智寶巖 正高級工程師
現(xiàn)任中煤陜西能源化工集團(tuán)有限公司總工程師
國家能源局第一批煤礦智能化專家、中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會理事會礦山掘進(jìn)與支護(hù)專業(yè)委員會副主任委員。
長期從事煤礦開采技術(shù)研究、智能化建設(shè)、科技創(chuàng)新管理工作,承擔(dān)中國中煤集團(tuán)重大科技專項1項,重點(diǎn)科技項目3項,主持1項陜西省重點(diǎn)研發(fā)計劃項目,參與1項國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目。榮獲省部級和集團(tuán)獎勵30余項,授權(quán)專利22項,發(fā)表論文15篇。榮獲中國煤炭工業(yè)協(xié)會科技攻關(guān)突出貢獻(xiàn)先進(jìn)個人、煤礦智能化卓越管理者、榆林市有突出貢獻(xiàn)專家等榮譽(yù)稱號。
文章來源:《智能礦山》2025年第9期“專訪”專欄
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中煤陜西能源化工集團(tuán)有限公司大海則煤礦(簡稱大海則煤礦)位于陜西省榆林市,投資163.96億元,井田面積265.63 km,可采儲量32.09億t,核準(zhǔn)產(chǎn)能2 000萬t/年。大海則煤礦是國家“十二五”及省、市“十三五”重點(diǎn)建設(shè)項目,也是中國中煤能源集團(tuán)有限公司與陜西省政府戰(zhàn)略合作框架內(nèi)打造陜北能源化工基地的重點(diǎn)支撐項目。
大海則煤礦煤種為特低灰、中硫、中高揮發(fā)分、特高熱值的不粘煤,是良好的氣化、民用及動力煤。分別設(shè)置礦井及選煤廠2個工業(yè)場地,采用4個立井開拓(主立井、副立井、2個回風(fēng)立井)。2021年11月完成首采工作面試運(yùn)轉(zhuǎn),2022年7月完成第2個工作面安裝,2023年10月完成2 000萬t/a項目整體竣工驗收。大海則煤礦作為全國最大的立井煤礦,在推進(jìn)世界一流標(biāo)桿示范礦井建設(shè)過程中,全力推進(jìn)智能化建設(shè),2020年11月被列為國家首批智能化示范建設(shè)煤礦,2024年3月,大海則煤礦順利通過國家首批智能化示范煤礦驗收,達(dá)到I類中級智能化示范礦井,選煤廠達(dá)到中級智能化選煤廠。
據(jù)大海則煤礦已施工建成的巷道實際揭露地質(zhì)條件可知:煤層平均埋深約640 m,賦存穩(wěn)定且整體較平緩;三維地震勘探未發(fā)現(xiàn)規(guī)模較大的斷層或褶皺,無巖漿活動及其他地質(zhì)不良構(gòu)造體,但局部地段存在煤層起伏發(fā)育現(xiàn)象。礦井為低瓦斯礦井,屬二氧化碳-氮?dú)鈳В簩訉儆冖耦惾菀鬃匀济簩?;施工過程中可揭露隱伏的小斷層,煤體呈豎向裂隙發(fā)育,導(dǎo)致煤壁幫部較為破碎,出現(xiàn)片幫嚴(yán)重的問題。受深埋環(huán)境影響,巷道圍巖礦山壓力顯現(xiàn)明顯,對支護(hù)系統(tǒng)形成持續(xù)載荷作用,而煤壁片幫問題已成為制約掘進(jìn)效率的主要因素,深部高應(yīng)力與裂隙發(fā)育的耦合作用進(jìn)一步增加了掘進(jìn)施工的復(fù)雜性。為深入了解大海則煤礦在復(fù)雜條件下開展智能快速掘進(jìn)建設(shè)的實踐成效及經(jīng)驗,《智能礦山》編輯部專訪了中煤陜西榆林能源化工集團(tuán)有限公司總工程師智寶巖。
《智能礦山》:大海則煤礦煤層賦存條件復(fù)雜,智能快速掘進(jìn)建設(shè)極其困難,是基于什么樣的背景情況下,決定要實施這項工程呢?建設(shè)之初,又是如何布局規(guī)劃的呢?
