大断面煤巷智能掘进装备系统及其效益分析

崔军政

（晋能控股装备制造集团有限公司寺河矿， 山西 晋城 048205）

回采巷道是煤矿井下综采工作面的重要安全通道，具有通风及辅助运输的作用，是工作面安全高效开采的前提和基础[1-3]。随着开采理论研究的不断深入和开采技术装备的不断发展，越来越多的综采工作面实现了高效智能化生产。综采工作面的快速发展对掘进技术也提出了新的要求：一方面高效智能化开采工作面推进速度快、所需设备大，要求回采巷道的断面不断增大；另一方面工作面快速推进，要求回采巷道具有较高的掘进速度[4-6]。寺河矿综采工作面回采巷道设计为矩形巷道，巷道宽度为5.40 m，高度为3.80 m，以往的回采巷道采用EBZ160 型悬臂式掘进机进行掘进，实际作业过程中存在掘进速度慢、掘进效率低、智能化程度低等问题，导致掘进工作面施工人数多，掘进与回采作业人员比例超过4∶1，安全高效的掘进问题需要进一步解决。以W2307 工作面运输顺槽为研究对象，针对现有的掘进技术现状，对掘进工作面新型智能掘进装备进行了选型研究，并对掘进效益进行了分析，为后期掘进工作面智能化升级提供参考。

W2307 运输顺槽设计为矩形断面，巷道掘进宽度为5 400 mm，掘进高度为3 800 mm，沿煤层底板全煤巷掘进，相邻以往的工作面运输顺槽采用EBZ160 型悬臂式掘进装备掘进，配套手持式锚杆钻机及后配套运输系统，具体掘进工艺为：掘进机割、装、运煤→达到循环进度后→调机→人工铺网、永久支护→延皮带/接溜槽、接风筒→清理浮煤。实际掘进过程中平均月进尺为210 m。

1）掘进装备功率偏低。目前掘进工作面使用EBZ160 型悬臂式掘进机进行掘进，实际掘进过程中掘进装备电机功率偏低，随着巷道断面的逐渐增大，截割路径逐渐增大，实际截割过程中截割速度慢、耗时多，增加了单工序作业时间，制约了整体掘进速度。

2）永久支护作业时间长。掘进过程中通过人工铺网，采用手持式锚杆钻机打钻孔、安装锚杆及锚索，在工作面附近打设全部锚杆及锚索，实际永久支护作用时间长，占单工序作业时间的65%以上，此外，掘进与永久支护无法实现平行作业，单工作面作业时间长，制约了掘进速度。

3）掘进系统智能化程度低。掘进过程中，各设备仅具有简单的单机控制功能，各设备协同性较差，需要多人协同操作，掘进设备整体智能化程度较低，在一定程度上制约了掘进速度。

根据W2307 工作面掘进截割要求，掘进及截割头由巷道一侧顶部进刀，进刀深度为400 mm，截割进刀后沿着水平方向截割，每完成一次水平摆动截割后下降800 mm，连续逐步向下水平摆动向截割，直至达到巷道断面设计要求时，修复巷道边缘。结合相邻矿区相似条件下巷道快速掘进装备选型及应用情况，通过类比分析可知，选用EBZ200 型悬臂式掘进机时，掘进机的截割速度、截割功率等可以满足要求，初步确定W2307 工作面运输顺槽使用EBZ200 型悬臂式掘进机进行掘进。

EBZ200 型悬臂式掘进机主要技术参数如下：机身长度为11.52 m；机身宽度为3.2 m；机身高度为2.3 m；电机功率为200 kW；额定电压为1 140 V；额定转速为479 r/min；切割头卧底深度为0.225 m；爬坡能力为±18°；总质量为约75 t。

EBZ200 型悬臂式掘进机配备了智能化控制系统，主要包括远程控制系统、自动截割系统、集中控制系统、负载自适应控制、姿态自调整及防撞控制、危险区域人员识别系统等。

1）远程控制系统：由导航定位系统、信号传输系统、视频及状态监控系统、远程控制平台、等子系统组成，系统在远端能实时显示掘进工作面整体环境图像、传送掘进机运行影像、工作状态、油温、系统工作时间、截割计时、惯性导航系统上传的姿态方位角信息、巷道参数的设置界面、截割头轨迹在线监控等。

2）自动截割系统：通过导航定位系统、隔爆型激光陀螺惯性导航仪与矿用隔爆型三维激光扫描仪相融合，实现掘进机车身姿态方位信息的完全自主获取，结合掘进机车载多传感器组合网络的数据信息，经过精确的模型计算得出掘进机截割头实时位姿信息，在煤矿巷道内准确测量掘进机车身及截割头的动态定位数据，以实现悬臂掘进机进行精准的掘进作业。

目前，壳牌、道达尔等西方石油公司凭借在液化天然气等方面的特有技术，占据该地区天然气开发生产多年。中国石油企业要想在卡塔尔有所建树，需要与国际公司开展合作，利用市场及资金优势来弥补技术的不足。但一段时间以来，卡塔尔因政策导向与周边阿拉伯国家关系紧张，对其投资环境应给与重点关注。

