著力破解煤礦采掘失衡難題

在一個(gè)年產(chǎn)煤炭量超過1000萬噸的工作面，掘進(jìn)一條6000米的巷道需要多長(zhǎng)時(shí)間？答案是4個(gè)月。
 

10米超大采高智能綜采設(shè)備在井下作業(yè)?！〔芗覟┟旱V供圖

位于毛烏素沙漠腹地的陜煤集團(tuán)曹家灘煤礦，借助先進(jìn)的智能掘進(jìn)裝備，一天可掘進(jìn)巷道55至65米，有力保障了采煤工作的開展。日前，記者來到曹家灘煤礦生產(chǎn)一線一探究竟。

上午10時(shí)許，換上橙黃色工作服，記者乘坐特制防爆車進(jìn)入礦區(qū)井下，約半小時(shí)后，到達(dá)地下300米深的工作面。只見煤巷中，一臺(tái)100多米長(zhǎng)的掘進(jìn)裝備正旋轉(zhuǎn)著滾筒破開煤層，一邊向前掘進(jìn)，一邊支護(hù)巷道。

“這臺(tái)大家伙是我國自主研制的全球首套鉆錨一體化智能快速掘進(jìn)成套裝備，我們是第一家采用的煤礦。”曹家灘煤礦掘進(jìn)三隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)張虎向記者介紹。

采煤，首先需要掘進(jìn)巷道。煤礦運(yùn)輸、通風(fēng)、行人等有了必要通道，接著才能開采煤炭。

這套裝備有何不同？張虎大步登上臺(tái)階，領(lǐng)著記者走到了鉆錨裝置前。“只要按一下，錨桿就會(huì)自動(dòng)打入煤層，不到3分鐘就能打上一根。”他指著操作按鈕說。

打入錨桿為的是支護(hù)煤層。煤巷埋深常達(dá)幾百米，掘進(jìn)時(shí)想要確保兩側(cè)煤幫和上方巖層不塌方，有效的支護(hù)至關(guān)重要。

拿起一根錨桿，一旁的中國煤炭科工集團(tuán)（以下簡(jiǎn)稱“中國煤科”）工程師王子越說起了“一鍵打錨桿”的高效：傳統(tǒng)的支護(hù)作業(yè)，先要用鉆桿打出鉆孔，卸下鉆桿后，再將錨桿打入鉆孔中，然后加固和支護(hù)圍巖。打鉆桿、裝錨桿輪番上陣，一次要6道工序。而采用鉆錨一體化自動(dòng)支護(hù)方法，鉆桿即錨桿，6道工序變1道，革新了巷道支護(hù)工藝。

張虎接過話茬：“過去，支護(hù)作業(yè)需要兩個(gè)人配合，一個(gè)班次10多個(gè)人下井，一個(gè)人打鉆桿，另一個(gè)打錨桿，耗時(shí)長(zhǎng)不說，作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度也比較大，如今工作效率高了，作業(yè)強(qiáng)度大幅降低。”

順著礦燈，記者看到，煤幫上整齊均勻排列著打入的錨桿，牢牢支撐住這個(gè)地下300米的開闊巷道。

鉆錨一體化智能快速掘進(jìn)技術(shù)裝備，簡(jiǎn)化了支護(hù)流程，提升了巷道支護(hù)速度。該技術(shù)裝備研發(fā)項(xiàng)目執(zhí)行負(fù)責(zé)人、中國煤科首席科學(xué)家姜鵬飛介紹，傳統(tǒng)綜掘機(jī)掘進(jìn)一個(gè)月只能掘進(jìn)200米左右，如今每月能掘進(jìn)1500米以上。

巷道掘進(jìn)提速為何重要？

“因?yàn)樗梢云平饷旱V采掘失衡難題。”中國煤科科技委主任、中國工程院院士康紅普解釋，“我國90%以上的煤礦為井工礦，而井下開采必須先掘巷道。如今，采煤工作面自動(dòng)化、智能化程度較高，相比之下，巷道掘進(jìn)拖了后腿，成為煤炭行業(yè)安全、可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。”

“曹家灘煤礦井下地質(zhì)條件相對(duì)簡(jiǎn)單，我們希望用3到5年時(shí)間，改造完善技術(shù)裝備，讓它應(yīng)用到復(fù)雜地質(zhì)條件中去，在更多礦區(qū)、更大范圍解決巷道掘進(jìn)‘卡脖子’問題。”康紅普說。

