快掘系統(tǒng)中電氣傳動智能化改造與應用

煤炭行業(yè)作為國家經(jīng)濟和能源供應的重要支柱，在未來很長時間仍將是我國的主要能源。我國煤炭開采技術的發(fā)展經(jīng)歷了從上世紀80年代人工炮采、到本世紀機械化開采、再到2010年綜合機械化作業(yè)的提出，目前正逐步向自動化采煤及智能化開采方向邁進。快掘系統(tǒng)通過采用掘、支、運平行推進的運行方式解決了傳統(tǒng)掘進工藝中存在的截割效率低、支護效率低、運輸效率低、工序均衡性差、輔助作業(yè)環(huán)節(jié)多和人機與環(huán)境不協(xié)調(diào)等問題，但與地面設備相比，仍存在設備智能化程度低、系統(tǒng)集成化欠缺和人員安全保障等問題。王國法院士指出，未來煤礦智能化是煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的核心技術支撐。《國家能源集團煤炭產(chǎn)業(yè)“十四五”發(fā)展規(guī)劃》也明確提出要深度融合智慧技術，全面推進煤礦智能化建設。第一套快掘系統(tǒng)于2013年1月25日安裝在神東煤炭集團下屬的大柳塔煤礦，并于2013年2月6日開始試生產(chǎn)。該快掘系統(tǒng)累計掘進巷道15362m，其中日最高進尺102m，月最高進尺2514m?？炀蛳到y(tǒng)的配套與應用，一方面緩解了煤礦企業(yè)日益失衡的產(chǎn)能收益比，降本增效顯著；另一方面，解決了傳統(tǒng)開采工藝中的重復作業(yè)等弊端。快掘系統(tǒng)采用掘、支、運平行作業(yè)，合理支護，優(yōu)化人機配合，極大改善了工人工作面環(huán)境，保障了煤礦安全生產(chǎn)?？炀蛳到y(tǒng)經(jīng)過十余年的發(fā)展，由中煤科工集團太原研究院研制的以掘錨一體機為龍頭的快掘系統(tǒng)創(chuàng)造了煤巷月進尺3088米的世界紀錄。隨著人工智能和傳感器技術的發(fā)展，快掘系統(tǒng)一方面由廠家更新迭代，另一方面針對現(xiàn)存快掘系統(tǒng)，煤礦企業(yè)聯(lián)合廠家結(jié)合設備實際使用環(huán)境對快掘系統(tǒng)進行了智能化改造升級，提高了設備智能化水平，打造了智能化礦山建設。近年來，國能集團、中煤能集團、晉能集團、陜煤集團等超大型煤炭企業(yè)均啟動快掘系統(tǒng)智能化改造與建設，在減少下井人員、提升安全生產(chǎn)水平和產(chǎn)能提升方面取得了一系列成果。在煤礦智能化背景下，本文通過對快掘系統(tǒng)的研究，剖析現(xiàn)有快掘系統(tǒng)電氣傳動裝置智能化改造方向，并結(jié)合現(xiàn)有改造應用，淺談快掘系統(tǒng)電氣傳動當前與未來智能化改造方法及應用。

1快掘系統(tǒng)

傳統(tǒng)掘進工藝中，開采效率低，開采后支護銜接不匹配；臨時支護需要人工輔助完成，工序勞動強度高；運煤效率低，轉(zhuǎn)接傳送帶距離短易撒煤；所有工作銜接均需要人員參與，并且繁瑣復雜。快掘系統(tǒng)針對傳統(tǒng)開采工藝弊端提出了以空間換時間的概念，通過掘、支、運平行作業(yè)來實現(xiàn)掘進工藝的平衡?？炀蛳到y(tǒng)主要由掘錨一體機、錨護轉(zhuǎn)載破碎機、連續(xù)運輸系統(tǒng)等設備構(gòu)成，如圖1所示。掘錨機可實現(xiàn)截割和支護共同作業(yè)、平行作業(yè)。轉(zhuǎn)載破碎機可將截割較大煤礦進行分解、運輸，釋放了掘錨機工作潛能。連續(xù)運輸系統(tǒng)可提升運煤效率?？炀蛳到y(tǒng)施工循環(huán)共分為7步，依次是截割、降臨時支護、收穩(wěn)定靴、推進、鋪網(wǎng)、開啟升臨時支護和穩(wěn)定靴、聯(lián)網(wǎng)、永久支護，該系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)掘進中運輸和錨護不匹配制約礦井成巷效率的問題。圖1快掘系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.1掘錨一體機

