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煤矿井下自动化高速掘进系统及其应用

2023-12-06 35 上传者：管理员

摘要：煤矿是我国的重要产业，而煤矿井下开采时，容易受各方面因素的影响，从而导致开采效率低。为了改变这一现状，解决煤矿井下开采效率低的问题，我国逐渐开始将自动化设备、高速掘进系统应用到煤矿开采之中，以实现井下连续自动作业，提升煤矿挖掘工作速度，增加煤炭产量。

关键词：
临时支护
煤炭
煤矿自动化
能源
高速掘进系统
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煤炭是一种重要能源，是促进我国工业化发展的重要保障，在我国经济发展中占据着不可或缺的重要地位[1]。然而煤炭开采是一项非常大的工程，其综采作业内容多，涵盖截割、临时支护、永久支护、铲运等多项工序，传统的作业方式多是先巷道切割，然后再扩孔作业，巷道成型效率较低；同时掘进作业中多以串行方式进行，这容易影响井下巷道掘进作业效率[2]。加上开采期间需要大量支护及掘进作业，尤其是随着综采作业深度的增加，井下地质条件逐步复杂化，巷道围岩稳定性下降，容易增加开采难度。

为此，当前煤炭开采作业中多以增大顶锚杆支护密度的方式来提升巷道支护稳定性，但这种操作容易降低支护效率，同时还会明显增加支护成本；再加上自动化程度不高，井下作业人员多，故而容易限制煤矿井下综采作业效率[3]。为此，针对煤矿井下实际情况，展开自动化高速掘进工艺及应用情况分析。

1、电气自动化的优势

相对于传统施工作业方式而言，电气自动化的应用能够发挥以下多方面的优势。

1.1 全场景协同管理

通过电气自动化设备系统的应用能够有效实现全场景系统管理，即以统一的数字空间为基础，结合矿山相关业务指标、实际的工况数据，从而对煤矿井下作业的运行态势进行全面分析及了解，为解决矿山企业运营管理中可视问题提供帮助[4]。

1.2 全流程决策管理

电气自动化的应用对于实现矿山企业运营管理中的全流程决策管理有极大的帮助。通过对电气自动化的应用，可借助数据算法引擎以及可视化引擎搭建起相应的辅助决策系统，为决策主题提供相应的可视化知识服务。

1.3 多系统协同管理

电气自动化的应用还有利于矿山企业构建涵盖多系统的数字空间，如生产、经营、安全等，可提升矿山运行的透明度、可视性，对矿山整体运行效率及产能的提升都有促进作用[5]。

2、煤矿井下自动化高速掘进系统及应用

2.1 煤矿井下高速掘进系统结构

煤矿井下高速掘进系统在运行时主要是通过自动支护设备进行控制及操作，自移式自动支护设备是这一系统的核心，是实现掘进设备、运锚设备自动匹配作业的关键，可解决传统掘进方案中存在的问题和不足。实际作业期间，通过对高速掘进系统的应用还可达到自动化挖掘及运输，有效提升井下掘进工作速度及效率。

实际开采时，高速掘进系统可实现每层先挖后掘作业，工作人员只需要做好观察，并结合现场情况调整设备运行状况即可，既减少了井下工作人员数量、减轻了工作人员工作量，又避免因工作人员对系统设备使用不当而对作业造成的影响[6]。高速掘进系统主要由掘进设备、运锚机、自移式支护设备、输送系统、通风系统等组成，如图1所示。

图1 煤矿井下高速掘进系统结构示意图

在掘进作业中，掘进机可通过自主截割控制系统开展巷道掘进落煤作业，可用转载机将作业中的落料转送到输送机上，实现落煤自动传输。随着掘进向前推进，自移式支护设备会随之对支护状态进行调整，从而和掘进机作业情况保持相同步调，为新截割作业提供临时支护[7]。

掘进机移动，掘进机后侧运锚设备可完成自动打孔、锚杆固定处理，从而实现巷道井下永久支护效果；而矿井通风系统则能为巷道输送新鲜空气，保证井下通风安全。总的来说，井下高速掘进系统的优势可以归纳为以下几点：

第一，保证高速掘进系统工艺流程和巷道掘进工艺流程相统一。

第二，通过优化临时支护段及综合控制系统，便可将传统人工支护替换为自移式支护设备，其改造成本较低，且具有较高的可靠性[8]。

2.2 自移式支护设备结构

自移式支护设备的主要目的是为煤矿井下掘进工作提供稳定的挖掘支持，以满足巷道掘进中的临时支护需求。为此，在进行自移式支护设计时通常应包含支架、侧支撑、顶梁等三部分内容（见图2），同时应以组合形式对各个奇数组、偶数组支架进行串联，促使各支架形成“门”型结构，在挖掘机上侧形成跨越式支护，以保护新掘进区域。

