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为煤巷掘进按下“加速键”

文章来源:科技日报                   发布时间:2024-02-08
摘要:截割滚筒旋转着破开围岩,机械手上下挥舞喷涂高强度材料,机械臂有条不紊地安装锚杆,监测系统自动分析巷道变形情况……在陕煤集团曹家滩煤矿井下,一套长50多米的装备犹如“钢铁侠”,正在煤巷中大显身手。其掘进

截割滚筒旋转着破开围岩,机械手上下挥舞喷涂高强度材料,机械臂有条不紊地安装锚杆,监测系统自动分析巷道变形情况……

在陕煤集团曹家滩煤矿井下,一套长50多米的装备犹如“钢铁侠”,正在煤巷中大显身手。其掘进速度可达每天55—65米,是传统方式掘进速度的数倍。

这位“钢铁侠”是世界首套钻锚一体化智能快速掘进成套装备。它由中国煤炭科工集团有限公司(以下简称中国煤科)科研团队历时5年研发而成,曾被评为央企“十大国之重器”。

巷道掘进技术制约煤炭行业发展

掘进与采煤是煤炭生产的两个基本环节。掘进巷道是第一步,为煤矿运输、通风、行人提供必要通道,下一步才能进行煤炭开采。

“过去十几年,采煤工作面的作业逐步从机械化走向自动化、智能化,采煤的技术水平已经走在巷道掘进技术的前头。”该装备研发项目执行负责人、中国煤科首席科学家姜鹏飞告诉科技日报记者。

姜鹏飞解释,煤矿巷道的埋深往往达几百米乃至上千米,掘进工作面的煤层和岩层强度比较低,围岩支离破碎,容易出现塌方,给掘进和支护带来巨大挑战。而且,煤矿回采巷道一般仅使用一到两年,煤矿开采完即报废,这对装备技术的成本提出了苛刻的要求。

受多重因素影响,巷道掘进此前只实现了局部自动化,掘进工作面往往需要十几位煤矿工人高强度工作。据统计,我国现有巷道作业人员超70万人,是采煤工作面作业人员的3倍多。姜鹏飞介绍,其中,为了防止巷道冒顶,包括铺设金属网、钻孔、安装锚杆在内的支护环节用人最多、用时最长。这是当前影响煤巷快速成巷的最主要因素。

“拖后腿的巷道掘进技术,已成为制约整个煤炭行业安全、可持续发展的瓶颈。”姜鹏飞总结道。

作为我国煤炭科技研发的“国家队”,中国煤科研究团队决定放手一搏:开展煤巷快速掘进关键技术与装备研发,提升煤巷掘进自动化、智能化水平,减少该环节对人工的依赖,降低工人劳动强度。

为寻求可行方案,2018年,中国煤科康红普院士研究团队开启了持续一年的实地调研,数十次下井,到现场找灵感。

“站在巷道里,面对呼啸而来的粉尘,眼睛只能眯成一道缝观察掘进过程。看到如此情景,我们也越发明白开展技术攻关、不断提高掘进技术水平的意义。”研究团队成员罗超感慨。

研发方案直击快速成巷痛点

然而,调研结果不容乐观——国内外均无成熟的自动化、智能化技术和产品,一切只能靠自己摸索。

调研结束后,大家陆续提出多种解决方案。研究团队成员王子越回忆,煤巷盾构式掘进方案、龙门架掘进支护方案等先后被提出,又因种种原因先后被推翻。

拿煤巷盾构式掘进方案来说,研究团队希望借鉴道路桥梁隧道的盾构方式来掘进煤矿巷道。围绕这个方案研讨了半年多,却发现这条路走不通:相较于其他隧道,煤矿巷道的地层起伏更剧烈、围岩更破碎,使用盾构机的支护难度更大;巷道底部的岩石强度低,容易导致盾构机陷入破碎的岩层中。

在兴奋与失落的循环往复中,前前后后共有8种方案被否决。苦闷与迷茫笼罩着整个团队。

就在此时,团队成员通过“头脑风暴”碰撞出新的思路:研发钻锚一体化智能快速掘进成套装备。该装备集钻锚一体化锚杆自动支护、巷道表面喷涂护表、随掘变形动态监测等多项核心功能于一身。

研究团队最新提出的研发方案直击阻碍煤巷快速成巷的痛点。例如,在传统支护方式中,钻杆是用来钻孔的杆体,锚杆则是用来打入钻孔中,加固和支护围岩的杆体,二者需要反复轮番上场。传统的支护步骤繁杂,包括钻孔、卸钻杆、安装锚固剂、安装锚杆、搅拌及预紧等6道工序。新方案设想采用钻锚一体化自动支护方法,钻杆即锚杆,6道工序变1道,对传统工艺进行根本变革。

巷道表面喷涂护表的设想更是大胆。团队成员韦尧中说,希望利用机械手在巷道表面喷涂高强度材料,直接替代金属网铺设。这种做法,国内外均无先例。

提升掘进速度减少人工成本

把方案变成现实,并不容易。

2019年,装备研制工作启动。由于研制的设备新,加工规模小,小厂干不了、大厂不愿干,最终找到的加工试验场地极其简陋。天寒地冻时,研发人员只能跺脚取暖。

一路过关斩将,死磕几十个技术难题后,装备最为核心的部件之一——钻锚一体化锚杆及配套施工装置“呱呱坠地”。为检验施工效果,研发团队驻扎在试验煤矿7个月,与工人同吃同住,开展井下试验。

试验初期,前几根锚杆安装一切顺利。随后却突然出现令人傻眼的一幕:由两种组分构成的锚固剂沿着不同通路相遇、凝固,装置如哑炮一般,打不出锚杆了。

欲渡黄河冰塞川,将登太行雪满山。脸上蹭满煤灰的团队成员“压力山大”。怎么办?只能继续白天下井试验,晚上讨论改进措施。

2020年,断断续续在巷道中打了近2000根锚杆后,灵感再次乍现。团队成员在剖析、总结装置暴露的问题后,开发出一种完全异于市面上相近产品的系统,成功破解锚固剂堵塞施工装置这一难题。

经过不断努力,装置最终实现“一键打锚杆”:每次支护时,只需按下按键,安装锚杆的全套工序就会自动完成。

之后,团队又陆续攻克兼顾强度与安全性能指标的喷涂材料、监测系统图像识别干扰等9大项、400余小项技术难题。世界首套钻锚一体化智能快速掘进成套装备终于成功下线。

有了它,巷道掘进工作面智能化程度显著提升,掘进速度快了好几倍,工人数量从十几人减少至几人,劳动强度也大幅降低。

在煤矿领域崭露头角后,这位“钢铁侠”迎来更多订单。今年,有13套钻锚一体化智能快速掘进成套装备将推广应用,为提高煤炭开发生产能力、保障国家能源安全贡献力量。