截割滾筒旋轉(zhuǎn)著破開圍巖，機械手上下?lián)]舞噴涂高強度材料，機械臂有條不紊地安裝錨桿，監(jiān)測系統(tǒng)自動分析巷道變形情況……
在陜煤集團曹家灘煤礦井下，一套長50多米的裝備猶如“鋼鐵俠”，正在煤巷中大顯身手。其掘進速度可達每天55—65米，是傳統(tǒng)方式掘進速度的數(shù)倍。
這位“鋼鐵俠”是世界首套鉆錨一體化智能快速掘進成套裝備。它由中國煤炭科工集團有限公司（以下簡稱中國煤科）科研團隊歷時5年研發(fā)而成，曾被評為央企“十大國之重器”。
巷道掘進技術(shù)制約煤炭行業(yè)發(fā)展
掘進與采煤是煤炭生產(chǎn)的兩個基本環(huán)節(jié)。掘進巷道是第一步，為煤礦運輸、通風(fēng)、行人提供必要通道，下一步才能進行煤炭開采。
“過去十幾年，采煤工作面的作業(yè)逐步從機械化走向自動化、智能化，采煤的技術(shù)水平已經(jīng)走在巷道掘進技術(shù)的前頭?！痹撗b備研發(fā)項目執(zhí)行負責(zé)人、中國煤科首席科學(xué)家姜鵬飛告訴科技日報記者。
姜鵬飛解釋，煤礦巷道的埋深往往達幾百米乃至上千米，掘進工作面的煤層和巖層強度比較低，圍巖支離破碎，容易出現(xiàn)塌方，給掘進和支護帶來巨大挑戰(zhàn)。而且，煤礦回采巷道一般僅使用一到兩年，煤礦開采完即報廢，這對裝備技術(shù)的成本提出了苛刻的要求。
受多重因素影響，巷道掘進此前只實現(xiàn)了局部自動化，掘進工作面往往需要十幾位煤礦工人高強度工作。據(jù)統(tǒng)計，我國現(xiàn)有巷道作業(yè)人員超70萬人，是采煤工作面作業(yè)人員的3倍多。姜鵬飛介紹，其中，為了防止巷道冒頂，包括鋪設(shè)金屬網(wǎng)、鉆孔、安裝錨桿在內(nèi)的支護環(huán)節(jié)用人最多、用時最長。這是當(dāng)前影響煤巷快速成巷的最主要因素。
“拖后腿的巷道掘進技術(shù)，已成為制約整個煤炭行業(yè)安全、可持續(xù)發(fā)展的瓶頸?！苯i飛總結(jié)道。
作為我國煤炭科技研發(fā)的“國家隊”，中國煤科研究團隊決定放手一搏：開展煤巷快速掘進關(guān)鍵技術(shù)與裝備研發(fā)，提升煤巷掘進自動化、智能化水平，減少該環(huán)節(jié)對人工的依賴，降低工人勞動強度。
為尋求可行方案，2018年，中國煤科康紅普院士研究團隊開啟了持續(xù)一年的實地調(diào)研，數(shù)十次下井，到現(xiàn)場找靈感。
“站在巷道里，面對呼嘯而來的粉塵，眼睛只能瞇成一道縫觀察掘進過程?？吹饺绱饲榫?，我們也越發(fā)明白開展技術(shù)攻關(guān)、不斷提高掘進技術(shù)水平的意義?！毖芯繄F隊成員羅超感慨。
研發(fā)方案直擊快速成巷痛點
然而，調(diào)研結(jié)果不容樂觀——國內(nèi)外均無成熟的自動化、智能化技術(shù)和產(chǎn)品，一切只能靠自己摸索。
調(diào)研結(jié)束后，大家陸續(xù)提出多種解決方案。研究團隊成員王子越回憶，煤巷盾構(gòu)式掘進方案、龍門架掘進支護方案等先后被提出，又因種種原因先后被推翻。