跟著中國煤科首席科學(xué)家張金虎，記者又來到曹家灘10米超大采高智能綜采工作面。

抬頭仰望，煤壁比3層樓還高。機(jī)器轟鳴，采煤機(jī)舉起兩個(gè)直徑4.8米的截割滾筒旋轉(zhuǎn)，滾滾“烏金”從煤壁傾瀉而下，再通過刮板輸送機(jī)、皮帶機(jī)等源源不斷地被送往地面煤倉。

采煤工作面為何要提高到10米？

張金虎告訴記者，10米左右的特厚煤層是我國煤炭保供的重要資源。以往采煤一次開采，最大只能到達(dá)8米多。為了盡可能采完特厚煤層，煤炭人只能通過多次分層開采或放頂煤開采。但這種方式在一次開采后，余下的煤層開采難度大，開采成本高。用放頂煤工藝開采，又存在頂部石頭混雜進(jìn)來影響煤質(zhì)的問題。

“提升煤炭開采效益，需要更大采高、更智能的煤炭開采技術(shù)與裝備。”張金虎說。

2023年11月，在曹家灘煤礦，世界首創(chuàng)10米超大采高智能綜采工作面及配套設(shè)備重載試運(yùn)轉(zhuǎn)成功，并采出第一刀煤，我國煤炭一次采全高跨入10米大關(guān)。

“有了這臺(tái)‘采煤利器’，我們單個(gè)工作面煤炭年產(chǎn)量能從現(xiàn)在的1300萬噸提高到2000萬噸以上，產(chǎn)能提升50％以上，煤炭資源回收率提高10%以上。”曹家灘礦業(yè)有限公司副總經(jīng)理韓存地說。

然而，在地下300米挖出10米高的超大空間，采煤工作面上覆巖層和煤壁面臨著巨大的壓力。

“8米以上，采高提高哪怕10厘米，巖層和煤壁控制難度都會(huì)急劇提升。”張金虎說，10米超大采高國內(nèi)外都沒人做過，科研人員闖入煤炭開采裝備設(shè)計(jì)、研發(fā)的“無人區(qū)”，在煤礦支護(hù)、采煤、運(yùn)輸裝備等方面，突破了一個(gè)個(gè)難題。

采煤工作面上，記者看到，100多臺(tái)液壓支架牢牢撐起了工作面的頂板，伸展的護(hù)臂頂住了前方的煤壁。這里每個(gè)液壓支架重達(dá)120噸，具有約2900噸的支護(hù)能力。

從8米多到10米，提升的不僅僅是1米多的支護(hù)高度，更帶動(dòng)了煤炭開采裝備基礎(chǔ)材料、加工設(shè)備、技術(shù)工藝、認(rèn)知理念等全方位躍升。

應(yīng)用需求推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步

煤炭采掘裝備創(chuàng)新，是一次制造向“智造”升級(jí)的探索。

走進(jìn)曹家灘煤礦安全生產(chǎn)指揮中心，大屏幕上，礦井采、掘、機(jī)、運(yùn)等各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的運(yùn)行情況清晰可見。

“即便沒有下井，我也能對(duì)井下的動(dòng)態(tài)了如指掌。”韓存地向記者介紹曹家灘煤礦的管控平臺(tái)：點(diǎn)擊“支護(hù)質(zhì)量智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”，可見每一個(gè)支架的推進(jìn)速度、壓力等信息；再看“人員精確定位系統(tǒng)”，井下工作總?cè)藬?shù)，每位工人的位置、狀態(tài)等信息一目了然。

韓存地告訴記者，工作面上裝有裝備傳感器上萬個(gè)、攝像頭1000多個(gè)，10米超大采高智能綜采成套技術(shù)與裝備擁有復(fù)雜的智慧“大腦”。智能技術(shù)賦能，該工作面具備了在線監(jiān)測(cè)、一鍵啟動(dòng)、遠(yuǎn)程控制及記憶割煤、煤流量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等功能。

隨著掘進(jìn)深入，巷道會(huì)出現(xiàn)變形，如何監(jiān)測(cè)？科研人員在硬件、軟件兩方面齊發(fā)力，開發(fā)出“耳聰目明”的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。掘進(jìn)時(shí)，裝備能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)圍巖變形情況，幫助后期掘進(jìn)工作面動(dòng)態(tài)調(diào)整支護(hù)參數(shù)。