掘錨一體機是煤礦行業(yè)中一種用來進行井下巷道掘進和支護的機械設備，如圖2所示。它能夠完成邊掘進邊支護的一體化工作，屬于集成裝備。構(gòu)成掘錨一體機的結(jié)構(gòu)主要包括龍門機架、鉆臂系統(tǒng)、延伸機構(gòu)、TRS臨時支撐系統(tǒng)及液壓傳動系統(tǒng)。掘錨一體機能夠有效解決因為錨桿支護所導致的掘進速度下降問題，該設備是掘進機和錨桿機的有機結(jié)合，能夠完成兩種設備的一體操作，實現(xiàn)共同作業(yè)目標，提高了工作效率。掘錨機的應用基礎是掘錨一體化技術，這項技術能夠使掘進和錨護一起作業(yè)。掘錨一體機操作方便簡單，作業(yè)能力強，設備在提高煤礦作業(yè)效率的同時，還可以防止煤礦工作人員在作業(yè)時因過度勞累或其他原因?qū)е碌膯栴}。以掘錨一體化技術為基礎的掘錨一體機，能夠縮小空頂距離，保證空頂距離在規(guī)定范圍之內(nèi)。此外，掘錨一體機能夠在井下作業(yè)范圍內(nèi)安裝防塵通風系統(tǒng)。圖2掘錨一體機

1.2錨護轉(zhuǎn)載破碎一體機

履帶式錨護轉(zhuǎn)載破碎機如圖3所示，是快掘系統(tǒng)中的重要配套設備之一。它與掘錨一體機、皮帶輸送機和邁步式自機尾配套使用，可實現(xiàn)煤塊落、儲、碎和運的機械化流水化作業(yè)。錨護轉(zhuǎn)載破碎機的工作是將掘錨機截割出的尺寸較大的煤塊進行破碎并均勻地將小尺寸煤塊運輸給皮帶輸送機，一方面滿足了皮帶輸送機對煤塊尺寸的要求，另一方面該組合不僅降低了掘錨機因大塊物料導致故障停機的可能性，也提升了連續(xù)作業(yè)的自移機尾和皮帶輸送機的轉(zhuǎn)運能力。同時因其較低的接地比壓而增加了對底板的適應性，也可承擔部分錨桿錨索的錨護任務。圖3履帶式錨護轉(zhuǎn)載破碎機

1.3連續(xù)運輸系統(tǒng)

連續(xù)運輸系統(tǒng)主要由皮帶輸送機和皮帶輸送機自移機尾組成，如圖4所示。其中皮帶輸送機自移機尾是一種左右交替循環(huán)邁步前進的一種輔助運輸設備，可與巷道內(nèi)主運皮帶輸送機連接，從而實現(xiàn)連續(xù)快速地將物料運輸出巷道。在連續(xù)運輸系統(tǒng)中皮帶輸送機結(jié)合自移機尾動力單元，實現(xiàn)了工作面前端裝備移動時機尾通過液壓傳動抬升整個架體，再由推移液壓單元將左右軌道交替前移，隨后架體落下通過軌道前進。在自移機尾末端增設伸縮機身裝置可使生產(chǎn)班在生產(chǎn)過程中，將自移機尾移設到預定位置后無需補充后邊空缺的H型剛性架，大幅縮短了人工輔助作業(yè)時間，減少了作業(yè)面人員數(shù)量，提高了安全生產(chǎn)指數(shù)，同時提升了掘進效率。圖4皮帶輸送機用自移機尾

