2020 年以来，通过煤炭产业与数字化、智能化技术深度融合来提升煤矿安全治理体系和治理能力现代化水平，已成为煤炭行业高质量发展的必由之路。然而，掘进工作面存在地质条件复杂、支护量大、支护效率低导致的单进水平低的问题，制约着智能化设备的应用。为解决上述问题，国能神东煤炭集团有限责任公司布尔台煤矿（简称布尔台煤矿）探索应用了一次成巷高机动性快速掘进系统（简称快速掘进系统），包括锚运破一体机+大跨距桥式转载机+自移机尾、机器人群等。该系统成功应用后，不仅支护效率成倍增加，而且实现了掘支平衡，显著提高生产效率；引进机器人群取代人工作业，最大限度保障了人员安全，提升员工待遇。
快速掘进系统建设内容
锚运破一体机+大跨距桥式转载机+自移机尾
（1） 锚运破一体机
布尔台煤矿采用斜井−平硐−立井综合开拓方式，布置3 个采煤工作面、6 个掘进工作面，掘进均采用掘锚工艺。为解决支护效率低的问题，布尔台煤矿引进锚运破一体机（图1） 取代履带式转载破碎机，增加锚护功能，在掘进过程中，锚运破一体机与掘锚机合理分配支护量，支护钻臂由原来的6个增加为现在的13 个，锚运破一体机配备可伸缩受料斗，受料斗伸出后大约可以储存掘进1 m 产生的煤。
（2） 大跨距桥式转载机
随着掘进单进水平成倍增加，常规桥式转载机的行程无法满足正常的生产需要。布尔台煤矿引入大跨距桥式转载机，行程由以前的30 m增加到50 m，有效保障中夜班的生产需求，生产效率最大化。大跨距桥式转载机如图2 所示。
（3） 自移机尾
掘进单进水平的提升也带来了后配套工作量成倍增加的问题，检修班原有的作业模式无法满足正常的作业需求，在规定时间内无法完成生产准备工作，带式输送机延伸成为后配套工作里最费时、费力的工作。传统带式输送机延伸采用链条拉拽的方式，不仅准备工作繁琐，而且随时都存在断链的风险。为了提升后配套作业的工作效率，布尔台煤矿引进自移机尾，由动力架、调偏尾架、中间架、迈步推移轨道、撑顶机构、挑带装置、液压系统、电气系统等部分组成，实现了机尾的机械化延伸；采用遥控操作，具备自动调偏功能，取缔了在带式输送机延伸过程中两侧的顶杠人员。自移机尾配备挑带装置，最大伸缩长度可达到15 m，挑带装置配备了防跑偏托辊，在生产时间紧张的情况下，机尾H架和纵梁无需任何加装工作，可直接投入生产。
掘进工作面集中控制中心
布尔台煤矿建立了掘进工作面集中控制中心（图3），研发了具有完全自主知识产权全国产软件的神东生产管控平台。掘进工作面以神东生产管控平台为依托，配备控制主机和防爆电脑，实时采集和反馈井下运行数据。为提升集中控制系统的实用性，集控室配备USB后备电源，保证掘进工作面停电后可以正常控制井下设备，同时集控室配备语音报警装置，当设备发生故障时，可以及时提醒。
（1） 采掘设备的远程可视化控制
布尔台煤矿在工作面、采掘设备、配电硐室、带式输送机头、卸载点配备了完善的视频监控系统，实现掘进工作面视频全覆盖；将井下环网采集的掘锚机主控器，以及锚运破一体机、大跨距桥式转载机、带式输送机控制器的数据全部集成在生产管控平台当中。
（2） 供电系统的远程可视化操作
以前掘进工作面风机切换和停送电需要专职电工现场操作，每天停送电不仅费时费力，而且现场操作还存在一定的安全隐患。现在则可通过采集井下配电设备保护器的数据，在生产管控平台制作控制画面，由专职人员在集控室或者值班室登录生产管控平台，操作辖区内的设备；但在操作前，需仔细检查设备状态及设备周围视频情况，确认安全的前提下，进行设备的远程启动，实现井下配电设备的远程操作。
掘进、运输、除尘系统联动
为避免人为原因导致除尘风机不能及时开启，布尔台煤矿起初将截割滚筒启动与除尘风机联动，虽然解决了人为因素影响，但日常维护线缆又增加了较大的工作量。为解决上述问题，布尔台煤矿布置了掘锚机、桥式转载机、除尘风机、带式输送机4 机联动装置。具体做法如下：