智寶巖:大海則煤礦實施復(fù)雜煤層條件下的智能快速掘進(jìn)工程,是在多重背景驅(qū)動下的戰(zhàn)略決策。從行業(yè)政策層面看,2020年2月至今,國家部委印發(fā)了《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》等系列文件,從建設(shè)場景、內(nèi)容、標(biāo)準(zhǔn)方面,全方位提出深入推進(jìn)礦山智能化建設(shè),促進(jìn)煤炭安全發(fā)展。大海則煤礦把握機(jī)遇,積極響應(yīng)國家能源安全新戰(zhàn)略及煤炭工業(yè)“十四五”規(guī)劃對煤礦智能化建設(shè)的明確要求,旨在通過技術(shù)升級保障能源供應(yīng)安全并推動行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。同時,陜西省《2024—2025年智能化建設(shè)推進(jìn)計劃》的地方政策進(jìn)一步強(qiáng)化了礦井智能化改造的緊迫性。隨著煤礦機(jī)械化、智能化水平的提升,采煤工作面推進(jìn)速度加快,采掘接續(xù)矛盾日益凸顯,對巷道掘進(jìn)效率提出更高要求。然而,我國掘進(jìn)工作面智能化尚處初級階段,缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),關(guān)鍵技術(shù)亟待突破,亟須企業(yè)聯(lián)合科研機(jī)構(gòu)開展適應(yīng)性技術(shù)攻關(guān)。
從減人增安提效層面來看,煤層賦存條件極為復(fù)雜,表現(xiàn)為大埋深、大斷面、厚頂煤特征,且煤體豎向裂隙發(fā)育,片幫問題突出,導(dǎo)致傳統(tǒng)掘進(jìn)方式效率低下、成形質(zhì)量差、支護(hù)耗時占比高。傳統(tǒng)掘進(jìn)支護(hù)模式勞動強(qiáng)度大、人員密集,片幫與頂板風(fēng)險高,智能化的核心目標(biāo)是實現(xiàn)“少人則安、無人則安”,通過裝備替代人工作業(yè)降低事故風(fēng)險,同時解決采掘接續(xù)緊張問題。
大海則煤礦智能化以打造一流智慧煤礦標(biāo)桿企業(yè)為目標(biāo),秉持安全高效、綠色智能理念,從設(shè)計、建設(shè)、運(yùn)行全生命周期進(jìn)行頂層設(shè)計,按照總體規(guī)劃、分類建設(shè)、分步實施原則,集成最先進(jìn)的理念、技術(shù)和裝備,構(gòu)建了“15111”智能化架構(gòu)體系,即:基于1套礦山標(biāo)準(zhǔn)體系,全面覆蓋生產(chǎn)、安全、經(jīng)營、決策、運(yùn)維5大煤礦業(yè)務(wù)場景,開發(fā)1個煤礦工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺,形成1個礦井全業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)湖,構(gòu)建1張智能礦山融合網(wǎng)絡(luò),大海則智能礦山建設(shè)整體架構(gòu)如圖1所示。
圖1 大海則智能礦山建設(shè)整體架構(gòu)
《智能礦山》:作為深埋片幫大斷面厚頂煤巷道,大海則煤礦在智能快速掘進(jìn)建設(shè)實踐過程中遇到過哪些現(xiàn)場難題和技術(shù)挑戰(zhàn),又是如何解決的呢?
