文/孫守仁
早在新中國成立初期,大同礦務(wù)局創(chuàng)造的“馬連掘進(jìn)法”“雙孔道循環(huán)作業(yè)法”就在全國大力推廣。煤炭部時期,非常重視掘進(jìn)技術(shù)進(jìn)步和工藝革新,幾乎每年都要組織召開全國性的掘進(jìn)工作會議。國家煤監(jiān)局成立后,十分重視采掘接續(xù),通過《煤礦安全規(guī)程》《防范煤礦采掘接續(xù)緊張暫行辦法》等規(guī)程或文件加強(qiáng)掘進(jìn)的安全生產(chǎn)工作。經(jīng)過全行業(yè)多年的積淀與發(fā)展,掘進(jìn)工作注重理念引領(lǐng),提出的“采掘并舉,掘進(jìn)先行”“一手抓采煤,一手抓掘進(jìn)”成為煤炭生產(chǎn)的重要方針;在全行業(yè)推廣的大同和京西礦務(wù)局的巖石掘進(jìn)經(jīng)驗(yàn)、徐州礦務(wù)局的綜掘經(jīng)驗(yàn)、新汶和淮北礦務(wù)局的光爆錨噴支護(hù)經(jīng)驗(yàn)等發(fā)揮了重要作用;開展了先進(jìn)采掘隊(duì)組和特別能戰(zhàn)斗的隊(duì)伍(掘進(jìn)隊(duì))等達(dá)標(biāo)活動,樹立了行業(yè)的“十面紅旗”;第一臺煤巷掘進(jìn)機(jī)喜獲1978年全國科學(xué)大會頒發(fā)的科技進(jìn)步獎,掘錨一體機(jī)、快掘機(jī)器人、掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程控制技術(shù)與監(jiān)控系統(tǒng)、全斷面高效掘進(jìn)機(jī)、礦用TBM等重大項(xiàng)目研制成功。
我國煤礦賦存條件千差萬別,決定了掘進(jìn)的復(fù)雜性與多樣性。煤礦掘進(jìn)從人工發(fā)展到半機(jī)械化、機(jī)械化,目前已邁向自動化、智能化,形成了以鉆爆法、綜掘法(包括連采機(jī)工法、掘錨一體機(jī)工法)和TBM工法為主的發(fā)展模式。鉆爆法,其發(fā)展早,成本低,技術(shù)相對成熟,但掘進(jìn)效率低、工藝繁瑣、安全性不高,平均月進(jìn)尺在60~80m。綜掘法,目前應(yīng)用最為廣泛,主要有綜掘機(jī)掘進(jìn)、連續(xù)采煤機(jī)掘進(jìn)和掘錨一體化掘進(jìn)三種方式。礦用TBM工法,也叫盾構(gòu)法,根據(jù)開采條件,已在個別煤礦得以應(yīng)用。
新中國成立以來,煤礦掘進(jìn)機(jī)械化從零起步,不斷摸索,不斷進(jìn)步,1978年達(dá)到14.5%,2018年提高到60.4%,為保障煤炭生產(chǎn)供應(yīng)由嚴(yán)重短缺向產(chǎn)能總體寬松和供需基本平衡轉(zhuǎn)變發(fā)揮了重要作用。全國煤炭產(chǎn)量由1949年的3243萬t增加到1978年的6.18億t,2013年創(chuàng)歷史最高峰值39.74億t,2019年為38.5億t。與此同時,實(shí)現(xiàn)了安全事故多發(fā)頻發(fā)向安全生產(chǎn)形勢總體穩(wěn)定的歷史性跨越。1949年,全國煤礦事故死亡731人,百萬噸死亡率為歷史最高22.54。在2000年前后為事故高發(fā)時期,年死亡人數(shù)7000人左右。2019年,全國煤礦事故死亡316人,百萬噸死亡率0.083,為歷史最好水平。