将1 个时间继电器SJ、无线发射器接入掘锚机电脑控制箱中，将1 个接收器接入1 号除尘风机开关中，将接收器常开触点并联在1 号除尘风机启动按钮上，将2 号除尘风机启动按钮与1 号除尘风机接触器常开触点并联。当用遥控器启动截割滚筒时，SJ通电闭合，接通无线发射器；接收器收到来自发射器信号后，接收器触点闭合并接通1 号除尘风机开关；1 号除尘风机开关启动，接触器常开辅助触点闭合，启动2 号除尘风机开关。
转载破碎机电控箱连接桥式转载机输送带闭锁点线常开接点，一个接点与带式输送机下位机电源线（−18 V） 接通，另一个接点与1 号除尘风机开关辅助触点连接，1 号除尘风机辅助触点另一端引线与2 号除尘风机辅助触点相连，2 号除尘风机辅助触点另一端引线与带式输送机下位机电源线相连（+18 V）。当双风机同时闭合时，回路形成，桥式转载机可以启动，当1、2 号除尘风机及带式输送机中某个设备停机时，桥式转载机也随之停止；检修时将输送带闭锁保护临时屏蔽可正常启停、控制桥式转载机。
带式输送机变频调速，通过以太网采集掘进工作面履带式转载破碎机的跨转信号，精确掌握工作面出煤时间；同时利用霍尔传感器采集带式输送机的运行电流，精准判断带式输送机带面上的煤量；带式输送机变频器通过以太网与履带式转载破碎机和带式输送机的进行联动，实现带式输送机的智能调速。当履带式转载破碎机启动时，带式输送机迅速提升至满速，保障带式输送机的运输能力。履带式转载破碎机停机120 s 后，带式输送机逐渐降速至满速的75%。通过采集带式输送机电机的负载电流判断带式输送机上是否有物料堆积，当负载电流达到额定电流的70%时则判定为满载，带式输送机不再降速；当电机负载电流降至额定电流的50%并延时60 s 后，带式输送机自动降速，进而实现带式输送机智能调速。同时，为避免履带式转载破碎机试机时频繁启停对带式输送机电机造成冲击，在带式输送机开机后300 s内不检测其他触发信号和电流信号。
掘进工作面机器人群
（1） 辅助搬运机器人
由于掘进进尺的增加，支护材料的需求量相较以往大幅增加；此外，当采掘设备故障需更换大型部件时，由于缺乏专用工具，只能徒手进行拉拽，导致设备故障处理时间一直居高不下，影响掘进效率。为提升设备的搬运效率，变革人扛手拉的作业模式，布尔台煤矿与设备厂商合作应用掘进工作面辅助搬运机器人，该类机器人以防爆柴油机为动力，采用履带式设计，具备遥控和就地2 种操作模式。
全车配备3 t 起吊臂，用于大型部件和支护材料的调运。为了提升辅助搬运车的作业功能，在车厢内设计独立的升降平台，两侧配备1.2 m的护栏，升降高度最高可达2.9 m，为井下登高作业提供了便利，提升了登高作业的安全性。
辅助搬运车正前方配备有一个2 t 的张拉绞车，在特殊的作业环境当中，通过绞车收缩增加作业效率；在辅助搬运车后方配备一套浮煤铲板，用于井下浮煤推产和石子摊铺。辅助搬运机器人如图4所示。
（2） 掏槽机器人
传统的水泵窝施工方式全部都是人工手持风镐作业，不仅劳动强度大，而且随时都有煤渣飞溅伤人的风险；1 个水泵窝施工需要2 人甚至1 整个班组才能完成，遇到半岩或者全岩巷道至少需要2 整个班组才能完成，作业效率低，无法满足正常的生产需要，容易造成掘进工作面积水。布尔台煤矿引进掏槽机器人（图5），采用柴油胶轮式设计，缩短了水泵窝等需要手持风镐完成的作业时间，减少了重体力劳动。
（3） 管路抓举机器人
压风、供水、排水管路是井下生产的生命线，每天管路搬运和管路安装牵扯了大量的检修力量，管路安装困难导致工作时间延长，影响正常的生产开机。布尔台煤矿引进管路抓举机器人（图6），采用全机械化作业，可以在井下环境中完成管路的安装和拆装等任务。作业人员只需负责紧固管路螺丝等简单操作，而其他复杂的搬运和安装任务全部由抓举机器人完成。
（4） 两臂锚杆钻机
随着井下煤电钻的停用，零星的支护作业一直由人工手持锚头完成，每次作业前准备工作繁琐；遇到开拓硐室、开拓联络巷作业时，还需要搭高架登高作业，对于作业人员的作业能力有很高的要求。布尔台煤矿引进两臂锚杆钻机（图7），采用全机械化支护方式，能够自动完成锚杆、锚索的安装和检测；该钻机配备了自动检测功能，能够实时监测锚杆和锚索的状态，确保其安全可靠。