2電氣傳動系統(tǒng)智能化改造方案

（1）快掘系統(tǒng)高度集成化設計。設備高度集成化是實現(xiàn)工作面減員、運維一體化的關鍵?？炀蛳到y(tǒng)操作人員在操作平臺即可實現(xiàn)遠程智能化操作。將快掘系統(tǒng)中的掘錨機、破碎轉(zhuǎn)載機以及各個子設備整合化一，設備狀態(tài)依托傳感器實時感知，實時監(jiān)控各設備運行情況；電氣傳動智能化改進，操作指令高度統(tǒng)一，遠程動作實時反饋，提升快掘系統(tǒng)運行效率和人員工作安全指數(shù)。（2）電氣傳動設備故障診斷?？炀蛳到y(tǒng)由多個設備協(xié)同運行，任一設備發(fā)生故障停機，都會對整個系統(tǒng)造成嚴重影響。例如，皮帶輸送機故障時不能將煤炭及時運輸出去，堆煤嚴重時會逆向造成掘錨機故障。因此，利用傳感器技術與人工智能相結(jié)合，可實現(xiàn)快掘系統(tǒng)電氣傳動裝置在線檢測和故障預警、診斷。（3）人員高危行為檢測?？炀蛳到y(tǒng)的應用，使得煤炭綜采面作業(yè)人員大幅減少，并且已基本實現(xiàn)了設備遠程操作，進一步減少了工作人員數(shù)量。但是人員減少并不能避免設備違規(guī)操作的發(fā)生，要建立起人員定位和異常行為檢測的高危行為檢測系統(tǒng)。（4）自適應截割技術?，F(xiàn)有快掘系統(tǒng)中的掘錨機電氣傳動機構(gòu)無法根據(jù)地質(zhì)三維模型和掘進方案自動調(diào)整掘錨機行走方向及姿態(tài)，同時掘錨機刀頭電傳也未實現(xiàn)根據(jù)煤巖體硬度自適應調(diào)節(jié)截割量和轉(zhuǎn)速參數(shù)。結(jié)合人工智能算法和傳感器感知技術可實現(xiàn)快掘系統(tǒng)自主決策，將人員從危險的掘進工作面解放出來，實現(xiàn)“智能化”掘進。3應用實例

（1）寧夏煤業(yè)快掘系統(tǒng)智能化升級改造。一直以來，快掘系統(tǒng)智能化改造與國內(nèi)煤礦綜采技術裝備的快速發(fā)展相比，進展遲緩。寧夏煤業(yè)針對自身發(fā)展實際和煤礦現(xiàn)狀確定并實施了“三步走”的快掘智能升級改造技術路線。近兩年寧夏煤業(yè)進行設備功率升級，掘進工作面向所有設備遠程操控、集中控制等研究與應用，向快掘系統(tǒng)高度集成化設計邁進。寧夏煤業(yè)還計劃與三一重工、中煤科工太原研究院等科研單位共同攻克快掘系統(tǒng)智能化難點，提高煤礦掘進工效。

（2）龍華礦應用智能快掘后配套系統(tǒng)。該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，電氣傳動設備在線監(jiān)控，智能化程度高，可適用于任何掘錨機，可適應的巷道條件及投入成本僅為傳統(tǒng)破碎機、梭車和帶式轉(zhuǎn)載機配套總投入的0.5倍，且該系統(tǒng)應用在龍華礦302盤區(qū)后，巷道平均月進尺相比原來提升1.5倍。（3）陜西陜煤黃陵二號煤礦以數(shù)字技術為煤礦生產(chǎn)科技賦能。通過將掘錨機電控系統(tǒng)與導航技術、環(huán)境地圖、傳感器感知相結(jié)合的方式，使掘進裝備對自身及周邊環(huán)境具有可感知性、可度量性，建立了掘進裝備－環(huán)境的交互關系。通過數(shù)字孿生技術，采用路徑規(guī)劃、截割規(guī)劃、控制系統(tǒng)等相結(jié)合的多機自適應協(xié)同控制平臺進行統(tǒng)一調(diào)度和管理，可提高快掘系統(tǒng)電氣傳動智能化水平，逐漸實現(xiàn)綜采工作面少人、無人的目標。

（4）陜西陜煤曹家灘煤礦智能隨動連續(xù)運輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)根據(jù)自身需求與中煤科工集團共同研制，實現(xiàn)了掘進工作面后配套運輸系統(tǒng)智能延伸、連續(xù)作業(yè)，同時集智能集中供電、集中控制中心于一體，形成了掘、支、錨、運平行作業(yè)的快掘系統(tǒng)，在滿足智能化掘進工作面建設要求的基礎之上，在掘進效率