文章来源：《智能矿山》2022年第9期“智能装备”专栏
作者简介：胡开宇，硕士，主要从事煤矿机械设计研发方面的工作
引用格式：胡开宇.掘进工作面智能快掘后配套运输系统及多机协同控制装备[J].智能矿山，2022，3（9）63-67.
目前，煤炭行业掘进工作面普遍采用快速掘进系统装备，该装备在一定程度上可形成掘、支、运平行作业的掘进方式，从而实现快速掘进的目的。其中，掘锚机、锚护转载破碎机、自移机尾、带式转载机等是快速掘进系统主要的快掘设备。智能快掘后配套运输装备的主要作用是在掘锚机作业时，将截割及转运过来的物料进行储仓缓冲，并将大块物料进行破碎后，均匀地转运到带式转载机后将物料卸在主运带式输送机上，可满足随动及连续运输系统是后配套系统必不可少的要求；在后配套运输装备上增加智能化元素，可实现设备联动、无人化操作以及对设备故障类型、产生因素等做出监控分析；在搭配后配套系统的运输形式时，也需要考虑各设备在特殊环境或特殊要求下巷道条件对智能运输的可适应性。
01 智能快掘后配套运输系统
为提高掘、支、运平行作业的效率，后配套运输装备选择使用锚护转载破碎机、煤矿用带式转载机及迈步式自移机尾（图1a）。双巷掘进在澳大利亚等地使用较为频繁，其主体采用梭车+自移机尾配套形式，从国内目前的情况来看，掘进单个巷道所使用的后配套装备主要由迈步式自移机尾搭接带式转载机来增加有效搭接距离；带式转载机受料部与锚护转载破碎机尾搭接，在锚护转载破碎机卸料部下方，带式转载机自带搭接小车，小车在迈步自移机尾机头部轨道上支撑搭接；在锚护转载破碎机拉移下，带式转载机可沿迈步机尾刚性架上的轨道进行移动，搭接距离可达到30～50 m；在自移机尾后方设置有伸缩机身，伸缩机身装置前端固定架与轨道固定，后端有立柱支撑装置与底板固定，当自移机尾前进拉移伸缩机身轨道前移时，伸缩机身装置内的中间H架会随之伸展开，以保证在生产过程中无需停机后再进行人工补充H架，避免发生危险，提高掘进效率。在自移机尾架体上装有集控平台（图1b），可对整个快速掘进后配套运输控制系统进行监控；以掘锚机为中心建立智能快掘后配套运输控制系统（图2），实现多设备远程操作、协同作业的目的；此套设备最大的优势是减人增安，提高掘进效率。
(a) 后配套运输装备
(b) 集控平台 图1 智能快速掘进系统后配套运输装备及集控平台
图2 智能快掘后配套运输控制系统构成
02 智能快掘后配套运输系统 设备组成及性能
履带式锚护转载破碎机
履带式锚护转载破碎机如图3所示，是煤矿井下大断面煤巷快速掘进作业中的重要配套设备之一，与掘锚机、煤矿用带式转载机和迈步式自移机尾配套使用，可实现落煤、储煤、锚护、破碎及转运的机械化作业。履带式锚护转载破碎机的作用是将掘锚机截割出形状较大的煤块卸入料斗内进行破碎后转运，并均匀地将煤运到带式输送机上，以满足带式输送机对煤块大小的要求；该组合不仅降低了因大块物料导致故障停机可能性，也可防止物料洒落，再配合重叠搭接、连续装运的自移机尾和带式转载机强大的转运能力，可充分发挥出掘锚机的截割能力；同时因其较低的接地比压而增加了对底板的适应性，也可承担部分锚杆锚索的锚护任务；在履带式锚护转载破碎机的机身上设置有1台用于顶锚作业的液压钻机，机身两侧各装有1台液压钻机，每个钻机都有一定的摆动空间，该设计可解决掘进工作面锚护效率低等问题。此外，履带式锚护转载破碎机还可承担每个工作循环过程中拉移带式输送机进入新工位的牵引任务，其破碎装置可调节破碎粒度，破碎能力为1 500 t/h；履带式锚护转载破碎机集行走、受料缓冲、破碎、转运、锚护于一体，创新开发了盘形截齿式破碎滚筒、内藏式高可靠性重载行走齿轮箱、无级变速液压驱动行走系统、高强度套筒链刮板组件、机载液压锚杆机及可独立调节的受料和卸料高度的运输系统，具有运输能力强、碎能破能力强、可靠性高、牵引力大等特点。
