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突破世界级难题、创造世界纪录“煤海蛟龙”将出海全球市场

来源:华体会登录页面    发布时间:2023-11-30 18:22:17

  中国煤炭科工集团太原研究院老中青三代科研工作者谈科学技术创新历程。 除注明外,本文图片均为澎湃新闻记者 周頔 拍摄

  讲述矿工家庭故事的歌曲《老幺的故事》发行已逾35年,然而时至今日,很多人对煤矿的印象依旧停留在歌曲描述的景象中:人力开采、对环境造成污染、矿难频发。

  中国煤炭科工集团党委委员、副总经理范韶刚在谈到煤矿行业发展历史时指出,新时代的中国煤矿早已旧貌换新颜,在一代又一代煤炭人的共同努力下,中国煤炭正走向高端化、智能化和绿色化。

  推进煤炭安全、绿色、智能开发和清洁、高效、低碳利用,离不开科技对采煤装备的赋能。作为中国煤炭工业科学技术创新的国家队和主力军,中国煤炭科工集团坚持改革创新,不仅设计建造了目前世界最大井工煤矿,研制了世界首台10米超大采高智能化采煤机、大功率定向钻进技术与装备、年产2000万吨智能综采输送装备等先进装备,还建设了世界最长、运量最大的输煤管道。

  特别值得一提的是,中国煤炭科工集团太原研究院有限公司(山西天地煤机装备有限公司)研制出了我国完全拥有自主知识产权的“采掘神器”——煤矿掘支运一体化快速掘进系统。它的出现完全解决了煤巷掘进、支护、运输不能平行作业的世界级难题。

  与传统煤矿需要工人下矿开采的方法不一样,煤矿掘支运一体化快速掘进系统只需要操作工人在安全位置按下几个按钮,系统就能自动采掘,工作量能达到了原来的3-4倍。这套系统首尾最长可达200多米,掘进速度超乎想象,也被业内形象地比作“煤海蛟龙”。

  近日,在国务院国资委新闻中心主办的十个维度看中国——“走进新国企·打卡新坐标”网络互动传播活动中,澎湃新闻()记者走进中国煤科太原研究院与陕西黄陵煤矿,对话中国煤炭科工集团首席科学家、快速掘进系统总设计师王虹及太原研究院科研团队,实地探访“煤海蛟龙”工作实景,见证科技赋能煤矿开采的中国速度。

  在中国煤科太原研究院的制造车间,记者看到了正在装配的“煤海蛟龙”及系列装备。

  “煤海蛟龙”系统由掘锚一体机、锚杆转载机、柔性连续运输系统和协同控制平台等部分所组成,根据不同地质条件定制配套方式,首尾最长可达200多米,重量高达230多吨。

  “煤海蛟龙”的头部装有可伸缩的巨大滚筒,滚筒上面嵌着利齿,这部分设备负责煤矿挖掘。在“煤海蛟龙”前部、滚筒的下方有两个旋转的耙爪,是“煤海蛟龙”的舌头,负责把滚筒割下来的煤块源源不断地拨到“嘴”里,而龙的脊椎和顶部、侧面的龙爪负责支护,“煤海蛟龙”的身体内部有传送装置,负责运输已经挖下来的煤炭。与此同时,掘锚一体机和锚杆转载机搭载的锚钻系统能对巷道的顶板和侧帮进行同步支护,既保证了作业效率,又保障了作业人员和设备的安全。

  由于不同矿区在煤层厚度、坡度、围岩条件、单向抗住压力的强度需求各有不同,“煤海蛟龙”也应该要依据煤矿企业需求来做个性化定制,也衍生出了一系列产品。

  记者看到一款由煤炭企业定制的机载钻架连续采煤机已经装配完成等待交付,其适用于中厚煤层中等稳定围岩条件的边角煤、不规则块段和“三下”压煤资源的连采连充采掘作业。针对连采连充采掘作业特点,开展多系统耦合设计,保证整机机动性,模块化集成锚护系统、临时支撑和作业平台,实现连采连充工作面高效作业、随采随支和灵活调机。

  而另一款掘锚一体机则是针对我国半煤岩巷道掘进而开发的掘锚一体化装备。设备集截割、装载、运输、行走、锚护、湿式除尘于一体,能同步完成掘进和支护作业,采用全宽截割滚筒一次成巷,实现巷道快速掘进高效作业。

  王虹和记者说,“煤海蛟龙”的核心是掘进、支护、运输平行作业,把原来分散的多种设备的工作集合到一条作业线上,极大缩减了传统掘进设备来回调度的时间,也提升了掘进的机械化和智能化的水平;配套的仿生柔性连续运输系统,不需要来回搭接皮带就能够完全满足一个圆班的生产需求,煤矿掘进速度极大的提升。与原有掘进方法相比,掘进速度提高2-3倍,作业人员减少2/3。