同时在进行系统设计及设备构建时，应注意保证各支架都具有单独调整支护高度、倾斜度的功能，以更好地满足井下复杂地质环境的需求，提升设备的灵活性及对环境的适应性，从而有效解决井下掘进过程中出现各类问题。支护装置两侧还应设置侧支撑结构，从而为巷道两侧提供支护，避免侧帮垮落等情况发生。而支护装置上侧则以“X”型布置顶梁，以提升支护面积，获得更稳定的支护效果[9]。

图2 自移式支架整体结构

此外，在使用系统设备进行作业时，应由电信号展开控制，以执行油缸驱动整个自移式支护装置完成各个动作，以提升结构的紧凑性及可靠性，进而降低作业中存在的安全风险，提升挖掘工作效率。

2.3 支护装置的支架结构

自移式支架装置的支架组主要由奇数组支架和偶数组支架组成，两种类型的支架组相互配合，能够发挥较好的支撑及保护效果，同时还可实现灵活调整支架组的效果。且不同类型的支架组其内部结构存在差异，而在两种支架组的相互配合中能够获得更高的稳定性，提升模块化程度，对于提升支架结构的适应性、更好地满足煤矿井下挖掘需求有一定的帮助[10]。

2.3.1 奇数组结构

奇数组结构主要由顶梁、前探梁、支架立柱、平移机构等几部分组成（见图3），其中前探梁多被用于支护时辅助设置钢丝网、锚索等；而顶梁则由油缸独立控制，可获得较大的支护倾角，更好地适应巷道顶板，有利于满足不同顶板支护需求。

图3 奇数组支架结构示意图

支架立柱则为套筒式结构，并与球体铰接支座、立柱，形成整体结构。而立柱由油缸调节，可灵活调整立柱高度，以满足不同地质条件下巷道作业需求。平移机构类似剪刀装置，主要目的是连接奇数组与偶数组支架，保证自移式支架装置在移动过程中能够保持稳定，并灵活地对支护装置的支护状态进行调整，具有较强的灵活性及柔性[11]。

2.3.2 偶数组结构

与奇数组支架不同，偶数组支架结构无前探梁，且只需两个顶梁。偶数组结构的主要目的在于和奇数组支架相互配合，达到交互支撑的效果，以保证支架移动时为顶板提供尽可能大的支护面积。另外，奇数组支架和偶数组支架在侧支撑结构方面有明确不同，其目的同样在于通过两种支架架构的相互配合形成交替支撑效果，从而在支撑过程中尽可能地增加侧帮支护面积。

总的来说，支护装置的这种支架结构具备的控制性好、连接性强、操作简单等优点，可促进煤矿挖掘作业顺利开展。需要注意的是，在具体应用过程中应充分考虑结构特点，熟练掌握支架工作原理，以保证其优势和性能得到最大化发挥。

2.4 掘进支护自动化系统

掘进支护自动化系统的应用可为煤矿掘进工作的顺利开展及作业效率提升而助力。在煤矿掘进作业中，合理地应用掘进支护自动化系统，不仅能够扩大工作人员的工作范围，解决挖掘工作中出现的问题，逐步完善煤矿掘进作业，还可在一定程度上保障操作人员的人身安全，促进煤矿企业的发展。

为了保证煤矿井下掘进工作效率得到不断提升，在应用自动化系统时应根据实际作业情况不断进行改造升级，保证系统使用的流程性，确保自动化系统能够满足煤矿井下自动化作业的需求。另外，在系统控制上应保证使用操作环境的稳定性，尽可能避免环境等因素对系统正常运行所带来的影响，保证煤矿井下挖掘工作顺利进行。

除此以外，自动化系统的应用必然会对煤矿井下作业人员自身的专业能力、施工技术提出更高的要求，需要相关作业人员主动学习自动化系统相关的知识技能，保证作业人员能够灵活、熟练地应用自动化系统展开相应操作，提升自身的自动化水平，做好相应的防护及控制工作。

作为煤矿企业，在应用井下自动化高速掘进系统进行作业工作时，还需要不断引进新技术、新方法、新设备，以保证自动化系统运行及使用的安全性，以及与煤矿井下掘进工作的匹配性、适应性，尽可能地为井下掘进工作的高效、安全生产提供保障。

3、结束语

总而言之，将煤矿井下自动化高速掘进系统应用到井下作业时，能够通过对自动化设备和技术的应用，实现对掘进设备、运锚设备的自动匹配作业，还可在偶数组支架和奇数组支架的相互配合、交互支撑下，提升支架的灵活性、适应性以及模块化程度，解决以往井下掘进方案中存在的问题和不足，突破传统掘进作业瓶颈，提升作业效率。

参考文献:

[1]王永军.煤矿井下自动化高速掘进系统分析[J].机械管理开发,2021,36(4):111-112.

[2]刘贵心.煤矿岩巷快速掘进的自动化技术研究与应用[J].电子技术与软件工程,2019(13):115.

[3]陈德文.基于煤矿井下巷道高效掘进的有效措施研究[J].中国科技投资,2018(21):153.