综采工作面超前巷道自动化辅助作业技术现状与展望.pdf

舢机械躺⋯辅期困 综采工作面超前巷道自动化 辅助作业技术现状与展望 张德生1 ，任怀伟1 ，卞冀2 ，徐亚军1 1 天地科技股份有限公司开采设计事业部北京1 0 0 0 1 3 2 中国煤炭科工集团唐山研究院有限公司河北唐山0 6 3 0 1 2 摘要综采工作面超前巷道支护及辅助作业是制约智能化开采的关键。为提高辅助作业自动化程度， 在系统阐述超前巷道功能及辅助作业种类的基础上，分析了超前支护、煤流输送、辅助运输和巷修等 辅助作业自动化技术现状及存在问题。对自动化辅助作业的最新技术成果，如无反复支撑超前支护、 煤流连续运输保障技术、自移式设备列车等作了介绍。上述创新成果推动了超前巷道辅助作业从机械 化向智能化的迈进，基本保障了工作面安全高效开采。展望了超前巷道辅助作业发展的重点技术方 向，指出一体化、集约化和协同化是其发展趋势。 关键词智能化综采；超前巷道；辅助作业；自动化 中图分类号T D 4 2 1文献标志码A文章编号10 0 1 3 9 5 4 2 0 2 0 0 5 0 0 0 1 0 6 P r e s e n ts i t u a t i o na n d p r o s p e c t 0 fa u t o m a t i ca u x i l i a r yO p e r a t i o nt e c h n o l O g y u s e di na d V a n c e dr o a d w a yo f f u l l y - m e c h a n i z e dm i n i n g f a c e Z H A N G D e s h e n 9 1 ，附NH u a i w e i l ，B 忪NJ i 2 ，X UY 萄u I l l 1 C o a lM i n i l l g D e s i 驴i n gD e p t ．，T i a n d iS c i e n c e T e c l l n 0 1 0 9 yC o ．，L t d ．，B e i j i n g10 0 0 13 ，C h i n a 2 T a n g s h a l lR e s e a r c hI n s t i m t eo f C h i l l aC o a lT e c l l l l 0 1 0 9 y E n g i n e e r i n gG r 0 1 l p ，T a n g s h a n0 6 3 0 1 2 ，H e b e i ，C l l i n a A b s t r a c t A d V a n c e ds u p p o r t i n ga n da u x i l i a r yo p e r a t i o no nt h e 血1 1 y - m e c h a n i z e dm i n i n gf a c ea r et h ek e y f a c t o r sr e s t r i c t i n gt h ei n t e l l i g e n tm i n i l l g ．I no r d e rt oe n h a n c et h ea u t o m a t i o nd e g r e eo fa u x i l i a r yo p e r a t i o n ， a n e rn ￡盯a t i n gm e 鱼n c t i o no ft 1 1 ea d V a n c e dr o a d w a ya n dm e 咖eo fa u x i l i a r yo p e r a t i o n ，m ep a p e ra n a b ，z e d m ep r e s e n ts i n l a t i o na 1 1 de X i s t i l l gp r o b l e m sa b o u ta u t o m a t i ca u 】【i l i a r yo p e r a t i o nt e c l l n 0 1 0 9 ys u c ha sa d V a n c e d s u p p o r t i n g ，c o a ln o wc o I Ⅳe y 龇1 c e ，a u x i l i a r y 仃a n s p o r t a t i o n 甜1 dr o a d w a ym a i n t e n a n c ee t c ．