割煤、跟機、推溜、拉架……一系列動作一氣呵成，滾滾烏金經(jīng)過刮板運輸機流出工作面。這一切都顯示在四川省煤炭產(chǎn)業(yè)集團華榮能源公司大寶頂煤礦調(diào)度指揮中心屏幕上。小到設(shè)備零件的溫度，大到整個工作面的開采進度，都被處理成了一個個清晰明確的數(shù)據(jù)。
“2124—14智能化綜采工作面自今年4月初正式生產(chǎn)以來，平均每個月可以生產(chǎn)7萬余噸原煤，比之前普通綜采工作面產(chǎn)量提升了150%，當班作業(yè)人員減少了30%，勞動強度也小多了。”大寶頂煤礦綜采二隊隊長張濤表示。
應(yīng)用智能化綜采技術(shù)，在大寶頂煤礦早已不是新鮮事。2021年初，全國首個大傾角復(fù)雜煤層結(jié)構(gòu)智能化綜采工作面在該礦正式投產(chǎn)。截至2021年12月工作面回采結(jié)束，累計回采產(chǎn)量達43.2萬噸。在原工作面開采完成之后，該礦新建了2124—14智能化綜采工作面。從與復(fù)雜地質(zhì)斗爭，到掌握智慧開采密碼，智能化開采技術(shù)已在華榮能源公司大寶頂煤礦落地生根。
密碼一：支架上的秘密
“走路拉繩子，常走太空步”是大寶頂煤礦井下職工的工作寫照，也是大寶頂煤礦采煤工作面開采條件的真實寫照。
“我們的煤層賦存和開采條件很復(fù)雜，發(fā)展智能化綜采比較艱難，每走一步都在與復(fù)雜煤層結(jié)構(gòu)作斗爭。”大寶頂煤礦機電副總工程師董超表示。隨著第二個智能化綜采工作面正式投運，該礦逐漸掌握了大傾角復(fù)雜煤層結(jié)構(gòu)智能化綜采技術(shù)。
2019年，大寶頂煤礦打算把2124—15工作面建成全國首個大傾角復(fù)雜煤層結(jié)構(gòu)智能化綜采工作面。不過，工作面平均傾斜長度172米，平均采高2.4米，煤層傾角從北往南逐漸增大，最小10度，最大34度，平均傾角26度。當時，國內(nèi)外綜采智能化技術(shù)的推廣應(yīng)用集中于近水平工作面，未有在大傾角工作面進行智能化開采的先例。
“正常人在坡度20度的斜坡上來回行走都會非常累，更別說在這種情況下自動操作采煤機、拉移支架了。”大寶頂煤礦綜采二隊機電副隊長李清林說。
為此，大寶頂煤礦成立了工作專班，對工作面現(xiàn)場條件和智能化開采可行性進行了分析，逐一列出問題，開展課題攻關(guān)。“首先面對的就是設(shè)備防倒防滑問題。”綜采二隊隊長張濤說，“由于支架自重的下滑分力和頂板對頂梁的傾斜推力等作用，工作面傾角越大，液壓支架越會出現(xiàn)沿傾斜方向下滑和傾倒的可能。”
“當時國內(nèi)尚無可借鑒的經(jīng)驗，我們就在現(xiàn)有支架上‘做文章’。”一名參與技術(shù)攻關(guān)的相關(guān)人員表示。
據(jù)介紹，在設(shè)計上，他們在工作面前5架排頭支架上添加了其他支架所沒有的前調(diào)、后調(diào)和千斤頂。在前5架進行降柱移架的時候，鄰架可以對其進行牽引，防止其傾倒。同時，前5架排頭架在進行移架的時候，采用錯位移架的方式，先進行3號、4號支架移架，再進行1號、2號支架移架，最后再進行5號及往后支架移架。整個工作面在排頭架的支撐下，防傾倒能力大大增強，保證了下出口設(shè)備和人員的安全。
在設(shè)備防滑上，該礦在支架底板加裝了防滑千斤頂，將防滑千斤頂伸出，抵住推溜缸，以升壓固定住的支架為支點，對推溜缸進行支撐，從而固定刮板輸送機，防止其下滑。此外，推溜缸還被編入了工作面自動跟機程序，可實現(xiàn)程序控制自動伸縮，解決了工作面下滑問題。
“我們在智能化自動跟機過程中開創(chuàng)性使用防倒防滑缸，對類似的大傾角工作面實現(xiàn)智能化采煤具有借鑒意義。我們第二個智能化綜采工作面也應(yīng)用了此項技術(shù)。”一名參與技術(shù)攻關(guān)的相關(guān)人員表示。
此外，該礦還應(yīng)用了多角度調(diào)節(jié)式行走液壓支架。這是一種具備多角度調(diào)節(jié)功能的可行走液壓支架，是智能化綜采的核心設(shè)備。因行走液壓支架要依靠行走履帶，而行走履帶接地面積大，如果地面礦石較多，行走履帶壓在礦石上時，會導(dǎo)致整個液壓支架歪斜。但是，現(xiàn)有的多角度調(diào)節(jié)式行走液壓支架不具備清障功能。
