文章來源：《智能礦山》2022年第9期“智能裝備”專欄
作者簡介：胡開宇，碩士，主要從事煤礦機械設計研發方面的工作
引用格式：胡開宇.掘進工作面智能快掘後配套運輸系統及多機協同控制裝備[J].智能礦山，2022，3（9）63-67.
目前，煤炭行業掘進工作面普遍采用快速掘進系統裝備，該裝備在一定程度上可形成掘、支、運平行作業的掘進方式，進而實作快速掘進的目的。其中，掘錨機、錨護轉載破碎機、自移機尾、帶式轉載機等是快速掘進系統主要的快掘裝置。智能快掘後配套運輸裝備的主要作用是在掘錨機作業時，将截割及轉運過來的物料進行儲倉緩沖，并将大塊物料進行破碎後，均勻地轉運到帶式轉載機後将物料卸在主運帶式輸送機上，可滿足随動及連續運輸系統是後配套系統必不可少的要求；在後配套運輸裝備上增加智能化元素，可實作裝置關聯、無人化操作以及對裝置故障類型、産生因素等做出監控分析；在搭配後配套系統的運輸形式時，也需要考慮各裝置在特殊環境或特殊要求下巷道條件對智能運輸的可适應性。
01 智能快掘後配套運輸系統
為提高掘、支、運平行作業的效率，後配套運輸裝備選擇使用錨護轉載破碎機、煤礦用帶式轉載機及邁步式自移機尾（圖1a）。雙巷掘進在澳洲等地使用較為頻繁，其主體采用梭車+自移機尾配套形式，從國内目前的情況來看，掘進單個巷道所使用的後配套裝備主要由邁步式自移機尾搭接帶式轉載機來增加有效搭接距離；帶式轉載機受料部與錨護轉載破碎機尾搭接，在錨護轉載破碎機卸料部下方，帶式轉載機自帶搭接小車，小車在邁步自移機尾機頭部軌道上支撐搭接；在錨護轉載破碎機拉移下，帶式轉載機可沿邁步機尾剛性架上的軌道進行移動，搭接距離可達到30～50 m；在自移機尾後方設定有伸縮機身，伸縮機身裝置前端固定架與軌道固定，後端有立柱支撐裝置與底闆固定，當自移機尾前進拉移伸縮機身軌道前移時，伸縮機身裝置内的中間H架會随之伸展開，以保證在生産過程中無需停機後再進行人工補充H架，避免發生危險，提高掘進效率。在自移機尾架體上裝有集控平台（圖1b），可對整個快速掘進後配套運輸控制系統進行監控；以掘錨機為中心建立智能快掘後配套運輸控制系統（圖2），實作多裝置遠端操作、協同作業的目的；此套裝置最大的優勢是減人增安，提高掘進效率。
(a) 後配套運輸裝備
(b) 集控平台 圖1 智能快速掘進系統後配套運輸裝備及集控平台
圖2 智能快掘後配套運輸控制系統構成
02 智能快掘後配套運輸系統 裝置組成及性能
履帶式錨護轉載破碎機
履帶式錨護轉載破碎機如圖3所示，是煤礦井下大斷面煤巷快速掘進作業中的重要配套裝置之一，與掘錨機、煤礦用帶式轉載機和邁步式自移機尾配套使用，可實作落煤、儲煤、錨護、破碎及轉運的機械化作業。履帶式錨護轉載破碎機的作用是将掘錨機截割出形狀較大的煤塊卸入料鬥内進行破碎後轉運，并均勻地将煤運到帶式輸送機上，以滿足帶式輸送機對煤塊大小的要求；該組合不僅降低了因大塊物料導緻故障停機可能性，也可防止物料灑落，再配合重疊搭接、連續裝運的自移機尾和帶式轉載機強大的轉運能力，可充分發揮出掘錨機的截割能力；同時因其較低的接地比壓而增加了對底闆的适應性，也可承擔部分錨杆錨索的錨護任務；在履帶式錨護轉載破碎機的機身上設定有1台用于頂錨作業的液壓鑽機，機身兩側各裝有1台液壓鑽機，每個鑽機都有一定的擺動空間，該設計可解決掘進工作面錨護效率低等問題。此外，履帶式錨護轉載破碎機還可承擔每個工作循環過程中拉移帶式輸送機進入新工位的牽引任務，其破碎裝置可調節破碎粒度，破碎能力為1 500 t/h；履帶式錨護轉載破碎機集行走、受料緩沖、破碎、轉運、錨護于一體，創新開發了盤形截齒式破碎滾筒、内藏式高可靠性重載行走齒輪箱、無級變速液壓驅動行走系統、高強度套筒鍊刮闆元件、機載液壓錨杆機及可獨立調節的受料和卸料高度的運輸系統，具有運輸能力強、碎能破能力強、可靠性高、牽引力大等特點。