智寶巖:大海則煤礦在智能快速掘進(jìn)建設(shè)實踐過程中遇到的主要難題和解決措施如下:
(1)難題一:大埋深條件導(dǎo)致煤體裂隙發(fā)育,煤壁破碎嚴(yán)重,掘進(jìn)過程經(jīng)常發(fā)生片幫、炸幫,對臨時支護(hù)要求較高;由于圍巖破碎,普通錨桿施工過程中經(jīng)常發(fā)生塌孔等問題,支護(hù)難度大,效率低。
解決措施:為解決破碎圍巖下片幫難題,創(chuàng)新采用了掘進(jìn)工作面自動化噴涂臨時支護(hù)系統(tǒng)。基于噴涂護(hù)表代替金屬網(wǎng)的臨時支護(hù)思路,采用新型高強(qiáng)度、快凝、高延伸率的薄噴材料,其承載能力大于49 kN/m,達(dá)到網(wǎng)片水平,且具有較高的強(qiáng)度、粘接性和延伸率;研發(fā)了六自由度噴涂液壓機(jī)械臂,開發(fā)了自動噴涂軌跡規(guī)劃算法,控制精度±2 mm;開發(fā)了自動化噴涂作業(yè)工藝,形成噴涂護(hù)表臨時支護(hù)設(shè)備,可一定程度上減小空幫距,起到臨時支護(hù)作用。
此外,為了進(jìn)一步增加錨桿支護(hù)性能,提高支護(hù)效率,創(chuàng)新提出了鉆錨一體化錨桿自動化施工工藝(圖2),將傳統(tǒng)錨桿支護(hù)六道工序簡化為一道。采用新型鉆錨一體化錨桿及觸變性錨固劑兩種新型支護(hù)材料,并通過與之配套的多功能鉆箱、鉆臂、注漿泵等一體化錨桿配套施工系統(tǒng),實現(xiàn)錨桿鉆孔、錨固、預(yù)緊“一鍵”自動化施工,形成鉆錨一體化錨桿快速支護(hù)成套裝備,單根錨桿作業(yè)時間由5~6 min減為2.5 min,減少了作業(yè)人員,降低了工人勞動強(qiáng)度。
圖2 鉆錨一體化錨桿快速支護(hù)施工裝備
(2)難題二:傳統(tǒng)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)存在累積誤差,全站儀棱鏡易受粉塵遮擋或機(jī)械碰撞導(dǎo)致數(shù)據(jù)中斷,單一激光線定位無法適應(yīng)巷道復(fù)雜幾何形態(tài)變化,導(dǎo)致掘錨一體機(jī)位姿解算精度不足,難以滿足智能截割與支護(hù)的精準(zhǔn)要求。
解決措施:研發(fā)性導(dǎo)航+全站儀+多激光線的掘錨一體機(jī)組合定位技術(shù),通過多傳感器數(shù)據(jù)融合實現(xiàn)長距離高精度定位。利用數(shù)字全站儀實時采集棱鏡位置信息,對光纖慣導(dǎo)的累積誤差進(jìn)行周期性校正;在巷道頂部部署激光指向儀,通過邊緣檢測算法提取激光線特征點(diǎn),與慣導(dǎo)解算的位姿信息進(jìn)行空間匹配,消除巷道變形引起的定位偏差;建立基于巷道圍巖變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的自適應(yīng)補(bǔ)償算法,實時修正設(shè)備位姿參數(shù)。
(3)難題三:掘錨一體機(jī)、錨運(yùn)破一體機(jī)等核心裝備的數(shù)據(jù)交互存在協(xié)議壁壘,掘-支-運(yùn)多機(jī)協(xié)同控制邏輯復(fù)雜。