，a n di n t m d u c e dt h e n e w e s ta u t o m a t i ca u x i l i a r yo p e r a t i o nt e c l l l l 0 1 0 9 ys u c ha sn o n r e p e a t e da d V a n c e ds u p p o r t i n g ，g u a r a n t e eo f c o n t i m l o u sc o a ln o w c o n V e y 甜1 c ea n ds e l f _ m o V i n ge q u i p m e n t 仃a i ne t c ．T h ea _ b o V e1 1 e 、Ⅳt e c l l n 0 1 0 9 yi m p e l l e d Ⅱ1 ea u x i l i a r yo p e r a t i o ni 1 1a d V a n c e dr o a d w a yt od e V e l o p 丘o mm e c h a n i z a t i o nt oa u t o m a t i o n ，s oa st oe n s Ⅲ．em e s a f ea 1 1 de 伍c i e n tm i n i n go nw o f k i n gf a c e ．I na d m t i o n ，i tp r o s p e c t e dm ek e ya u x i l i a r yo p e r a t i o nt e c h n o l o g yi n a d V a n c e dr o a d w a y ，a 1 1 dp o i n t e do u tt h ed e V e l o p m e n tt e n d e n c yw a s 面e 刚i o n ，i n t e n s i f l c a t i o na 1 1 dc o l l a b o r a t i o n ． K e yW o r d s 血e 1 1 i g e n t 伽l y m e c h a n i z e dm i n i n g ；a d V a n c e dr o a d w a y ；a u 【i l i a r yo p e r a t i o n ；a u t o m a t i o n 年口能化是当前煤炭综采技术发展的重点和热 目点，以工作面“三机”自动化引领的智能综采 基金项目天地科技创新创业资金资助项目 2 0 1 9 一T D z D 0 0 1 ； 国家重点研发计划项目 2 0 1 7 Y F c 0 8 0 4 3 0 5 ；山东省重大科技创新工 程项目 2 0 1 9 s D z Y 0 4 ；中央国有资本金资助项目 财企[ 2 0 1 3 ] 4 7 2 作者简介张德生，男，1 9 8 2 年生，博士，研究员，主要从事 煤炭综采工作面支护及辅助作业技术与装备研发工作。 技术逐步发展成熟，在地质条件较好的工作面已形成 “无人操作、有人巡视，顺槽集中控制”的智能化开 采模式【卜2 1 。综采工作面超前两巷是煤流、人流和物 流的主通道，且超前段是顶板事故的多发区，在超前 2 0m 以上的支护区范围内，设备繁多、工序复杂，如 大部分矿井单体支柱搬运等工作仍需人力操作，成为 制约智能化开采的瓶颈。 万方数据 困舢机械躺⋯嬲期 编 辑 严 瑾 2 提高超前巷道 顺槽 辅助作业机械化、自动化 程度，实现多设备协同控制，减少作业人员数量是近 年来研发和应用的重点。在超前支护方面，经过近 2 0 年的发展和完善，超前液压支架已成为各种类型 矿井安全、高效生产的基本保障口。4 1 在运输系统方 面，转载机自移装置 马蹄尔 不断成熟并向大推移行 程发剧5 。