3）集中控制系统：可针对掘进设备、二运转载机、自移机尾、皮带运输机进行远程集中控制、状态监控、工作面场景再现等。

4）负载自适应控制系统：掘进装备的截割速度可根据地层的不同情况实时调整速度，避免出现机器振动过大的现象。

5）姿态自调整及防撞控制：对掘进过程中掘进机出现的不同边界姿态进行定性和分类，根据分类情况，相应的情形均触发掘进机姿态自调整策略，机器行走方式为履带式，经过分析履带式行走的特性，决定在姿态自调整控制中采用双侧履带行走速度的绝对值保持相等的方式，以保证模型的准确性。

6）危险区域人员识别系统：通过车身加装热释红外传感器对进入探测范围内的人员进行感应或与井下人员定位系统对接，对进入危险区域的人员进行探测，开机前及运行过程中，监测到人员时，进行停机报警。

根据掘进工作面悬臂式掘进装备选型结果，结合寺河矿以往的掘进技术现状分析，认为制约工作面掘进速度的主要因素为永久支护作业时间长，以往的永久支护作业通过人工进行铺网，使用手持式锚杆钻机打设钻孔，安装全部的锚杆及锚索，并施加预紧力，支护过程中单个作业人员使用顺序作业的模式进行，安装完全部的锚杆和锚索时实际耗时长，一方面增加了单工序作业时间，另一方面永久支护作业时间占单工序作业时间比例高，永久支护效率在很大程度上影响了工作面整体掘进效率。为了适应EBZ200 型悬臂式掘进机的快速截割要求，提高整体掘进速度，应从降低永久支护作业时间入手，引入自动锚杆钻车代替人工锚杆支护可有效降低永久支护作业时间，从而降低单工序掘进作业时间。

W2307 运输顺槽属于大断面巷道，考虑巷道掘进装备的空间运行关系，在EBZ200 型悬臂式掘进机的基础上，引入两臂式锚杆钻车，在掘进机完成规定的截割工序后，由锚杆转车快速工作面所需锚杆，完成永久支护；同时为适应工作面掘进系统的快速、连续运输，考虑掘进工作面各设备的协同运行，引入皮带转载机和自移机尾，有效连接掘进机后方皮载机及皮带输送机，实现皮带机的快速运移，保证掘进工作面运输系统的连续性和高效性。

使用新型快速掘进系统的具体作用工艺流程如下：交接班→安全检查→校对激光→掘进机进入已支护好的巷道截割、装载、运煤→达到循环进度后停止截割，退机→两臂式锚杆钻车进入已割好的巷道内→安全检查、敲帮问顶→用锚杆钻车的临时支臂进行临时支护→永久支护→延皮带/接溜槽、接风筒→清理浮煤→完成单工序掘进作业。

采用新型快速掘进技术装备后，需增加购置的设备主要有EBZ200 型智能掘进机、皮带装载机、锚杆钻车、自移机尾、掘进智能控制系统，皮带机使用原有设备，其中EBZ200 型智能掘进机投资估算为280.00万元，锚杆钻车投资估算为140.00 万元，皮带转载机及自移机尾投资估算合计为80.00 万元，智能控制系统投资估算为160.00 万元，快速掘进系统总体投资估算为660.00 万元。

4.2.1 掘进效率

以往的回采巷道掘进工作面平均月进尺为210 m，通过与周围相邻矿区快速掘进实践类比，结合掘进工作面开采技术条件，使用快速掘进系统后掘进巷道平均月进尺可确定为360 m，按照年有效掘进11个月，1 个月设备搬家，则原有设备年进尺为2 310 m，快速掘进系统年进尺为3 960 m，掘进速度预计提高71.43%。

4.2.2 人工成本分析

以往的掘进巷道单工作面生产所需人员为18人，检修人员为13 人，按照“三八制”作业制度，各工作日需要2 个生产班，1 个检修班，共49 人，每人平均月工资为1.20 万元，则原有的掘进年人工成本为705.60 万元；使用快速掘进系统后单工作面生产班人员需10 人，检修班人员需12 人，共34 人，按照相同的作业制度，年人工成本为489.60 万元，年节约人工成本216.00 万元。

4.2.3 收益分析

使用原有的掘进工艺与装备时，一个掘进队需要49 人，年进尺为2 310 m，按照政策，掘进1 m 集团公司按照0.5 万元收入计算，则一个掘进队年收入为1 155 万元，除去人工成本收益为449.40 万元；使用快速掘进工艺与装备时，一个掘进队需要34 人，年进尺为3 960 m，按照政策，掘进1 m 集团公司按照0.5万元收入计算，则一个掘进队年收入为1 980 万元，除去人工成本收益为1 490.40 万元。不考虑其他因素，使用快速掘进系统进行掘进时，需要0.44 个月即可收回设备投资成本。

对寺河矿快速掘进工作面智能化设备选型及成套系统投资收益进行了初步研究，为后期智能化掘进工作面的实施提供参考，在后期智能化升级改造过程中要充分考虑掘进工作面实际开采技术条件，根据矿方自身的实际条件制定合理的掘进施工规程及智能化管理规章制度，为巷道安全高效掘进提供基础与保障。