解決措施:在未改造電控系統(tǒng)情況下,通過E-BOX數(shù)據(jù)傳輸模塊,實時監(jiān)測電機(jī)的電流、關(guān)鍵零部件的溫度及液壓油溫等工況參數(shù);結(jié)合掘錨一體機(jī)定位數(shù)據(jù)信息,計算得出截割滾筒相對于巷道斷面的位置信息,開發(fā)了自適應(yīng)截割控制系統(tǒng),利用掏槽油缸、截割升降油缸的精確比例和位置控制,實現(xiàn)了全斷面自動截割;對現(xiàn)有錨運(yùn)破一體機(jī)進(jìn)行電液控改造升級,在保留原有手動操作功能、不改變原機(jī)操作習(xí)慣的前提下,通過增加切換開關(guān)實現(xiàn)了本地和遠(yuǎn)程遙控模式切換;通過礦用無線接收器,實現(xiàn)了近地遙控和遠(yuǎn)程監(jiān)控功能,基于工作面有線和5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)備工況信息傳輸和遠(yuǎn)程操控。
(4)難題四:掘進(jìn)巷道煤巖變化較大,在半煤巖巷及巖巷掘進(jìn)時粉塵較大,制約掘進(jìn)速度。前期主要采用內(nèi)外噴霧+機(jī)載濕式除塵系統(tǒng)進(jìn)行降塵,但內(nèi)、外噴霧對水量需求較大,大量水排放在巷道迎頭,造成設(shè)備行走困難;內(nèi)外噴霧水壓力不高,無法形成水霧,內(nèi)外噴霧除塵效果不佳;掘錨機(jī)機(jī)載濕式除塵器無法后接風(fēng)筒,直接排風(fēng),帶水霧高壓風(fēng)的排風(fēng)口正對后部鉆車,影響掘錨平行作業(yè)。
解決措施:引入泡沫除塵系統(tǒng),主要采用外噴霧形式,節(jié)省空間,用水量少,除塵效率達(dá)到98%以上。同時,控制內(nèi)噴霧水量,僅滿足冷卻設(shè)備需要即可。改進(jìn)后除塵效果明顯改善,也解決了巷道迎頭積水現(xiàn)象,為掘錨平行作業(yè)提供了重要的環(huán)境保障。
(5)難題五:深埋高應(yīng)力巷道煤壁片幫經(jīng)常發(fā)生,傳統(tǒng)人工巡查無法實時監(jiān)測潛在危險區(qū)域,且設(shè)備運(yùn)行過程中人員誤進(jìn)入危險區(qū)域的風(fēng)險突出。
解決措施:構(gòu)建了圍巖監(jiān)測、人員定位、設(shè)備防護(hù)三位一體的預(yù)警系統(tǒng)。采用隨鉆振動信號采集儀與鉆孔窺視儀,建立頂板冒落風(fēng)險指數(shù)模型預(yù)測潛在冒落區(qū)域;部署UWB定位基站,實現(xiàn)人員精準(zhǔn)定位,當(dāng)人員進(jìn)入危險區(qū)域時自動觸發(fā)設(shè)備報警;在掘錨一體機(jī)與錨運(yùn)破一體機(jī)安裝激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)等傳感器,實時監(jiān)測設(shè)備間距離與相對速度,當(dāng)距離過小時自動觸發(fā)制動程序,避免機(jī)械碰撞。
圖3 大海則煤礦復(fù)雜條件智能快速掘進(jìn)巷道
《智能礦山》:目前,很多智能化技術(shù)在實際應(yīng)用中處于探索和優(yōu)化狀態(tài),大海則煤礦智能快速掘進(jìn)系統(tǒng)建設(shè)是否也經(jīng)歷過1.0、2.0等階段的技術(shù)迭代,在不同階段分別取得了哪些技術(shù)創(chuàng)新,解決了哪些現(xiàn)場實際難題?