得益于裝備的自動(dòng)化、智能化，以往皮帶班一次下井要20多人，現(xiàn)在只需要5到6人就能完成作業(yè)。“出炭不出炭，就看電機(jī)轉(zhuǎn)不轉(zhuǎn)。我們?cè)桨l(fā)認(rèn)識(shí)到，智能綜采技術(shù)與裝備的性能和水平，是決定現(xiàn)代化煤礦生產(chǎn)效能的關(guān)鍵因素。”韓存地說。

“應(yīng)用需求是技術(shù)進(jìn)步的重要推動(dòng)力。”康紅普說，以10米超大采高智能綜采成套技術(shù)與裝備研發(fā)為例，起初，考慮到研發(fā)難度，科研人員把目標(biāo)定在9米。曹家灘煤礦從生產(chǎn)需求出發(fā)，聯(lián)合論證了研發(fā)10米超大采高智能綜采成套技術(shù)與裝備的必要性。煤礦技術(shù)人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，破解了10米超大采高工作面液壓支架入井難問題。

從事煤炭開采技術(shù)裝備研發(fā)30多年，康紅普下過的礦井多得數(shù)不過來。他告訴記者，現(xiàn)代化的礦井告別低矮狹窄和臟、亂、危險(xiǎn)等環(huán)境，智能綜采技術(shù)與裝備發(fā)揮了重要的作用。

為產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)注入動(dòng)能

近年來，隨著設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、工藝等水平不斷提升，我國高端裝備及技術(shù)取得一系列重大突破，為產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展注入了強(qiáng)勁動(dòng)能。

只需2秒鐘左右，脈沖激光束就能完成孔徑不到0.5毫米的微孔加工。這是華工科技新研制的航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端關(guān)鍵零部件激光加工裝備所具備的能力。

微孔加工有何價(jià)值？華工激光三維五軸產(chǎn)品線總工程師胡軍巍介紹，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室工作時(shí)，溫度最高可達(dá)2000攝氏度左右，為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比，防止零部件“熔化”，需要激光加工極小直徑、特殊角度的氣膜孔，做成冷卻空氣層進(jìn)行冷卻降溫。由于沒有完全掌握相關(guān)工藝，這一度是制約我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的瓶頸之一。

根據(jù)熱端部件的特點(diǎn)，華工科技聯(lián)合華中科技大學(xué)、無錫乘風(fēng)等多家單位，突破一系列關(guān)鍵核心技術(shù)，研制出這臺(tái)激光加工裝備，讓發(fā)動(dòng)機(jī)在快速降溫的同時(shí)，又能給關(guān)鍵部位穿上“保護(hù)衣”，有效提升了我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件加工水平。

作為新型儲(chǔ)能技術(shù)，壓縮空氣儲(chǔ)能具有規(guī)模大、壽命長(zhǎng)、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，其中，壓縮機(jī)和膨脹機(jī)又是壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)中的關(guān)鍵核心技術(shù)裝備。歷經(jīng)多年研發(fā)，中國科學(xué)院工程熱物理研究所團(tuán)隊(duì)攻克了一系列關(guān)鍵核心技術(shù)，研制出300兆瓦級(jí)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)壓縮機(jī)和多級(jí)寬負(fù)荷膨脹機(jī)，并實(shí)現(xiàn)落地應(yīng)用。

中關(guān)村儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟理事長(zhǎng)陳海生說：“裝備的突破，有助于引領(lǐng)先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)，贏得儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展先機(jī)。”

高端裝備研發(fā)，往往涉及機(jī)械、電子、材料等多學(xué)科，單憑一家單位不容易完成。近年來，我國高端裝備創(chuàng)新成果不斷涌現(xiàn)，驅(qū)動(dòng)力來自哪里？康紅普認(rèn)為，當(dāng)前，新一代信息技術(shù)、人工智能、新材料等與生產(chǎn)制造正加速融合，為高端裝備的進(jìn)一步升級(jí)打開發(fā)展空間。

挺起制造業(yè)“脊梁”，打開產(chǎn)業(yè)升級(jí)新空間。從改造提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)到培育壯大新興產(chǎn)業(yè)，再到推動(dòng)現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)體系建設(shè)，高端裝備的支撐作用正不斷顯現(xiàn)。