1953年,陽泉礦務(wù)局掘進(jìn)隊(duì)配備C-153型裝煤機(jī),打破了幾百年來煤礦工人人工裝載的作業(yè)方式。1976年我國第一臺煤巷掘進(jìn)機(jī)成功下線。多年來,我國煤礦掘進(jìn)裝備制造水平不斷提升,不僅滿足了國內(nèi)煤炭市場需求,也基本結(jié)束了依靠進(jìn)口的局面。據(jù)統(tǒng)計(jì),到2019年底,我國已累計(jì)生產(chǎn)各類掘進(jìn)機(jī)2.16萬臺,完成產(chǎn)量110.66萬t。特別是2000年以來,隨著煤炭資源的深度開發(fā),掘進(jìn)機(jī)需求量劇增,大功率、重型化掘進(jìn)機(jī)發(fā)展迅速,共生產(chǎn)1.3萬臺,完成產(chǎn)量108.87萬t。目前,我國煤礦掘進(jìn)機(jī)已形成年產(chǎn)2500余臺制造能力,穩(wěn)居世界制造和使用第一大國。
目前,我國可以生產(chǎn)出截割功率達(dá)450kW、行走速度最高10m/min、爬坡能力在-25°~+21°之間、最大截割硬度為f13,適應(yīng)各類煤礦開采條件的懸臂式掘進(jìn)機(jī);掘錨一體機(jī)作為目前最先進(jìn)的掘進(jìn)裝備,國內(nèi)約有10家企業(yè)可生產(chǎn)適用于硬度f≤8、坡度≤8°煤巷掘進(jìn),并配套4~8臂的掘錨一體機(jī);自2009年國產(chǎn)首臺EML340型連采機(jī)問世以來,掘錨連續(xù)采煤機(jī)、可調(diào)高式滾筒露天連續(xù)采煤機(jī)等大型采掘裝備得到應(yīng)用;“十三五”期間,全斷面高效掘進(jìn)機(jī)、復(fù)合式盾構(gòu)機(jī)、全斷面矩形快速掘進(jìn)機(jī)等重大裝備研制成功,在開采條件簡單的大斷面、長距離的煤(巖)巷初步實(shí)現(xiàn)了智能快速掘進(jìn);與此同時,產(chǎn)學(xué)研用單位加快協(xié)同創(chuàng)新,在掘錨一體化、智能綜掘、硬巖快速截割、掘進(jìn)遠(yuǎn)程控制、“5G+”掘進(jìn)應(yīng)用等方面取得重大突破。
據(jù)初步統(tǒng)計(jì),截至2020年8月底,全國煤礦建成智能化采掘工作面401個,其中智能化掘進(jìn)工作面約占1/4,主要有兩種模式:一是基于懸臂式掘進(jìn)機(jī)的智能綜掘工作面;二是基于掘錨一體機(jī)的智能快速掘進(jìn)系統(tǒng)。第一種模式以自動截割為主、遠(yuǎn)程干預(yù)為輔的模式進(jìn)行截割。自動錨桿鉆車遠(yuǎn)程遙控進(jìn)行臨時防護(hù),以人機(jī)協(xié)作的模式進(jìn)行自動鉆孔、自動鋪網(wǎng)、自動打錨桿錨索等作業(yè)。集控中心可進(jìn)行遠(yuǎn)程可視監(jiān)測和集中協(xié)調(diào)控制;第二種模式由掘錨一體機(jī)、錨桿鉆車和自移式連續(xù)皮帶機(jī)組成,實(shí)現(xiàn)探、掘、支、運(yùn)全工序智能化施工,具有超前鉆探、精確定位、自主導(dǎo)航、自動截割、自動支護(hù)等功能。此外,已研制成功智能快掘機(jī)器人系統(tǒng)、智能硬巖掘進(jìn)機(jī)等首臺(套)產(chǎn)品。魯豫部分千米深井、高瓦斯礦、沖擊地壓等災(zāi)害嚴(yán)重礦井建設(shè)了遠(yuǎn)程遙控、記憶截割的掘進(jìn)面,成效明顯。