剀在辅助作业方面，机器人化巡检和作业 装备不断涌现口‘8 1 ，国家煤矿安全监察局煤矿机器人 重点研发目录提出了巷道清理机器人等辅助机器人 装备的要求旧1 ，推动各类辅助作业机器人加速发展。 在上述装备自动化发展的基础上，超前支护装备、运 输装备和协同推进控制技术也有了初步进尉吲。 当前，煤炭企业把握技术发展的新趋势，大力实 施开采技术装备升级、减员提效，为超前巷道辅助作 业新技术推广应用提供了重要机遇。通过对辅助作业 自动化技术分析和展望，并介绍最新发展成果，以期 为相关技术装备的开发和应用提供参考。 1综采工作面超前巷道辅助作业 1 ．1 超前巷道基本功能和辅助作业类型 在长壁综合机械化开采工艺中，工作面超前巷 道承担煤流外运、综采工作面材料内运、装备动力和 材料输入，以及保障人员和设备安全作业空间等基本 功能，相应的基本系统包括承担煤流外运的转载机和 带式输送机主煤流运输系统、运输动力设备和管路的 设备列车辅助运输系统、控制围岩的超前支护系统及 巷修工程等辅助作业系统 见图1 。在工作面推进过 程中，需要进行转载机和带式输送机的移动，超前支 护系统的前移，液、电、气供给管路的回撤，巷道治 理等大量辅助作业，上述工序具有复杂化、离散化等 特点，难以实现程序化控制，造成人员经常性集中作 业，限制了综采工作面及两巷设备协同推进，成为智 能化开采的最大障碍。 1 1 带式输送机2 ．设备列车3 转载机4 ．破碎机5 刮板输送机 6 ．采煤机7 液压支架 图1工作面及超前巷道设备布置示意 F i g ．1L a y o u to fe q u i p m e n t si Ⅱa d V a n c e dr o a d w a y a n d w o r k i n gf a c e 为此，重点对空间维护 支护设备群 、煤流 转 载机 带式输送机 、动力流和信息流 管路群 、巷 修作业 辅助装备 等管理和维护系统进行分析。 1 ．2 超前支护系统 煤炭安全规程规定采煤工作面所有安全出 口与巷道连接处超前压力影响范围内必须加强支护， 且加强支护的巷道长度不得小于2 0m 。传统超前支 护是以单体支柱支撑，随工作面推进，单体支柱从后 向前移动，反复搬运与支设工作，劳动强度大。条件 差的巷道支护密度大，人工移动危险性更高。为减少 操作人员，提高超前支护效果，近年来重点发展的双 列多节迈步式超前支架 见图2 可有效加强巷道超前 段及端头后方巷道的顶板支护，通过配置电液控制系 统，实现交替迈步式前移，大大简化了操作流程，提 高了工效，保证工作面采煤作业顺利进行，现已逐步 发展成熟，在各类地质条件矿井均有应用‘川。 图2 运输巷超前支护系统 F i g ．2 A d V a n c e ds u p p o r t i n gs y s t e mi nc o n V e y a n c er o a d w a y 存在问题频繁的降柱一移架操作带来反复支 撑，破坏顶板和原有锚网系统，对于顶板条件差或压 力显现明显超前巷道的适应性较差，制约了其推广应 用，因此传统单体超前支护方式仍在大量应用。 1 ．3 煤流输送系统 当前，运输巷的煤流输送装备群形成了以“转载 机 自移机尾 带式输送机”的成熟配套模式，自移 装置作为转载机与带式输送机的中间衔接装置 见图 3 ，具有输送带跑偏调整、转载机推移方向和自行前 移等功能，广泛应用于高产高效工作面。通过人工操 作液压阀，可实现转载机、带式输送机机尾的自动前 移，达到工作面快速推进目的，并通过引入电液控制 系统，实现了自动化前移。 图3 转载机自移装置 F 追．3S e l f - m o v i n gd e v i c ef o rt r a n s f e rc o n V e y e r 万方数据 舢机械躺⋯辅期因 存在问题大采高工作面转载点煤流系统大块堵 卡时，需要停机处理，由人工轮锤或手持风镐进行破 块，停机时间十几分钟至1h 以上，无法保证煤流系 统的连续运行；带式输送机托辊架的回撤仍需大量的 人工辅助作业。 1 ．