(a) 功能分布 (b) 智能监控 图3 履带式锚护转载破碎机
此外，在履带式锚护转载破碎机最容易发生碰撞的收料斗两侧安装防碰撞板，在防碰撞板与受料斗外侧之间安装压力传感器，当压力高于某一设定值时，将报警或设备自动急停；在履带式锚护转载破碎机的上方安装区域报警装置，当人员佩戴特定的手环或标识卡进入区域报警装置范围8 m内时，则区域报警装置发出语音报警；当进入设备识别范围5 m内时，则区域报警发出语音报警的同时给料破碎机将紧急制动停机，且暂时无法启动，直至人员佩戴的特定手环或标识卡离开区域报警装置监测的范围。
煤矿用带式转载机
煤矿用带式转载机是快掘运输系统中不可或缺的设备之一，其在作业面上的位置介于锚护转载破碎机和带式输送机机尾之间，与带式输送机机尾保持一定长度的重叠段来满足掘进工艺要求，主要功能是将来自破碎机的煤不断转运到带式输送机上，通过其强大的转运能力保证了掘锚机的截割效率。
图4 煤矿用带式转载机
在煤矿用带式转载机上增加了传感器检测系统，主要接收其反馈回的自身情况。传感器检测系统主要包括与系统连接的输送带速度、跑偏、堆煤、堵煤及质量等可能发生故障的监测传感器；主要的检测方法是利用PLC控制系统（图5），通过速度传感器实时监测带式输送机输送带的运行速度并反馈给PLC控制器；压力传感器可监测带式转载机的实时运煤量，并及时反馈给PLC控制器；功率监测传感器可实时监测带式输送机电机和变频器的数据，并向PLC控制器反馈。此外，在煤矿用带式转载机上还设置了不同类型的传感器对其各项机能做到实时监测。
图5 带式转载机PLC控制系统
各监测装置将采集的数据进行初步处理后传输到快掘系统中的集控平台，操作员可随时操控系统，从而实现对煤矿用带式转载机的各类参数进行实时监控。因此，控制系统可对故障类型做到智能化分析和预警，达到防患于未然，较大程度上降低了停机频率以及维修人员的工作强度，从根本上做到了减人增效。
带式输送机用自移机尾
带式输送机自移机尾是一种左右交替循环迈步前进的一种辅助运输设备，如图6所示，与巷道内主运带式输送机连接，从而实现将物料运输出巷道。带式输送机利用自移机尾的自带动力站，可实现工作面前机设备移动时，机尾通过抬升油缸将整个架体抬高，再由推移油缸将左右轨道交替前移，随后架体落下通过轨道前进。矿用带式转载机通过搭接小车与机尾架体上的轨道连接固定，具有较长的搭接行程，解决了机尾移动次数多的问题。在自移机尾末端增设伸缩机身装置可使生产班在生产过程中，将自移机尾移设到预定位置后无需补充后边空缺的H刚性架，大幅缩短了人工辅助作业的时间，有利于减少作业人员数量，提高作业环境安全，同时大幅提升掘进效率。
图6 带式输送机用自移机尾和伸缩机身
智能化控制系统可实现一键启停、自主迈步、自主调偏等功能。智能传感器可反馈设备与前机偏离的情况，从而使操作人员对架体进行调偏，保证机尾在正确的行径轨道上运行。当带式转载机与带式输送机尾有效搭接行程达到极限时，需前移自移机尾，将伸缩机身展开以增加带式输送机尾的有效行程，操作人员可远程遥控将设备的立柱放下撑住地面，即可完成伸缩机身的拉伸动作，此套动作可在集控平台上完成，达到减人增效的作用。
03 掘进工艺及多机协同控制
目前，大陆煤矿在掘进工作面的一线工人长期处于含大量粉尘与相对湿度较大的恶劣环境中，工人的身体健康难以得到保障。因此，实现掘进工作面的自动化是保障作业工人身体健康的主要方式。掘进工作面自动化，不仅是控制单独某个设备的自动化，而是要将整个掘进工作面作为一个整体，将工作面所有设备实现联动共同作业及设备有序控制。在后配套方面，以掘锚机为头机，掘锚机之后为后配套快掘系统，按照运输工艺要求，实现掘进设备间的联动、行走、启停、轨迹等多机协同控制，保证设备之间及设备与人之间的安全性。
