【出奇“制”勝】

◎本報記者 劉園園

截割滾筒旋轉着破開圍巖，機械手上下揮舞噴塗高強度材料，機械臂有條不紊地安裝錨杆，監測系統自動分析巷道變形情況……

在陝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，是傳統方式掘進速度的數倍。

這位“鋼鐵俠”是世界首套鑽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年研發而成，曾被評爲央企“十大國之重器”。

巷道掘進技術制約煤炭行業發展

掘進與採煤是煤炭生產的兩個基本環節。掘進巷道是第一步，爲煤礦運輸、通風、行人提供必要通道，下一步才能進行煤炭開採。

“過去十幾年，採煤工作面的作業逐步從機械化走向自動化、智能化，採煤的技術水平已經走在巷道掘進技術的前頭。”該裝備研發項目執行負責人、中國煤科首席科學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岩層強度比較低，圍巖支離破碎，容易出現塌方，給掘進和支護帶來巨大挑戰。而且，煤礦回採巷道一般僅使用一到兩年，煤礦開採完即報廢，這對裝備技術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。據統計，我國現有巷道作業人員超70萬人，是採煤工作面作業人員的3倍多。姜鵬飛介紹，其中，爲了防止巷道冒頂，包括鋪設金屬網、鑽孔、安裝錨杆在內的支護環節用人最多、用時最長。這是當前影響煤巷快速成巷的最主要因素。

“拖後腿的巷道掘進技術，已成爲制約整個煤炭行業安全、可持續發展的瓶頸。”姜鵬飛總結道。

作爲我國煤炭科技研發的“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鍵技術與裝備研發，提升煤巷掘進自動化、智能化水平，減少該環節對人工的依賴，降低工人勞動強度。

爲尋求可行方案，2018年，中國煤科康紅普院士研究團隊開啓了持續一年的實地調研，數十次下井，到現場找靈感。

“站在巷道里，面對呼嘯而來的粉塵，眼睛只能眯成一道縫觀察掘進過程。看到如此情景，我們也越發明白開展技術攻關、不斷提高掘進技術水平的意義。”研究團隊成員羅超感慨。

研發方案直擊快速成巷痛點

然而，調研結果不容樂觀——國內外均無成熟的自動化、智能化技術和產品，一切只能靠自己摸索。

調研結束後，大家陸續提出多種解決方案。研究團隊成員王子越回憶，煤巷盾構式掘進方案、龍門架掘進支護方案等先後被提出，又因種種原因先後被推翻。

拿煤巷盾構式掘進方案來說，研究團隊希望借鑑道路橋樑隧道的盾構方式來掘進煤礦巷道。圍繞這個方案研討了半年多，卻發現這條路走不通：相較於其他隧道，煤礦巷道的地層起伏更劇烈、圍巖更破碎，使用盾構機的支護難度更大；巷道底部的岩石強度低，容易導致盾構機陷入破碎的岩層中。

在興奮與失落的循環往復中，前前後後共有8種方案被否決。苦悶與迷茫籠罩着整個團隊。

就在此時，團隊成員通過“頭腦風暴”碰撞出新的思路：研發鑽錨一體化智能快速掘進成套裝備。該裝備集鑽錨一體化錨杆自動支護、巷道表面噴塗護表、隨掘變形動態監測等多項核心功能於一身。

研究團隊最新提出的研發方案直擊阻礙煤巷快速成巷的痛點。例如，在傳統支護方式中，鑽桿是用來鑽孔的杆體，錨杆則是用來打入鑽孔中，加固和支護圍巖的杆體，二者需要反覆輪番上場。傳統的支護步驟繁雜，包括鑽孔、卸鑽桿、安裝錨固劑、安裝錨杆、攪拌及預緊等6道工序。新方案設想採用鑽錨一體化自動支護方法，鑽桿即錨杆，6道工序變1道，對傳統工藝進行根本變革。

巷道表面噴塗護表的設想更是大膽。團隊成員韋堯中說，希望利用機械手在巷道表面噴塗高強度材料，直接替代金屬網鋪設。這種做法，國內外均無先例。

提升掘進速度減少人工成本

把方案變成現實，並不容易。

2019年，裝備研製工作啓動。由於研製的設備新，加工規模小，小廠幹不了、大廠不願幹，最終找到的加工試驗場地極其簡陋。天寒地凍時，研發人員只能跺腳取暖。

一路過關斬將，死磕幾十個技術難題後，裝備最爲核心的部件之一——鑽錨一體化錨杆及配套施工裝置“呱呱墜地”。爲檢驗施工效果，研發團隊駐紮在試驗煤礦7個月，與工人同喫同住，開展井下試驗。

試驗初期，前幾根錨杆安裝一切順利。隨後卻突然出現令人傻眼的一幕：由兩種組分構成的錨固劑沿着不同通路相遇、凝固，裝置如啞炮一般，打不出錨杆了。

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”。怎麼辦？只能繼續白天下井試驗，晚上討論改進措施。

2020年，斷斷續續在巷道中打了近2000根錨杆後，靈感再次乍現。團隊成員在剖析、總結裝置暴露的問題後，開發出一種完全異於市面上相近產品的系統，成功破解錨固劑堵塞施工裝置這一難題。

經過不斷努力，裝置最終實現“一鍵打錨杆”：每次支護時，只需按下按鍵，安裝錨杆的全套工序就會自動完成。

之後，團隊又陸續攻克兼顧強度與安全性能指標的噴塗材料、監測系統圖像識別干擾等9大項、400餘小項技術難題。世界首套鑽錨一體化智能快速掘進成套裝備終於成功下線。

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，工人數量從十幾人減少至幾人，勞動強度也大幅降低。

在煤礦領域嶄露頭角後，這位“鋼鐵俠”迎來更多訂單。今年，有13套鑽錨一體化智能快速掘進成套裝備將推廣應用，爲提高煤炭開發生產能力、保障國家能源安全貢獻力量。