(a) 功能分布 (b) 智能監控 圖3 履帶式錨護轉載破碎機
此外，在履帶式錨護轉載破碎機最容易發生碰撞的收料鬥兩側安裝防碰撞闆，在防碰撞闆與受料鬥外側之間安裝壓力傳感器，當壓力高于某一設定值時，将報警或裝置自動急停；在履帶式錨護轉載破碎機的上方安裝區域報警裝置，當人員佩戴特定的手環或辨別卡進入區域報警裝置範圍8 m内時，則區域報警裝置發出語音報警；當進入裝置識别範圍5 m内時，則區域報警發出語音報警的同時給料破碎機将緊急制動停機，且暫時無法啟動，直至人員佩戴的特定手環或辨別卡離開區域報警裝置監測的範圍。
煤礦用帶式轉載機
煤礦用帶式轉載機是快掘運輸系統中不可或缺的裝置之一，其在作業面上的位置介于錨護轉載破碎機和帶式輸送機機尾之間，與帶式輸送機機尾保持一定長度的重疊段來滿足掘進工藝要求，主要功能是将來自破碎機的煤不斷轉運到帶式輸送機上，通過其強大的轉運能力保證了掘錨機的截割效率。
圖4 煤礦用帶式轉載機
在煤礦用帶式轉載機上增加了傳感器檢測系統，主要接收其回報回的自身情況。傳感器檢測系統主要包括與系統連接配接的輸送帶速度、跑偏、堆煤、堵煤及品質等可能發生故障的監測傳感器；主要的檢測方法是利用PLC控制系統（圖5），通過速度傳感器實時監測帶式輸送機輸送帶的運作速度并回報給PLC控制器；壓力傳感器可監測帶式轉載機的實時運煤量，并及時回報給PLC控制器；功率監測傳感器可實時監測帶式輸送機電機和變頻器的資料，并向PLC控制器回報。此外，在煤礦用帶式轉載機上還設定了不同類型的傳感器對其各項機能做到實時監測。
圖5 帶式轉載機PLC控制系統
各監測裝置将采集的資料進行初步處理後傳輸到快掘系統中的集控平台，操作員可随時操控系統，進而實作對煤礦用帶式轉載機的各類參數進行實時監控。是以，控制系統可對故障類型做到智能化分析和預警，達到防患于未然，較大程度上降低了停機頻率以及維修人員的工作強度，從根本上做到了減人增效。
帶式輸送機用自移機尾
帶式輸送機自移機尾是一種左右交替循環邁步前進的一種輔助運輸裝置，如圖6所示，與巷道内主運帶式輸送機連接配接，進而實作将物料運輸出巷道。帶式輸送機利用自移機尾的自帶動力站，可實作工作面前機裝置移動時，機尾通過擡升油缸将整個架體擡高，再由推移油缸将左右軌道交替前移，随後架體落下通過軌道前進。礦用帶式轉載機通過搭接小車與機尾架體上的軌道連接配接固定，具有較長的搭接行程，解決了機尾移動次數多的問題。在自移機尾末端增設伸縮機身裝置可使生産班在生産過程中，将自移機尾移設到預定位置後無需補充後邊空缺的H剛性架，大幅縮短了人工輔助作業的時間，有利于減少作業人員數量，提高作業環境安全，同時大幅提升掘進效率。
圖6 帶式輸送機用自移機尾和伸縮機身
智能化控制系統可實作一鍵啟停、自主邁步、自主調偏等功能。智能傳感器可回報裝置與前機偏離的情況，進而使操作人員對架體進行調偏，保證機尾在正确的行徑軌道上運作。當帶式轉載機與帶式輸送機尾有效搭接行程達到極限時，需前移自移機尾，将伸縮機身展開以增加帶式輸送機尾的有效行程，操作人員可遠端遙控将裝置的立柱放下撐住地面，即可完成伸縮機身的拉伸動作，此套動作可在集控平台上完成，達到減人增效的作用。
03 掘進工藝及多機協同控制
目前，大陸煤礦在掘進工作面的一線勞工長期處于含大量粉塵與相對濕度較大的惡劣環境中，勞工的身體健康難以得到保障。是以，實作掘進工作面的自動化是保障作業勞工身體健康的主要方式。掘進工作面自動化，不僅是控制單獨某個裝置的自動化，而是要将整個掘進工作面作為一個整體，将工作面所有裝置實作關聯共同作業及裝置有序控制。在後配套方面，以掘錨機為頭機，掘錨機之後為後配套快掘系統，按照運輸工藝要求，實作掘進裝置間的關聯、行走、啟停、軌迹等多機協同控制，保證裝置之間及裝置與人之間的安全性。