4 设备列车和管路系统 综采工作面设备列车是乳化液泵站、移动变电 站、各类监控中心、电缆盘和材料等的工作载体，一 般在距采煤工作面4 0 2 0 0m 的范围内，随工作面回 采整体移动，保证系统高速推进，成为综合机械化开 采的必备装备各类管路系统则挂设在煤壁上，由人 工拆卸，通过车辆运输回撤，如图4 所示。 图4 设备列车及管路系统 F i g ．4E q u i p m e n tt r a i na n dp i p e l i n es y s t e m 存在问题通用设备列车是“绞车 轨道”模 式，回撤移动时将后部轨道拆除，移至前端。绞车操 作、轨道运输和铺设均需人工完成，无法实现自动化 连续推进；供水管路、供液管路也需边回采边拆除， 人力消耗大。 1 ．5 其他辅助作业 1 巷修作业由于强矿压作用造成巷道变形 大，影响设备通过，且具有安全隐患，必须采取修复 和加强支护作业，以保证安全通行和作业空间。主要 包括钻孔、起底、扩帮等作业。 存在问题目前采用的单钻机作业和人工起底方 式劳动强度大，作业效率低，单班甚至达到数十人同 时作业。 2 退锚作业从围岩控制和采空区安全角度 出发，对于回采巷道，回采前需依靠锚索维护采前稳 定，回采后需及时垮塌。当锚索过强支护时，工作面 推进后回采巷道顶板滞后垮落，产生大面积悬顶，相 临巷道应力增大，并容易导致瓦斯和有害气体积聚， 给煤矿生产带来一定的安全隐患，因此需要将锚索的 锁具退出以解除锚固作用，并回收托盘、锁杯等材 料。 存在问题退锚机具锁片拆除环节需要人工介 入，危险性大，对于锈蚀等情况，锚索退锚率低，一 般需要3 人以上协同作业。 2 超前巷道辅助作业机械化与自动 化新进展 2 ．1超前支护新技术 针对双列多节式超前支架沿工作面走向等强度支 护的不足，提出适用于多数巷道超前支护的“低初撑 力、高工作阻力”超前液压支架支护理念和非等强支 护控制方；去【| 2 】，以巷道变形量和超前应力集中2 个参 数作为稳定性控制指标，采用低初撑力以减轻对顶板 接触区域和锚杆的破坏，高工作阻力以抵抗顶板冲击 载荷破坏，和锚杆支护系统协同发挥支护作用，提高 了超前液压支架的适应性。同时，非等强支护控制方 法为冲击地压矿井超前巷道7 0m 以上超长距离支护 装备设计和布设提供了理论支撑。 针对反复支撑破坏顶板的问题，近年来先后发 明了搬运车载运”到和单轨吊运式【川无反复支撑液压支 架。中煤科工太原研究院发明的搬运车转载式 见图 5 a 包括无轨防爆胶轮车、升降平台以及旋转夹紧装 置，旋转夹紧装置布置于升降平台上，通过升降实现 超前支架的接顶、脱顶和旋转，并由搬运车实现转载 动作天地科技发明的单轨吊运尾变首式超前支护系 统 见图5 b ，可通过单轨吊的转载实现尾变首式移 a 车载式 b 吊运式 图5 超前液压支架架型新发展 F i g ．5 N e w t y p eo fa d V a n c e dh y d r a u l i cs u p p o r t 万方数据 因舢机械躺⋯粥期 编 辑 严 瑾 4 动。上述2 种方案可从根本上解决反复支撑对顶板的 扰动破坏问题，目前已在雅店煤矿、口孜东煤矿等复 杂条件矿井推广应用。 2 ．2 煤流系统保障 针对大块煤和矸石这一影响煤流系统连续运行的 重要障石导【| 5 】，为减轻工人劳动强度，提高作业效率和 安全，利用冲击原理的机械破碎装置，对大采高工作 面大块煤进行破碎的各种尝试不断出现。天地科技开 发的乳化液拍击式大块破碎技术‘| 6 】，其冲击加速性能 可达7 9 以上”7 。，在有限的高度空间内达到尽可能好 的破块效果，适用于转载机入口大块煤的破碎 见图 6 a 一种具有大块煤预破碎功能的过渡槽及刮板输 送机【| 8 1 则在卸载区安装电动机直驱齿辊式连续破碎装 置，解决了工作面输送机卸载点和转载机入口点大块 煤堵塞难题 见图6 b ，可在不停机状态下实现大块 煤的破碎。 a 拍击式 b 旋转式 图6 大块煤破碎装置 F i g ．6B r e a k i Ⅱgd e V i c e sf o rl a r g el u m pc o a l 2 ．3 设备列车辅运系统 针对传统设备列车移动作业步骤复杂、操作人员 数量多的问题，中煤科工太原研究院等单位开发了迈 步自移设备列车9 。