煤炭采掘裝備向“智造”升級(jí)
著力破解煤礦采掘失衡難題
在一個(gè)年產(chǎn)煤炭量超過(guò)1000萬(wàn)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。
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(kāi)展。日前,記者來(lái)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(chē)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(jiàn)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(kāi)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(guó)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(kāi)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?!爸灰匆幌?,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(shuō)。
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(guó)煤炭科工集團(tuán)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“中國(guó)煤科”)工程師王子越說(shuō)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(guò)話茬:“過(guò)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(shuō),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?!?/p>
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(kāi)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(guó)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(guó)煤科科技委主任、中國(guó)工程院院士康紅普解釋?zhuān)拔覈?guó)90%以上的煤礦為井工礦,而井下開(kāi)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?!?/p>
“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(wèn)題?!笨导t普說(shuō)。
跟著中國(guó)煤科首席科學(xué)家張金虎,記者又來(lái)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(guò)刮板輸送機(jī)、皮帶機(jī)等源源不斷地被送往地面煤倉(cāng)。
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(guó)煤炭保供的重要資源。以往采煤一次開(kāi)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(guò)多次分層開(kāi)采或放頂煤開(kāi)采。但這種方式在一次開(kāi)采后,余下的煤層開(kāi)采難度大,開(kāi)采成本高。用放頂煤工藝開(kāi)采,又存在頂部石頭混雜進(jìn)來(lái)影響煤質(zhì)的問(wèn)題。
“提升煤炭開(kāi)采效益,需要更大采高、更智能的煤炭開(kāi)采技術(shù)與裝備?!睆埥鸹⒄f(shuō)。
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(guó)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(wàn)噸提高到2000萬(wàn)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(shuō)。
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?!睆埥鸹⒄f(shuō),10米超大采高國(guó)內(nèi)外都沒(méi)人做過(guò),科研人員闖入煤炭開(kāi)采裝備設(shè)計(jì)、研發(fā)的“無(wú)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(kāi)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(jiàn)。
“即便沒(méi)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(jiàn)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(wàn)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(kāi)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)?!俺鎏坎怀鎏?,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(shuō)。
“應(yīng)用需求是技術(shù)進(jìn)步的重要推動(dòng)力?!笨导t普說(shuō),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(wèn)題。
從事煤炭開(kāi)采技術(shù)裝備研發(fā)30多年,康紅普下過(guò)的礦井多得數(shù)不過(guò)來(lái)。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(lái),隨著設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、工藝等水平不斷提升,我國(guó)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(méi)有完全掌握相關(guān)工藝,這一度是制約我國(guó)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(wú)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(guó)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(guó)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(shuō):“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)?!?/p>
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(lái),我國(guó)高端裝備創(chuàng)新成果不斷涌現(xiàn),驅(qū)動(dòng)力來(lái)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(kāi)發(fā)展空間。
挺起制造業(yè)“脊梁”,打開(kāi)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)。(喻思南)
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