針對實際情況，大寶頂煤礦在支架履帶前設(shè)置了清障和導(dǎo)流機關(guān)。當行走履帶行走時，可以對前方路障進行清除，從而保持平穩(wěn)。由于設(shè)置了導(dǎo)流機關(guān)，不會出現(xiàn)礦石堆積在清障板前方導(dǎo)致行走履帶工作負荷加重的現(xiàn)象，保障了液壓支架自動移架和支護效果。目前，“一種多角度調(diào)節(jié)式行走液壓支架”獲得了國家實用新型專利。
密碼二：防飛石的智慧
隨著采煤機滾滾向前，支架前的擋矸板依次豎起，遮擋住飛來的矸石。
“這是智能化工作面防止矸石飛濺的小秘密。”該礦工作人員指著最上層擋矸板上一處特殊的網(wǎng)狀窗口表示，這個設(shè)計使紅外線無論在任何采高、任意傾角都不會被遮擋，可以更好地適應(yīng)地質(zhì)條件復(fù)雜的工作面。
為了防止煤壁側(cè)的煤矸飛到架內(nèi)傷及人員和設(shè)備，在設(shè)計之初，大寶頂煤礦預(yù)想在刮板機電纜槽靠近支架通道的一側(cè)，增加可以固定擋矸板的結(jié)構(gòu)，采用液壓缸的動力方式控制擋矸板升降。
大寶頂煤礦工作面傾角大、采高變化大。為了適應(yīng)極其復(fù)雜的地質(zhì)條件，該礦擋矸板創(chuàng)新采用三層式設(shè)計，一層固定、一層升降、一層可拆卸。結(jié)合測高傳感器的使用，在自動控制系統(tǒng)的控制下，擋矸板可以完成不同采高條件下的升降動作。
但在設(shè)備試機調(diào)試時，該礦技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的擋矸板會遮擋支架紅外線信號接收，無法自動控制擋矸板升降。面對困難，該礦技術(shù)人員打起了擋矸板的主意。他們對傳統(tǒng)擋矸板進行了改進，把擋矸板的一部分實心結(jié)構(gòu)改成鏤空網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。
“我們反復(fù)模擬試驗了該網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)在不同采高、不同傾角工作面條件下的紅外線接收情況。檔矸板網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的設(shè)計為國內(nèi)現(xiàn)有大傾角工作面實現(xiàn)智能化自動跟機提供了借鑒。”該礦相關(guān)負責(zé)人表示。
密碼三：轉(zhuǎn)載機的改進
在綜采過程中，每割一刀煤，橋式轉(zhuǎn)載機就向前拉移一刀的距離。拉移橋式轉(zhuǎn)載機的前進速度與安全問題，直接關(guān)乎采煤效率。
以往升降單體支柱時，必須有兩人扶正壓柱缸，一人注液，人工扶正壓柱缸的時間較長，耽誤生產(chǎn)。同時，扶壓柱缸、注液時，人員在壓柱缸下方，壓柱缸易偏，導(dǎo)致頂板落石傷人。此外，壓柱是固定的，橋式轉(zhuǎn)載機向前拉移一刀后，就要撤柱、移柱，為下一個循環(huán)拉轉(zhuǎn)載機做準備。撤柱、移柱工人勞動強度大，安全隱患多。
“我們設(shè)計了一種可調(diào)節(jié)的橋式轉(zhuǎn)載機壓柱，便于調(diào)節(jié)壓柱缸的方向和高度，消除安全隱患，減少工作人員，實現(xiàn)一人遠程操作。”董超說。
改良后的可調(diào)節(jié)式橋式轉(zhuǎn)載機壓柱，通過其中一個輔助液壓缸的活塞桿伸縮，可以使壓柱缸沿橋式轉(zhuǎn)載機滑道的延伸方向擺動；通過另一個輔助液壓缸的活塞桿伸縮，可以沿垂直于橋式轉(zhuǎn)載機滑道的延伸方向擺動，使壓柱缸在橋式轉(zhuǎn)載機滑道的兩側(cè)擺動；配合滑軌調(diào)節(jié)位置的設(shè)置，可以調(diào)節(jié)壓柱缸任意角度，最大限度發(fā)揮壓柱缸的作用。
“通過兩個輔助液壓缸來完善壓柱缸的角度調(diào)節(jié)功能，對壓柱缸起到支撐作用，避免了人員扶柱。同時，兩個輔助液壓缸、壓柱缸跟隨滑道移動，避免了撤柱、移柱，確保了人員安全。”董超表示。
