快掘系统中电气传动智能化改造与应用

煤炭行业作为国家经济和能源供应的重要支柱，在未来很长时间仍将是我国的主要能源。我国煤炭开采技术的发展经历了从上世纪80年代人工炮采、到本世纪机械化开采、再到2010年综合机械化作业的提出，目前正逐步向自动化采煤及智能化开采方向迈进。快掘系统通过采用掘、支、运平行推进的运行方式解决了传统掘进工艺中存在的截割效率低、支护效率低、运输效率低、工序均衡性差、辅助作业环节多和人机与环境不协调等问题，但与地面设备相比，仍存在设备智能化程度低、系统集成化欠缺和人员安全保障等问题。王国法院士指出，未来煤矿智能化是煤炭工业高质量发展的核心技术支撑。《国家能源集团煤炭产业“十四五”发展规划》也明确提出要深度融合智慧技术，全面推进煤矿智能化建设。第一套快掘系统于2013年1月25日安装在神东煤炭集团下属的大柳塔煤矿，并于2013年2月6日开始试生产。该快掘系统累计掘进巷道15362m，其中日最高进尺102m，月最高进尺2514m。快掘系统的配套与应用，一方面缓解了煤矿企业日益失衡的产能收益比，降本增效显著；另一方面，解决了传统开采工艺中的重复作业等弊端。快掘系统采用掘、支、运平行作业，合理支护，优化人机配合，极大改善了工人工作面环境，保障了煤矿安全生产。快掘系统经过十余年的发展，由中煤科工集团太原研究院研制的以掘锚一体机为龙头的快掘系统创造了煤巷月进尺3088米的世界纪录。随着人工智能和传感器技术的发展，快掘系统一方面由厂家更新迭代，另一方面针对现存快掘系统，煤矿企业联合厂家结合设备实际使用环境对快掘系统进行了智能化改造升级，提高了设备智能化水平，打造了智能化矿山建设。近年来，国能集团、中煤能集团、晋能集团、陕煤集团等超大型煤炭企业均启动快掘系统智能化改造与建设，在减少下井人员、提升安全生产水平和产能提升方面取得了一系列成果。在煤矿智能化背景下，本文通过对快掘系统的研究，剖析现有快掘系统电气传动装置智能化改造方向，并结合现有改造应用，浅谈快掘系统电气传动当前与未来智能化改造方法及应用。

1快掘系统

传统掘进工艺中，开采效率低，开采后支护衔接不匹配；临时支护需要人工辅助完成，工序劳动强度高；运煤效率低，转接传送带距离短易撒煤；所有工作衔接均需要人员参与，并且繁琐复杂。快掘系统针对传统开采工艺弊端提出了以空间换时间的概念，通过掘、支、运平行作业来实现掘进工艺的平衡。快掘系统主要由掘锚一体机、锚护转载破碎机、连续运输系统等设备构成，如图1所示。掘锚机可实现截割和支护共同作业、平行作业。转载破碎机可将截割较大煤矿进行分解、运输，释放了掘锚机工作潜能。连续运输系统可提升运煤效率。快掘系统施工循环共分为7步，依次是截割、降临时支护、收稳定靴、推进、铺网、开启升临时支护和稳定靴、联网、永久支护，该系统解决了传统掘进中运输和锚护不匹配制约矿井成巷效率的问题。图1快掘系统结构示意图

1.1掘锚一体机

掘锚一体机是煤矿行业中一种用来进行井下巷道掘进和支护的机械设备，如图2所示。它能够完成边掘进边支护的一体化工作，属于集成装备。构成掘锚一体机的结构主要包括龙门机架、钻臂系统、延伸机构、TRS临时支撑系统及液压传动系统。掘锚一体机能够有效解决因为锚杆支护所导致的掘进速度下降问题，该设备是掘进机和锚杆机的有机结合，能够完成两种设备的一体操作，实现共同作业目标，提高了工作效率。掘锚机的应用基础是掘锚一体化技术，这项技术能够使掘进和锚护一起作业。掘锚一体机操作方便简单，作业能力强，设备在提高煤矿作业效率的同时，还可以防止煤矿工作人员在作业时因过度劳累或其他原因导致的问题。以掘锚一体化技术为基础的掘锚一体机，能够缩小空顶距离，保证空顶距离在规定范围之内。此外，掘锚一体机能够在井下作业范围内安装防尘通风系统。图2掘锚一体机