集控平台在成套设备协同控制方面有较大优势，实现了掘锚机、锚护转载破碎机、带式转载机及自移机尾（加伸缩机身）的联动控制，通过平台内工作人员的操作可实现设备启停、割煤、破碎、转运、迈步、调偏等一系列动作，同时最主要的是设备的行驶轨迹可自动找直，且能自主跟随前机移动。
掘进工作面多机协同控制内容如图7所示，此套设备通过激光测距仪及多类型传感器相互之间配合来完成对掘锚机及转载破碎机位置和姿态参数的收集，可为掘锚机安装多个传感器，为集控平台提供控制依据。掘进工作面多机协同控制分为以下5步：
图7 掘进工作面多机协同控制
（1）整套设备运送至掘进工作面时，通过集控中心调整相对距离使整套设备到达巷道中的预设位置。在掘锚机和锚护转载破碎机运行前，应当发出警示语音确保工作安全区域内没有人员与其他设备工作，以保证人员安全及设备运行顺利。
（2）依次开启降噪除尘装置，破碎机的破碎盘装置及各运输装置，检测是否出现设备无法开启和输送带是否出现卡顿或磨设备的情况，若出现此类情况需停机检查；如设备正常运转，则掘锚机开始进刀，自上而下开始截割煤层，截割完成后对底板上的余煤进行处理，保证巷道底板的平整度。
（3）在掘锚机工作时，需要对巷道进行锚固，此时，集控中心应发出指令，控制掘锚机对顶板4根锚杆及侧帮2根锚杆进行支护，同时，控制锚护转载破碎机完成对顶板1根锚索及侧帮底部2根锚杆的支护，实现掘、支平行作业。一系列操作完成后，集控中心将支撑和锚护装置收回，控制整套设备前移，进行下一个循环作业。
（4）整套设备运行期间，集控中心采集各设备在工作面的运转情况，在中央控制器上实时显示所有的采集数据并分析；为了保证巷道平直及自动控制设备的使用情况，需对底板进行清煤措施，否则在下一步掘进工艺流程时会产生偏差；该步骤避免了掘锚机超循环作业、大面积空顶的出现及事故的发生。集控中心采集的数据将对后配套设备与掘锚机的左右偏移程度进行调整，以确保设备间能够精准定位，实现连续运输。
（5）当集控中心收到传感器发回的故障指令时，如堆煤、电控系统故障等，集控中心操作人员将有序停止整套设备的运转。当问题解决后，操作人员查看系统监控确认无人员在附近时，即可重新开启设备。
04 经济效益和社会效益
智能快掘后配套系统改变了传统井下工人的掘进作业方式，用集控中心统一化操作管理，更有利于保障人员和设备的安全。智能快掘后配套系统的应用，可有效减少井下作业人员的数量，不仅为用户节省了人员成本，而且将掘进效率增加40%。同时，在各设备上装有智能化监测系统，能够及时发现使用中的问题，降低了损坏程度及损坏率，设备使用寿命明显增加。
另外，在社会效益方面有以下3点体现：①有效保护了井下工作人员的人身安全。智能快掘后配套系统有效地解决了掘进工作面长期存在的自动化程度低，设备间安全性较差等问题；②智能快掘后配套系统具备较强的适应巷道能力，以及运行较为灵活等优势；③智能快掘后配套系统稳定可靠，智能化程度高，容易被用户接受和推广，具有广阔的应用前景。该后配套设备可适用于任何掘锚机，可适应的巷道条件及投入成本仅为破碎机+梭车+带式转载机形式后配套总投入的50%，且该系统在龙华矿302盘区巷道平均月进尺由原来的800 m提升至1 200 m（巷道断面为16.7 m2）。
05 结 语
智能快掘后配套运输系统可以满足多机协同作业，实现巷道掘进工作面掘、支、运等工序的精确配合，以及同步作业等方式，提高了掘进的效率。在智能化方面，系统可靠性及稳定性包括多个设备构建而成的多机型系统，单个设备作业与多机协调作业等方式，以及集控中心的数据采集方面还需今后不断地加强及完善。