2021年2月9日，“可調(diào)節(jié)式橋式轉(zhuǎn)載機壓柱”獲得國家實用新型專利。
通過這些技術(shù)創(chuàng)新，大寶頂煤礦逐漸完善了大傾角復(fù)雜煤層智能化采煤工藝。
“大寶鼎煤礦智能化綜采項目積累的技術(shù)成果和經(jīng)驗，可以促進區(qū)域內(nèi)乃至全國煤炭企業(yè)智能化綜采水平的大幅度提升，有利于提升煤礦整體安全水平與效益，具有推廣應(yīng)用價值。”中國國際工程咨詢公司專家組對該項目作出評價。
目前，大傾角復(fù)雜煤層結(jié)構(gòu)智能化綜采工作面已順利投產(chǎn)500余天。“這表明，大傾角復(fù)雜結(jié)構(gòu)煤層條件下已經(jīng)完全可以實現(xiàn)智能化綜采技術(shù)。”華榮能源公司相關(guān)負責(zé)人表示，“盡管大寶頂煤礦大傾角復(fù)雜煤層智能化采煤工藝在全國范圍內(nèi)是先例，但不可否認，無人化、智能化綜采工藝乃至智慧礦山建設(shè)是一個硅步千里的過程。大寶頂煤礦仍面臨著不少挑戰(zhàn)，在煤流生產(chǎn)運輸智能協(xié)調(diào)、機器人巡檢等方面，我們還需繼續(xù)探索。”
讓煤礦智能化釋放更大紅利
車 瓦
煤層賦存和開采條件復(fù)雜的礦井能否發(fā)展智能化綜采？大寶頂煤礦用實際行動給出了答案——不僅能，而且比之前普通綜采工作面產(chǎn)量提升了150%，當班作業(yè)人員減少了30%。作為在大傾角復(fù)雜煤層結(jié)構(gòu)采用智能化綜采技術(shù)的“吃螃蟹”者，大寶頂煤礦付出了艱辛，也享受到了煤礦智能化的紅利。
由于我國煤層賦存條件復(fù)雜多樣，不同煤層賦存條件礦井開展智能化建設(shè)的技術(shù)路徑、難易程度、效果等均不相同。目前，我國煤礦智能化發(fā)展依然存在不平衡現(xiàn)象。
西部大型礦區(qū)煤層賦存條件較好，智能化開采技術(shù)與裝備相對成熟，生產(chǎn)效益好，人才儲備相對豐富，智能化煤礦建設(shè)速度快、效果好。相比之下，中東部、西南部礦區(qū)煤層賦存條件相對復(fù)雜，智能化開采技術(shù)與裝備適應(yīng)性較差，高端技術(shù)人才匱乏，投入產(chǎn)出比低，煤礦智能化建設(shè)緩慢。
是否有必要投入資金和人力物力在煤層賦存和開采條件復(fù)雜的礦井發(fā)展智能化？在煤炭行業(yè)，有不同的聲音。有人認為，煤層賦存條件復(fù)雜的礦井，能源開采成本高，以后要逐漸淘汰，不應(yīng)再花大力氣搞智能化。有人認為，在煤層賦存條件復(fù)雜的礦井突破技術(shù)瓶頸，不僅能夠提高煤炭企業(yè)的生產(chǎn)效率，而且對于其他同類型礦井有借鑒意義。
《煤炭工業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》明確了全國煤炭開發(fā)總體布局是壓縮東部、限制中部和東北、優(yōu)化西部。這并不意味著中部、東部地區(qū)的煤炭發(fā)展要完全“擺爛”，對于煤層賦存和開采條件復(fù)雜的礦井而言，坐以待斃更是下下策。
當前，煤炭行業(yè)雖面臨政策、環(huán)境等壓力，但能源保供基本面依然給目前煤炭行業(yè)發(fā)展提供了機遇。在這樣的宏觀背景下，智能化是必然趨勢。智能化做得好，則步入發(fā)展快車道；智能化做得不好，則面臨淘汰風(fēng)險。
煤層賦存和開采條件復(fù)雜的礦井還需更加重視煤礦智能化建設(shè)。未來煤礦智能化的發(fā)展形態(tài)不僅是煤炭生產(chǎn)環(huán)節(jié)的智能化，還包括煤礦地質(zhì)勘探、礦井設(shè)計建造、廢棄礦井綜合利用等礦井全生命周期管控智能化以及煤礦“產(chǎn)、運、銷、儲、用”全流程調(diào)控的智能系統(tǒng)化。突破其中眾多技術(shù)難題，還有很長的路要走，也值得我們?nèi)プ摺Ｕ缰袊こ淘涸菏客鯂ㄋ裕?ldquo;我們提出的煤礦智能化愿景，讓職工更幸福、企業(yè)更高質(zhì)量地發(fā)展。這是符合科學(xué)規(guī)律的，是一定能夠?qū)崿F(xiàn)的。”