1.2锚护转载破碎一体机

履带式锚护转载破碎机如图3所示，是快掘系统中的重要配套设备之一。它与掘锚一体机、皮带输送机和迈步式自机尾配套使用，可实现煤块落、储、碎和运的机械化流水化作业。锚护转载破碎机的工作是将掘锚机截割出的尺寸较大的煤块进行破碎并均匀地将小尺寸煤块运输给皮带输送机，一方面满足了皮带输送机对煤块尺寸的要求，另一方面该组合不仅降低了掘锚机因大块物料导致故障停机的可能性，也提升了连续作业的自移机尾和皮带输送机的转运能力。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。图3履带式锚护转载破碎机

1.3连续运输系统

连续运输系统主要由皮带输送机和皮带输送机自移机尾组成，如图4所示。其中皮带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，可与巷道内主运皮带输送机连接，从而实现连续快速地将物料运输出巷道。在连续运输系统中皮带输送机结合自移机尾动力单元，实现了工作面前端装备移动时机尾通过液压传动抬升整个架体，再由推移液压单元将左右轨道交替前移，随后架体落下通过轨道前进。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型刚性架，大幅缩短了人工辅助作业时间，减少了作业面人员数量，提高了安全生产指数，同时提升了掘进效率。图4皮带输送机用自移机尾

2电气传动系统智能化改造方案

（1）快掘系统高度集成化设计。设备高度集成化是实现工作面减员、运维一体化的关键。快掘系统操作人员在操作平台即可实现远程智能化操作。将快掘系统中的掘锚机、破碎转载机以及各个子设备整合化一，设备状态依托传感器实时感知，实时监控各设备运行情况；电气传动智能化改进，操作指令高度统一，远程动作实时反馈，提升快掘系统运行效率和人员工作安全指数。（2）电气传动设备故障诊断。快掘系统由多个设备协同运行，任一设备发生故障停机，都会对整个系统造成严重影响。例如，皮带输送机故障时不能将煤炭及时运输出去，堆煤严重时会逆向造成掘锚机故障。因此，利用传感器技术与人工智能相结合，可实现快掘系统电气传动装置在线检测和故障预警、诊断。（3）人员高危行为检测。快掘系统的应用，使得煤炭综采面作业人员大幅减少，并且已基本实现了设备远程操作，进一步减少了工作人员数量。但是人员减少并不能避免设备违规操作的发生，要建立起人员定位和异常行为检测的高危行为检测系统。（4）自适应截割技术。现有快掘系统中的掘锚机电气传动机构无法根据地质三维模型和掘进方案自动调整掘锚机行走方向及姿态，同时掘锚机刀头电传也未实现根据煤岩体硬度自适应调节截割量和转速参数。结合人工智能算法和传感器感知技术可实现快掘系统自主决策，将人员从危险的掘进工作面解放出来，实现“智能化”掘进。3应用实例

（1）宁夏煤业快掘系统智能化升级改造。一直以来，快掘系统智能化改造与国内煤矿综采技术装备的快速发展相比，进展迟缓。宁夏煤业针对自身发展实际和煤矿现状确定并实施了“三步走”的快掘智能升级改造技术路线。近两年宁夏煤业进行设备功率升级，掘进工作面向所有设备远程操控、集中控制等研究与应用，向快掘系统高度集成化设计迈进。宁夏煤业还计划与三一重工、中煤科工太原研究院等科研单位共同攻克快掘系统智能化难点，提高煤矿掘进工效。

（2）龙华矿应用智能快掘后配套系统。该系统稳定可靠，电气传动设备在线监控，智能化程度高，可适用于任何掘锚机，可适应的巷道条件及投入成本仅为传统破碎机、梭车和带式转载机配套总投入的0.5倍，且该系统应用在龙华矿302盘区后，巷道平均月进尺相比原来提升1.5倍。（3）陕西陕煤黄陵二号煤矿以数字技术为煤矿生产科技赋能。通过将掘锚机电控系统与导航技术、环境地图、传感器感知相结合的方式，使掘进装备对自身及周边环境具有可感知性、可度量性，建立了掘进装备－环境的交互关系。通过数字孪生技术，采用路径规划、截割规划、控制系统等相结合的多机自适应协同控制平台进行统一调度和管理，可提高快掘系统电气传动智能化水平，逐渐实现综采工作面少人、无人的目标。

（4）陕西陕煤曹家滩煤矿智能随动连续运输系统。该系统根据自身需求与中煤科工集团共同研制，实现了掘进工作面后配套运输系统智能延伸、连续作业，同时集智能集中供电、集中控制中心于一体，形成了掘、支、锚、运平行作业的快掘系统，在满足智能化掘进工作面建设要求的基础之上，在掘进效率