“采掘并舉,掘進(jìn)先行”。在煤炭開采中,掘進(jìn)巷道服務(wù)年限少的為1~2年,多的超過20年甚至更長時間。2019年,我國83%的煤炭產(chǎn)量來自井工開采,每年掘進(jìn)工程量大約在1.5萬公里,其中,煤巷、半煤巖巷約占總掘進(jìn)工程量的70%。隨著我國煤礦規(guī)模化、集約化的發(fā)展,為滿足年產(chǎn)百萬噸級、甚至千萬噸級超大超長工作面的生產(chǎn),巷道掘進(jìn)年消耗將大幅增加,掘進(jìn)效率已成為煤礦安全高效集約化生產(chǎn)的重要問題。
掘進(jìn)是獨(dú)頭施工,沒有構(gòu)成獨(dú)立通風(fēng)系統(tǒng),迎頭斷層多,頂板破碎,且面臨瓦斯、透水、塌方、冒頂、片幫等眾多事故風(fēng)險,屬于煤礦生產(chǎn)作業(yè)中非常關(guān)鍵且危險的工序。根據(jù)2000—2019年全國煤礦事故統(tǒng)計(jì),瓦斯、水害和頂板事故死亡人數(shù)占到事故總量的2/3以上,且易發(fā)生在掘進(jìn)面,特別是煤與瓦斯突出事故,更易發(fā)生在煤巷掘進(jìn)面,如2017年5起較大及以上煤與瓦斯突出事故全部發(fā)生在掘進(jìn)面;2012—2019年,共發(fā)生瓦斯較大及以上事故176起、死亡1435人,掘進(jìn)面分別占48.9%和34.3%,共發(fā)生水害較大及以上事故58起、死亡364人,掘進(jìn)面分別占58.6%和54.1%,共發(fā)生頂板較大及以上事故65起、死亡314人,掘進(jìn)面分別占27.7%和30.9%,沖擊地壓事故發(fā)生在掘進(jìn)面的也占到了1/4;掘進(jìn)面事故率高的原因,主要有局部通風(fēng)管理混亂、通風(fēng)系統(tǒng)不合理、瓦斯涌出異常、停電停風(fēng)、地質(zhì)資料不清、探放水措施不落實(shí)、在透水征兆明顯的情況下仍盲目違規(guī)組織生產(chǎn)、采掘部署不合理等。所以,抓煤礦安全生產(chǎn),掘進(jìn)安全是重中之重。此外,一旦掘進(jìn)面發(fā)生事故,救援難度相對較大。
目前,我國煤礦從業(yè)人員中,從事采煤、掘進(jìn)、運(yùn)輸?shù)葝徫蝗藛T占比在60%以上,其中,直接從事掘進(jìn)作業(yè)的人員約30萬人。掘進(jìn)作業(yè)普遍具有人員多、強(qiáng)度大、風(fēng)險高、粉塵大、環(huán)境差、噪音大的特點(diǎn),這就要求必須用最安全、最高效、最智能的技術(shù)裝備和管理手段解放工人雙手勞動,改善工人勞動環(huán)境,降低安全風(fēng)險和職業(yè)危害。
掘進(jìn)作為井下安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié),對實(shí)現(xiàn)煤礦少人化、無人化,提高煤礦安全保障能力,促進(jìn)煤礦智能化發(fā)展具有重要意義。近年來,國家有關(guān)部門發(fā)布了很多指導(dǎo)性文件,《煤礦機(jī)器人研發(fā)重點(diǎn)目錄》提出了9種掘進(jìn)類機(jī)器人的研發(fā)應(yīng)用要求;《能源技術(shù)創(chuàng)新“十三五”規(guī)劃》把“掘支運(yùn)一體化快速掘進(jìn)系統(tǒng)”作為集中攻關(guān)類項(xiàng)目;《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》指出要進(jìn)一步減少掘進(jìn)作業(yè)人數(shù),降低安全風(fēng)險,基本實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)工作面減人提效。