集控平台在成套裝置協同控制方面有較大優勢，實作了掘錨機、錨護轉載破碎機、帶式轉載機及自移機尾（加伸縮機身）的關聯控制，通過平台内從業人員的操作可實作裝置啟停、割煤、破碎、轉運、邁步、調偏等一系列動作，同時最主要的是裝置的行駛軌迹可自動找直，且能自主跟随前機移動。
掘進工作面多機協同控制内容如圖7所示，此套裝置通過雷射測距儀及多類型傳感器互相之間配合來完成對掘錨機及轉載破碎機位置和姿态參數的收集，可為掘錨機安裝多個傳感器，為集控平台提供控制依據。掘進工作面多機協同控制分為以下5步：
圖7 掘進工作面多機協同控制
（1）整套裝置運送至掘進工作面時，通過集控中心調整相對距離使整套裝置到達巷道中的預設位置。在掘錨機和錨護轉載破碎機運作前，應當發出警示語音確定工作安全區域内沒有人員與其他裝置工作，以保證人員安全及裝置運作順利。
（2）依次開啟降噪除塵裝置，破碎機的破碎盤裝置及各運輸裝置，檢測是否出現裝置無法開啟和輸送帶是否出現卡頓或磨裝置的情況，若出現此類情況需停機檢查；如裝置正常運轉，則掘錨機開始進刀，自上而下開始截割煤層，截割完成後對底闆上的餘煤進行處理，保證巷道底闆的平整度。
（3）在掘錨機工作時，需要對巷道進行錨固，此時，集控中心應發出指令，控制掘錨機對頂闆4根錨杆及側幫2根錨杆進行支護，同時，控制錨護轉載破碎機完成對頂闆1根錨索及側幫底部2根錨杆的支護，實作掘、支平行作業。一系列操作完成後，集控中心将支撐和錨護裝置收回，控制整套裝置前移，進行下一個循環作業。
（4）整套裝置運作期間，集控中心采集各裝置在工作面的運轉情況，在中央控制器上實時顯示所有的采集資料并分析；為了保證巷道平直及自動控制裝置的使用情況，需對底闆進行清煤措施，否則在下一步掘進工藝流程時會産生偏差；該步驟避免了掘錨機超循環作業、大面積空頂的出現及事故的發生。集控中心采集的資料将對後配套裝置與掘錨機的左右偏移程度進行調整，以確定裝置間能夠精準定位，實作連續運輸。
（5）當集控中心收到傳感器發回的故障指令時，如堆煤、電控系統故障等，集控中心操作人員将有序停止整套裝置的運轉。當問題解決後，操作人員檢視系統監控确認無人員在附近時，即可重新開啟裝置。
04 經濟效益和社會效益
智能快掘後配套系統改變了傳統井下勞工的掘進作業方式，用集控中心統一化操作管理，更有利于保障人員和裝置的安全。智能快掘後配套系統的應用，可有效減少井下作業人員的數量，不僅為使用者節省了人員成本，而且将掘進效率增加40%。同時，在各裝置上裝有智能化監測系統，能夠及時發現使用中的問題，降低了損壞程度及損壞率，裝置使用壽命明顯增加。
另外，在社會效益方面有以下3點展現：①有效保護了井下從業人員的人身安全。智能快掘後配套系統有效地解決了掘進工作面長期存在的自動化程度低，裝置間安全性較差等問題；②智能快掘後配套系統具備較強的适應巷道能力，以及運作較為靈活等優勢；③智能快掘後配套系統穩定可靠，智能化程度高，容易被使用者接受和推廣，具有廣闊的應用前景。該後配套裝置可适用于任何掘錨機，可适應的巷道條件及投入成本僅為破碎機+梭車+帶式轉載機形式後配套總投入的50%，且該系統在龍華礦302盤區巷道平均月進尺由原來的800 m提升至1 200 m（巷道斷面為16.7 m2）。
05 結 語
智能快掘後配套運輸系統可以滿足多機協同作業，實作巷道掘進工作面掘、支、運等工序的精确配合，以及同步作業等方式，提高了掘進的效率。在智能化方面，系統可靠性及穩定性包括多個裝置建構而成的多機型系統，單個裝置作業與多機協調作業等方式，以及集控中心的資料采集方面還需今後不斷地加強及完善。