智寶巖:截至目前來說大海則煤礦智能快速掘進(jìn)系統(tǒng)建設(shè)經(jīng)歷了3個階段。
智能快掘1.0階段:引入 Sandvik 掘錨一體機(jī)、錨運(yùn)破一體機(jī)等進(jìn)口裝備,首次實現(xiàn)掘進(jìn)與支護(hù)工序的協(xié)同作業(yè),初步構(gòu)建起掘-錨-運(yùn)掘進(jìn)系統(tǒng)。但掘進(jìn)設(shè)備操作基本依賴人工,掘進(jìn)與支護(hù)無法實現(xiàn)平行作業(yè),截割完成后需等待人工支護(hù)操作,掘進(jìn)效率較低。
智能快掘2.0階段:針對1.0階段人工依賴度高、工序協(xié)同不足的局限,2.0階段對現(xiàn)有掘進(jìn)裝備進(jìn)行了針對性的技術(shù)改造,攻克了掘錨機(jī)長距離精確定位技術(shù)、多機(jī)協(xié)同控制技術(shù)、數(shù)字孿生遠(yuǎn)程集中監(jiān)控等多項關(guān)鍵技術(shù);開發(fā)了基于GIS+BIM和數(shù)字孿生技術(shù)的掘錨工作面集控平臺,實現(xiàn)了“人-機(jī)-環(huán)-管”全參數(shù)、多系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合聯(lián)動及集控一體化。上述改造有效改善了快掘1.0階段的核心問題,一定程度上提升了掘進(jìn)效率,但掘進(jìn)過程仍存在片幫嚴(yán)重、破碎圍巖難支護(hù)的問題,支護(hù)難題有待進(jìn)一步解決。
智能快掘3.0階段:針對上述支護(hù)難題,3.0階段核心突破了鉆錨一體化與噴涂護(hù)表技術(shù)的集成應(yīng)用(圖3)。采用噴涂護(hù)表代替金屬網(wǎng)的思想,引入自動化噴涂護(hù)表系統(tǒng),解決大埋深巷道片幫難題;通過鉆錨一體化錨桿自動支護(hù)裝備,實現(xiàn)錨桿一次成孔,避免塌孔問題,提高了破碎圍巖條件下的錨桿錨固性能,并大幅提高支護(hù)效率?;谏鲜龊诵募夹g(shù)開發(fā)了鉆錨一體化智能快掘成套裝備(圖4),實現(xiàn)了深埋片幫大斷面厚頂煤巷道的掘支平行作業(yè)。
圖4 智能快掘3.0設(shè)備
《智能礦山》:智能化技術(shù)設(shè)備是提高掘進(jìn)效率、保障作業(yè)安全、降低工作強(qiáng)度的關(guān)鍵,大海則煤礦在智能快速掘進(jìn)建設(shè)期間引進(jìn)了哪些國內(nèi)外先進(jìn)設(shè)備,這些設(shè)備的技術(shù)優(yōu)勢及實際應(yīng)用效果如何?
智寶巖:大海則煤礦智能快速掘進(jìn)建設(shè)所用主要設(shè)備信息見表1:
表1 大海則煤礦智能快速掘進(jìn)建設(shè)所用主要設(shè)備
《智能礦山》:大海則煤礦復(fù)雜條件下智能快速掘進(jìn)建設(shè)實踐是具有特色的示范案例,對實現(xiàn)安全、快速、高效掘進(jìn)具有推廣借鑒價值。對于這項重要的工程進(jìn)展,您的未來期待是什么樣的?
智寶巖目前大海則煤礦正在積極推進(jìn)國家重點(diǎn)研發(fā)課題“復(fù)雜條件煤礦巷道快速智能掘進(jìn)工程示范”,將在以下方面繼續(xù)開展智能化建設(shè):
(1)智能快掘裝備群組位姿感知技術(shù)
融合UWB、激光雷達(dá)SLAM及油缸位移傳感,通過極坐標(biāo)變換解算截割頭位姿,結(jié)合數(shù)字孿生實時展示,實現(xiàn)掘進(jìn)裝備多源融合定位;UWB系統(tǒng)結(jié)合深度學(xué)習(xí),提升定位精度,保障人機(jī)協(xié)同安全;基于激光雷達(dá)SLAM算法獲取截割頭和機(jī)身三維位姿狀態(tài),實現(xiàn)掘進(jìn)裝備群組的組合導(dǎo)航。
(2)智能快掘裝備狀態(tài)信息感知技術(shù)