2 0 1 ，以液压为动力，自带轨道，实 现列车自移、行走调偏、管缆随动、防掉道等功能， 前方锚固拉移装置带动整个设备列车迈步式前移 见 图7 ，通过电液控制和无线遥控操作，进一步提高了 作业安全和效率。 a 迈步式 b 自轨式 图7 白移设备列车 F i g ．7S e l f 二m o V i n ge q u i p m e n tt r a i n 2 ．4 巷道控制辅助作业技术 底鼓一直是我国巷道支护的顽疾，注浆、锚杆 与锚索加固是控制巷道底鼓的有效方式。水力压裂卸 压、放顶技术是近年来新发展的一项技术。上述作业 均需完成不同方位和深度的钻孔作业。现有钻机质量 与体积较大，在巷道内搬运、稳定困难，钻孔位置不 容易精确掌握 见图8 a ，为此专门开发了牵引式轻 便型多功能钻机平台 见图8 b 。 针对悬顶退锚作业难题，天地科技发明了一种卡 盘式自动退锚装置【2 1 1 ，在传统退锚千斤顶的基础上， 增加了三爪液压卡盘和联接部，配套新型外沿结构锁 片，实现张拉松锚及退锚的一体化作业，避免了人工 a 履带式 万方数据 舢机械躺⋯辅期困 b 牵引式 图8 钻机平台 F i g ．8 D r i l lr i gp l a t f o r m 拨片等危险作业。在山西王坡煤矿某巷道进行了锚索 退锚作业试验，效果良好 见图9 。 a 退锚中 b 松锚后 图9 卡盘式退锚装置 F i g ．9B 0 l t - r e t r e a t i n gd e V i c ew i t hc a r t r i d g e 3 超前辅助作业发展方向 3 ．1发展趋势 随着煤炭资源的开发向深部转移，超前巷道条件 日趋复杂旺2 1 ，对超前巷道支护和围岩控制要求不断提 高，巷修等辅助工作量也随之加大；智能采煤技术的 快速发展，也要求两巷作业自动化水平进一步提升。 因此，超前巷道辅助作业将向以下方向发展 1 围岩控制作业一体化超前巷道多装备一 体化是必然趋势。系统考虑围岩控制的时空效应， “采前修复一超前支护一采后卸压”一体化作业如图 10 所示，将修复平台和退锚作业与超前支架集成一 体，实现全方位自动化控制。 图1 0 一体化作业示意 F i g ．1 0 S k e t c ho fi n t e g r a t i o no p e r a t i o n 2 装备功能集约化减人提效是发展辅助作 业自动化技术的目标。分散作业装备和岗位的集中， 必须要求装备功能集约化。如转载运输机和起底设备 等的结合，实现“铲一装一运”集成功能，提高装备适 应性，减少作业人员。 3 控制协同化改变传统的离散人工就地控制 方式，将转载机、带式输送机机尾、设备列车、大块 破碎装置等集成到统一的监测和控制平台，与工作面 的推进相衔接，实现基于开采工艺与工序的设备协同 推进。 3 ．2 共性关键技术 1 精确定位和导航技术精确定位和导航技 术是设备调控的基础，也是人员安全的保证。当前超 前液压支架的自移、设备列车纠偏、人员接近保护等 均需高精度定位的支持，是需解决的共性关键问题。 2 图像处理和识别技术超前巷道围岩的工 况监测、煤流系统的大块识别、巷道变形和破坏等智 能识别难题，均有望通过图像感知及处理技术来破 解，该技术是超前巷道自动化作业领域的重要支撑。 3 机器人化高效作业装备高效的执行机构 是辅助作业的根本保障，按照煤矿机器人重点研发 目录的要求，开发超前支护机器人、搬运机器人、 破碎机器人、巷道清理机器人、管道安装机器人以及 各类巡检机器人。 4 结语 随着智能化开采的加速发展和推广应用，目前超 前巷道辅助作业已基本实现机械化，正向自动化和智 能化方向发展。集成现有先进技术装备，以围岩控制 为基础，减员提效为目标，进一步攻克精准定位与导 航、智能感知及机器人化作业技术，为煤炭智能化少 人化开采提供支撑。 编 辑 严 瑾 5 万方数据 与广山机械第4 8 卷2 0 2 0 年第5 期 编 辑 严 瑾 6 参考文献 【1 】王国法，张德生．煤炭智能化综采技术创新实践与发展展望 【J ] ．中国矿业大学学报，2 们8 ，4 7 3 4 5 9 - 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