拿煤巷盾構(gòu)式掘進方案來說，研究團隊希望借鑒道路橋梁隧道的盾構(gòu)方式來掘進煤礦巷道。圍繞這個方案研討了半年多，卻發(fā)現(xiàn)這條路走不通：相較于其他隧道，煤礦巷道的地層起伏更劇烈、圍巖更破碎，使用盾構(gòu)機的支護難度更大；巷道底部的巖石強度低，容易導(dǎo)致盾構(gòu)機陷入破碎的巖層中。
在興奮與失落的循環(huán)往復(fù)中，前前后后共有8種方案被否決?？鄲炁c迷?；\罩著整個團隊。
就在此時，團隊成員通過“頭腦風(fēng)暴”碰撞出新的思路：研發(fā)鉆錨一體化智能快速掘進成套裝備。該裝備集鉆錨一體化錨桿自動支護、巷道表面噴涂護表、隨掘變形動態(tài)監(jiān)測等多項核心功能于一身。
研究團隊最新提出的研發(fā)方案直擊阻礙煤巷快速成巷的痛點。例如，在傳統(tǒng)支護方式中，鉆桿是用來鉆孔的桿體，錨桿則是用來打入鉆孔中，加固和支護圍巖的桿體，二者需要反復(fù)輪番上場。傳統(tǒng)的支護步驟繁雜，包括鉆孔、卸鉆桿、安裝錨固劑、安裝錨桿、攪拌及預(yù)緊等6道工序。新方案設(shè)想采用鉆錨一體化自動支護方法，鉆桿即錨桿，6道工序變1道，對傳統(tǒng)工藝進行根本變革。
巷道表面噴涂護表的設(shè)想更是大膽。團隊成員韋堯中說，希望利用機械手在巷道表面噴涂高強度材料，直接替代金屬網(wǎng)鋪設(shè)。這種做法，國內(nèi)外均無先例。
提升掘進速度減少人工成本
把方案變成現(xiàn)實，并不容易。
2019年，裝備研制工作啟動。由于研制的設(shè)備新，加工規(guī)模小，小廠干不了、大廠不愿干，最終找到的加工試驗場地極其簡陋。天寒地凍時，研發(fā)人員只能跺腳取暖。
一路過關(guān)斬將，死磕幾十個技術(shù)難題后，裝備最為核心的部件之一——鉆錨一體化錨桿及配套施工裝置“呱呱墜地”。為檢驗施工效果，研發(fā)團隊駐扎在試驗煤礦7個月，與工人同吃同住，開展井下試驗。
試驗初期，前幾根錨桿安裝一切順利。隨后卻突然出現(xiàn)令人傻眼的一幕：由兩種組分構(gòu)成的錨固劑沿著不同通路相遇、凝固，裝置如啞炮一般，打不出錨桿了。
欲渡黃河冰塞川，將登太行雪滿山。臉上蹭滿煤灰的團隊成員“壓力山大”。怎么辦？只能繼續(xù)白天下井試驗，晚上討論改進措施。
2020年，斷斷續(xù)續(xù)在巷道中打了近2000根錨桿后，靈感再次乍現(xiàn)。團隊成員在剖析、總結(jié)裝置暴露的問題后，開發(fā)出一種完全異于市面上相近產(chǎn)品的系統(tǒng)，成功破解錨固劑堵塞施工裝置這一難題。
經(jīng)過不斷努力，裝置最終實現(xiàn)“一鍵打錨桿”：每次支護時，只需按下按鍵，安裝錨桿的全套工序就會自動完成。
之后，團隊又陸續(xù)攻克兼顧強度與安全性能指標(biāo)的噴涂材料、監(jiān)測系統(tǒng)圖像識別干擾等9大項、400余小項技術(shù)難題。世界首套鉆錨一體化智能快速掘進成套裝備終于成功下線。
有了它，巷道掘進工作面智能化程度顯著提升，掘進速度快了好幾倍，工人數(shù)量從十幾人減少至幾人，勞動強度也大幅降低。
在煤礦領(lǐng)域嶄露頭角后，這位“鋼鐵俠”迎來更多訂單。今年，有13套鉆錨一體化智能快速掘進成套裝備將推廣應(yīng)用，為提高煤炭開發(fā)生產(chǎn)能力、保障國家能源安全貢獻力量。
來源：科技日報