通過多維度傳感器網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)融合與智能分析,實現(xiàn)對設(shè)備狀態(tài)的實時監(jiān)測與主動控制,例如對軸承座、齒輪箱等點(diǎn)位監(jiān)測圍巖突變與部件磨損;追蹤液壓、電氣系統(tǒng)狀態(tài),支撐故障預(yù)警;分析液壓油粘度、顆粒度等評估設(shè)備磨損;結(jié)合邊緣檢測與深度學(xué)習(xí),實現(xiàn)故障視覺診斷。
(3)掘錨機(jī)自主截割控制系統(tǒng)
通過數(shù)字孿生平臺實時交互巷道參數(shù),依據(jù)截割頭位姿、機(jī)身狀態(tài)及電流變化,動態(tài)調(diào)整進(jìn)刀位置、抬升高度等參數(shù),通過油缸位移量轉(zhuǎn)換實現(xiàn)斷面精準(zhǔn)成型,在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上構(gòu)建掘錨機(jī)自主截割控制系統(tǒng)。
(4)錨桿自動支護(hù)技術(shù)
通過激光靶點(diǎn)與錨網(wǎng)視覺融合定位,構(gòu)建鉆臂位姿-巷道變形梯度關(guān)聯(lián)模型,通過視覺反饋實現(xiàn)錨桿鉆臂自主定位:研發(fā)大容量錨桿倉,基于視覺引導(dǎo)桿尾對孔,實現(xiàn)自動裝配;融合圍巖強(qiáng)度感知與地質(zhì)模型,實時優(yōu)化鉆速與鉆壓,保障設(shè)備健康與鉆進(jìn)效率。
(5)錨索自動支護(hù)技術(shù)
通過鉆機(jī)位姿感知控制和鉆孔機(jī)械手,實現(xiàn)裝桿、鉆孔、接桿全流程自動化;研發(fā)自動延伸錨索技術(shù)、藥卷自動連續(xù)裝填技術(shù)以及錨索自動張拉技術(shù),實現(xiàn)錨索自動支護(hù)。
(6)自動化巷道噴涂護(hù)表系統(tǒng)
通過激光雷達(dá)實現(xiàn)點(diǎn)云重建巷道形貌,基于曲面平滑算法重構(gòu)關(guān)鍵特征;基于護(hù)表感知信息構(gòu)建作業(yè)分區(qū)規(guī)劃模型,研發(fā)噴涂機(jī)械臂路徑自動規(guī)劃算法,實現(xiàn)自動化巷道噴涂護(hù)表。
(7)自主跟隨煤流運(yùn)輸系統(tǒng)
主要包含膠帶自動延伸、自動補(bǔ)架、自動調(diào)平、自動調(diào)偏、自動清渣等子模塊。
(8)掘進(jìn)物料自動配送系統(tǒng)
主要包含狀態(tài)監(jiān)測與調(diào)度決策、最優(yōu)路徑規(guī)劃與智能導(dǎo)航、智能裝載、運(yùn)輸監(jiān)控與自動控制、自動卸載與定位等子模塊。
未來,大海則煤礦將錨定煤炭行業(yè)智能化轉(zhuǎn)型方向,深入踐行創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略,以復(fù)雜條件智能快速掘進(jìn)技術(shù)突破為核心,著力培育以“少人化、無人化、自適應(yīng)”為特征的新質(zhì)生產(chǎn)力。通過迭代升級鉆錨一體化、自動化噴涂等特色技術(shù),優(yōu)化掘支錨運(yùn)協(xié)同模式,不斷提升復(fù)雜地質(zhì)條件下掘進(jìn)效率與安全管控水平,加快構(gòu)建“感知-決策-執(zhí)行-運(yùn)維”全鏈條智能掘進(jìn)體系,為國家能源安全保障和煤炭行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供可復(fù)制的實踐經(jīng)驗。
編輯丨李莎
審核丨趙瑞
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期刊簡介
《智能礦山》(月刊,CN 10-1709/TN,ISSN 2096-9139)是由中國煤炭科工集團(tuán)有限公司主管、煤炭科學(xué)研究總院有限公司主辦的聚焦礦山智能化領(lǐng)域產(chǎn)學(xué)研用新進(jìn)展的綜合性技術(shù)刊物。
主編:王國法院士
刊載欄目:企業(yè)/團(tuán)隊/人物專訪、政策解讀、視角·觀點(diǎn)、智能示范礦井、對話、革新·改造、學(xué)術(shù)園地、專題報道等。
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