快速掘进系统应用成效
布尔台煤矿引进锚运破一体机取代履带式转载破碎机，以及锚运破一体机支护钻臂的增加，使得支护效率增加了1 倍；配备伸缩受料斗，有效地降低了主运输系统故障对掘进工作面进尺的影响，掘进效率大幅提升；大跨距桥式转载机行程由原来的30 m增加到50 m，有效地保证了中夜班的生产需求，该装置的应用使掘进单进水平增加1 倍，有效地解决了支护效率制约掘进单进水平的问题；自移机尾的应用，不仅取代了带式输送机延伸过程中两侧的顶杠人员，提高了作业安全性，而且自移机尾延伸工作由传统的12 人作业减少为现在的4 人作业，在延伸效率提升的情况下，大量减少了作业人员，工作效率得到了显著提升。
掘进工作面集中控制中心的建立，可使防爆电脑实时采集和反馈井下运行数据；当设备发生故障时，配备的语音报警装置，可以及时发出提醒，防止故障扩大；依托自主研发的神东生产管控平台，实现了井下采掘设备日常运行数据监测和远程可视化控制；实现井下配电设备的远程操作，工作面集控工替代了专职电工，停送电效率成倍增加；为保证供电系统的稳定性，在生产管控平台增加双风机停机语音报警、配电设备报警信息上传等一系列举措，保障了供电系统出现异常跳闸时可及时恢复送电。
掘锚机、桥式转载机、除尘风机、带式输送机4 机联动与智能调速投入运行以来，掘进带式输送机运行稳定，未出现调速误动作、打滑、洒煤、堆煤、跑偏等情况，降低了运输系统能耗的同时，提高了带式输送机运行效率，达到了带式输送机“轻载降速、重载提速，有煤跑得快，无煤跑得慢”的效果，也减少了掘进队运输系统运维成本。
辅助搬运机器人利用吊臂、张拉绞车缩短材料搬运时间，平均1 t 材料可节约3 个人工每人约5 h，减轻了工人劳动强度，提升了作业效率；掏槽机器人实现一车多用，平均1 个水泵窝施工可节约2 个人工每人约8 h，将人员投入到检修与正常循环生产过程中，解决了后配套工作人员不足问题，提升工作效率；管路抓举机器人的应用减少了人力投入，平均每根DN159 水管的安装可节约2 个人工每人0.2 h，并保障了工人作业安全。
结 语
自动掘锚机+锚运破一体机+大跨距桥式转载机+自移机尾+机器人群的快速掘进系统应用以来，布尔台煤矿坚持“机械化换人、机械化提效”的作业理念，从生产配套的短板入手，将费时费力的工作重点攻关，丰富井下设备的作业功能，用最少的设备完成正常的生产需要，经过不断的探索，实现掘进及其后配套作业的全机械化，实现了减人提效的目的。
掘进工作面集中控制系统通过采集采掘设备运行数据，以及在掘进工作面全覆盖视频监控，有效地监测和协调井下生产组织，提高生产效率。布尔台煤矿积极探索多机联动，减少设备空转时间，有效减少能耗浪费和设备磨损；引进管路抓举机器人、掏槽机器人、辅助搬运机器人、两臂锚杆钻机等作业类机器人，工作效率和工作面机械化水平显著提升；引进掘进工作面自移机尾，省去了退机清煤、安装链条等繁琐工序，省时省力；井下移动设备安装高清摄像仪和人员接近防护系统，实现人员接近时自动停机，有效保障了作业人员的生命安全。应用快速掘进系统以来，掘进效率显著提升，在掘进任务保质保量完成的前提下，减少了作业人员数量，且员工收入大幅提高。
然而，布尔台煤矿快速掘进系统在使用过程中依然面临以下问题，需要进一步改善：①锚运破一体机帮锚钻臂不灵活，安设钻杆困难；②大跨距转载机电缆夹在行走过程中易掉落，电缆易折叠，需要调整电缆托架位置；③自移机尾油泵流量小，移动速度慢，造成延伸机尾时间较长；④远程可视化操作存在一定延时，无法听到设备声音，判断故障存在一定难度；⑤辅助搬运车吊臂载荷小，不足以运输大型配件，且对地形要求较高；⑥掏槽机器人转场困难，采用电驱动接电不方便，截齿磨损严重；⑦管路抓举机器人车身笨重，操作有一定难度。未来，布尔台煤矿将继续探索快速掘进系统的应用技术，克服使用中的困难，逐步优化，为智能矿山建设发挥更大的作用。
助理编辑：戴春雷