  “煤海蛟龙”的研发生产,离不开持续高比例的研发投入。据介绍,中国煤科太原研究院2021年研发经费投入强度达11.1%,而2022年继续增长至12%。

  在接受澎湃新闻记者采访时,王虹表示,目前我国有4000多处煤矿,每年新掘进的巷道总长超过1万公里。任何掘进技术上的小改进,辐射到行业,都能带来非常大改变。在“割得动”“支得住”的同时,要实现“掘得快”。“提高掘进效率,更新快掘技术,这样的一个问题不可以忽视,也不能绕着走”。

  在煤炭行业从业超过40年的王虹,深知装备技术进步对安全生产的重要意义。1982年,刚刚大学毕业的他曾在徐州某煤矿实习,一天下井到一半就被带队师傅强行劝回,上到地面后他才了解到,井下掘进巷道发生塌方,5死13伤,而当年全国煤矿安全事故死亡超过6000人,其中掘进巷道死亡超过2300人。

  “那时就是人海战役,一个掘进队用120人,用的是打眼放炮。”这对于刚毕业的王虹而言是强烈的震撼,他表示一定要在装备设计方面有所作为。随后,王虹主动承担国家课题,不久后被任命为“八五”期间重点科技攻关项目“重型悬臂式掘进机研制”课题组组长。

  此后几十年里,王虹致力于综掘理论、技术、装备研发,并组建我国第一支重型掘进机研发团队,主持开发我国首个大型综合性掘进实验室,研发出我国首台具有自主知识产权的掘进机,并持续开展掘进技术迭代创新。作为我国煤矿巷道综合机械化掘进的学科带头人,王虹主持研究了被誉为“煤海蛟龙”的“掘支运一体化快掘掘进成套技术与装备”,创造了多项掘进速度世界纪录,实现我国掘进领域的中国创造。

  到2023年底,智能煤机产业链营业收入力争达到400亿元,“十四五”末,产业链配套率提升至50%。而其中,也有中国煤科太原研究院作为“链主企业”的带动功劳。

  王虹表示,中国煤科太原研究院主要聚焦产业链的两头,而中间环节则要带动产业链中的供应商共同创新。他谈道,从价值链角度考虑,如果“煤海蛟龙”的每一个制造环节都由中国煤科太原研究院完成,显然是不经济的,品质也不见得能做到最好,需要产业链上下游协同发展。

  谈及未来,王虹和记者说,“煤海蛟龙”已经走在了世界前沿,未来将聚焦全球高端市场进行出口。“在做好专利部署、知识产权保护的同时,我们要进行开放式创新、集成创新”,“只有不停地改进革新、逐步的提升性价比,才能保持领先国际水平三年的技术优势,性价比永远赶不上我们。”

  “煤海蛟龙”究竟有多厉害?自其诞生以来,它和家族成员接连打破了一系列国内和世界纪录,至今难逢敌手。

  2014年,全球首套高效快速掘进系统在神东煤炭集团大柳塔煤矿应用,累计掘进5万余米,日最高进尺158米,月最高进尺3088米,创造了煤矿井下稳定围岩条件大断面单巷掘进进尺世界纪录。

  2018年,该系统在陕投集团汇森凉水井煤矿中等稳定围岩条件下累计进尺突破9000余米,单日最高进尺75米,单月最高进尺1506米,创下该矿建矿以来单月最高进尺纪录。

  2020年,该系统在陕煤集团黄陵矿业二号煤矿创下了全国煤炭行业复杂围岩地质条件下,单日进尺最高34米、月进尺680米的最高进尺纪录。

  2022年3月,复杂围岩条件煤巷掘支运一体化快速掘进系统在淮河能源西部煤电集团应用时,实现月进尺856米,创造了西部煤电集团建井以来的掘进进尺新纪录,同时刷新了国内复杂围岩地质条件掘进进尺新纪录。

  2022年5月,中等稳定围岩条件煤巷掘支运一体化快速掘进系统在鸿瑞集团掘进面连续工作5个月,创造了单班进尺50米,圆班进尺87米,月进尺2086米的建矿纪录,同步刷新了中等稳定围岩地质条件掘进进尺新纪录。

  2022年8月,中国煤科太原研究院自主研发的露天边帮绿色安全开采成套装备在中煤平朔正式投产使用。整套系统实现无人安全开采最大深度205米,累计采铜62个,累计回收边帮压煤 32 万吨,单月最高产量突破 6 万吨,实现了我国大型露天矿边帮开采的重大突破,标志着我国边帮开采工艺技术体系日趋成熟,具备了在大型露天矿全面推广的条件。其边帮回收经验做法入选《2022煤炭行业标杆蓝皮书》。

  2022年9月,我国首套钻锚一体化智能快掘系统(快掘系统4.0)在陕煤曹家滩公司地面联调成功并正式下线,标志着我国煤炭行业快速掘进技术与装备智能化水平迈上新台阶。

