濕式除塵、泡沫除塵等先進技術和設備。
成立于2020年2月的小保當公司掘進二隊被稱為一支“智慧化快掘鐵軍”。通過外出學習、抽調曹家灘公司骨干、師帶徒等方式，快掘團隊迅速組建成型。
在第二代裝備使用過程中，掘進二隊成立15天，單日進尺便突破51米，6月雙機雙巷掘進3030米；在護盾式掘進機器人系統入井安裝期間，全隊僅用15天，便完成一次性安裝、成功試運轉，目前日進尺已穩定提高到70米左右。
“隨著設備性能的升級，我們會實現月進尺1200米至1500米的初始目標。”團隊成員表示，小保當公司將從鉆錨護錨桿索的打眼、輸送藥卷、攪拌安裝等工序上實現突破，研究掘進工藝的分塊式整體集成智能掘進模式。
“榆北煤業公司涌現出了一批先進人物，如王劍、陳兵等。正是因為有了敢于拼搏和奉獻的團隊，榆北煤業公司才能一次次實現技術突破。”石增武表示。
理念上認知到位 行動上斬釘截鐵
除了智能快掘成套裝備與護盾式掘進機器人系統外，榆北煤業公司針對小保當公司一號煤礦復雜地質條件，整合山特維克掘錨一體機、鐵建重工錨運破等設備，研制了一套更具特色的快速掘進成套裝備，并在112203工作面輔運順槽順利通車，實現單巷最高月進尺1600米。
此外，為解決小保當公司二號煤礦巖巷、半煤巖巷掘進速度慢的問題，榆北煤業公司引進了鐵建重工制造的巖巷快速掘進成套裝備，可切割硬度f10以下巖石，年底將在132202工作面膠運順槽進行工業性試驗。
“目前，我們通過以‘掘錨同步、立體交叉、平行作業、快速推進’為特點的工藝技術改革，研制了適用不同地質條件的四類快速掘進成套裝備。”石增武表示。如今，榆北煤業公司所屬煤礦工作面走向長度均超過6000米，僅4個月就能完成順槽掘進任務，人均掘進功效超過5米，每條順槽施工可節省費用約1160萬元。
“要推動智能快掘技術發展，首先要有先進的理念引領，頂層設計至關重要；其次，領導要重視，保障資金投入；再其次，加強跨界合作交流，在新裝備、新技術、新應用上搶占先機；最后，要積極培養和引進人才，形成多專業、多工種協同攻關的人才梯隊。”石增武在全國煤礦快速掘進現場交流會上介紹經驗時說。
面對全國整體施工環境比較復雜、區域存在超大斷面施工狀況、夾矸等復雜地質條件，“榆北方案”提供了多條快掘技術實現路徑。
“最大的難點在于子系統之間的協調融合。”曹家灘公司董事長雷亞軍表示，曹家灘公司智能化快掘模式需要不斷完善，如快速掘進實施選擇的試驗巷道條件地質狀況好，不具有代表性，還需要在更多不同地質條件下進行試驗。在機器操作過程中，人員勞動強度仍然很大，今后需要配以更加智能化的掘進和輔助設備。
“我們將持續加強輔助工序自動化、物聯網集成、系統適用性技術、圍巖穩定性判別技術、遠程疾控平臺等智能快掘關鍵技術攻堅。”石增武說。（記者 王世雅 通訊員 楊景麟 張科 梁棟）