  目前,“煤海蛟龙”在国内的市场占有率排名第一,在内蒙、陕西、山西等煤矿大量投入到正常的使用中。除了满足国内市场,“煤海蛟龙”的部分型号也出走海外,2020年,薄煤层短壁机械化开采成套装备实现首次出口,在印度等多个国家和地区成功应用。

  2008年11月,国家发展和改革委员会下发《关于煤矿采掘机械装备国家工程实验室项目的复函》(发改委高技[2008]2629号),批准由中国煤炭科工集团太原研究院有限公司等3家单位联合建设煤矿采掘机械装备国家工程实验室,并于2012年通过验收挂牌运行。

  煤矿采掘机械装备国家工程实验室是国内唯一的采掘机械装备工程实验室,由中国工程院院士、采矿工程专家康红普领衔,以提高煤炭资源回收率的关键技术与装备、安全高效的采掘技术与装备为技术方向,聚焦煤矿采掘装备智能化技术、绿色清洁动力辅助运输关键技术、煤矿智能化采掘装备技术标准体系与检验认证等领域。

  主要从事煤矿采掘装备载荷谱系研究、煤矿采掘装备自主截割研究、冲击振动危害研究、截齿与截割机理研究等基础研究,同时实验室也面向应用开展煤矿采掘数字孪生技术探讨研究、煤矿采掘装备国家/行业安全标准研究、煤矿采掘装备远程运维技术探讨研究、煤矿井下采掘装备导航定位系统研究、矿用防爆新能源电池技术探讨研究等。

  此外,中国煤科太原研究院建立了矿用掘进装备安全准入分析验证实验室、矿用胶轮运输装备安全准入分析验证实验室等。

  目前,矿用掘进装备安全准入分析验证实验室新建3套分析验证系统,共54台套设备,包括了掘进装备整机安全性能分析验证系统、掘进装备行走安全性能分析验证系统、截割部安全性能分析验证系统。矿用胶轮运输装备安全准入分析验证实验室建设了3套分析验证系统,共80台套设备,最重要的包含矿用胶轮运输装备动力安全性能分析验证系统、矿用胶轮运输装备制动器安全性能分析验证系统、矿用胶轮运输装备整机安全性能分析验证系统等。

  据介绍,安全准入实验室提升矿用掘进装备、矿用胶轮运输装备安全性能分析验证和科学实验研究能力填补国内检验能力的空白,促进行业技术进步,为有关技术标准、规范制修订提供相关依据,提高了在掘进装备、胶轮运输装备领域的技术实力和行业引领力,实验室综合能力达到国际先进水平。

  在煤矿开采过程中,复杂多变的地质条件往往会成为制约掘进的阻碍。为了在该领域实现创新,破解世界级难题,2018年中国煤科太原研究院和黄陵矿业公司合作,开启了复杂地质条件下的快速掘进技术的探索之路。

  黄陵矿业公司水、火、瓦斯、煤尘、顶板、油型气、油气井七害俱全,在如此复杂地质条件下,探索快速掘进在整个行业都没有先例。

  2019年1月16日,经过与中国煤科太原研究院1年多时间的反复研究和论证,复杂条件下快速掘进成套设备在二号煤矿正式组装下线。投运后的当月,快速掘进成套设备就创造了26天350米的惊人纪录,与普通掘进设备月进尺200余米相比,快速掘进成套设备效率提升了将近75%。

  “谁都没想到,成绩会这么好。统计数据出来当天就在矿区传开了。”谈起快速掘进,当时负责全矿机电设施工作的二号煤矿总经理易瑞强,至今记忆犹新。

  经过一年半时间的磨合期后,2020年8月,在二号煤矿井下305胶带巷掘进工作面,快速掘进成套设备创下了单日进尺34米,月进尺680米的骄人“战绩”,刷新了当时全国复杂地质条件下快速掘进设备的掘进进尺新纪录。

  在陕煤集团黄陵矿业公司二号煤矿调度指挥中心,记者看到位于地面控制中心的工作人员按下一键启动按钮,操作屏幕上即刻显示掘锚机、运锚机、可弯曲皮带机依次启动运转,锚索机器人自动开始打钻。

  据介绍,利用地质模型CT切割技术、大数据分析智能决策技术、综采设备空间导航定位及精准控制技术,实现对采煤机、液压支架等开采设备的精准定位导航、自主规划截割,形成了全工作面、全生产的全部过程无需人工干预的规划截割生产模式。

  工作人员和记者说,黄陵矿业公司智能掘进系统成功解决因回采速度加快而导致的采掘接续紧张问题,破解了高瓦斯矿井、复杂地质条件下快速掘进难题,实现掘、支、运平行作业,为灾害治理赢得“时间”和“空间”,同时引入智能可视化打钻系统,形成钻机集群,提高巷道掘进速度和进尺水平。

  目前,黄陵煤矿成功应用了智能化快速掘进系统多套,实现了掘、支、运平行作业一次成巷,掘进效率翻倍及地面远程控制,每年节约的人力成本达2000万元、节约的装备成本达1600万元。