對掘進(jìn)工作認(rèn)識還不到位,“重采煤、輕掘進(jìn)”的現(xiàn)象存在。比如,掘進(jìn)相對采煤工作面,平均用工是采煤的3倍,講求“人海戰(zhàn)術(shù)”,勞動強(qiáng)度大、環(huán)境惡劣、危險性高,但工人收入待遇不如采煤工人;一些單位對掘進(jìn)投入相對不足,許多掘進(jìn)設(shè)備都是超期服役。如果按采掘工作面1:2正常接替來估算,掘進(jìn)機(jī)和采煤機(jī)的產(chǎn)量大致是2:1。從2010—2019年全國掘進(jìn)機(jī)與采煤機(jī)產(chǎn)量對比來看,在2015年行業(yè)不景氣的時候,這一數(shù)據(jù)下降到0.78:1,2019年這一比例上升到2.07:1,基本趨于正常。這幾年上升得快,側(cè)面表明在補(bǔ)掘進(jìn)的歷史欠賬。
目前,我國煤礦主要掘進(jìn)工藝還是傳統(tǒng)綜掘,占到全部掘進(jìn)工作面的70%左右。炮掘工藝仍普遍存在,工作面?zhèn)€數(shù)占到全部掘進(jìn)工作面的20%以上。這些工藝在設(shè)備上僅實(shí)現(xiàn)了截割、運(yùn)煤的機(jī)械化或半機(jī)械化作業(yè),其他工藝環(huán)節(jié)仍大量依靠人工作業(yè),嚴(yán)重影響了掘進(jìn)效率和作業(yè)安全性。連續(xù)采煤機(jī)掘進(jìn)、掘錨一體化掘進(jìn)、盾構(gòu)法掘進(jìn)等方式,由于成本投入和煤炭賦存條件等因素限制,尚未得到大量推廣應(yīng)用。
采掘失衡是重大安全風(fēng)險源,是制約安全高效生產(chǎn)的主要因素。采煤技術(shù)裝備總體較掘進(jìn)技術(shù)裝備發(fā)展快。據(jù)對1954—2013年國有重點(diǎn)煤礦的采掘工作面平均個數(shù)相比統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),2006年以前,國有重點(diǎn)煤礦的采掘比始終在1:3以下,2006年以來這一比例上升到1:3以上,說明“十一五”以來,隨著煤炭的深度開發(fā)和綜采發(fā)展,采掘矛盾較為突出。采煤機(jī)械化程度由1978年的32.34%上升到2018年的78.5%,而掘進(jìn)機(jī)械化程度由1978年的14.5%上升到2018年的60.4%。
現(xiàn)代化的智能快掘工作面,煤巷平均月單進(jìn)超過4000m,巖巷達(dá)600m,而有的礦還靠打眼放炮、人工攉煤,煤巷平均月單進(jìn)僅百米,巖巷不足60m;有的礦萬噸掘進(jìn)率只有10米多,僅有兩個掘進(jìn)頭就能保證正常接替,而有的礦高達(dá)近300m,30多個掘進(jìn)頭仍然接續(xù)緊張;有的礦采掘工作面?zhèn)€數(shù)比不足1:2,而有的高達(dá)1:15。這些發(fā)展的不平衡和開采條件、技術(shù)裝備、管理水平、思想認(rèn)識等因素關(guān)系密切。
一是掘支運(yùn)不能平行作業(yè),掘進(jìn)速度相對較快,截割時間占20%左右,而錨護(hù)時間占50%~70%,占用過多工時,而且在沖擊地壓、高瓦斯、深部等復(fù)雜條件礦井,支護(hù)耗時更多;二是后配套系統(tǒng)能力不足,特別是通風(fēng)、除塵、安全監(jiān)控、壓風(fēng)、供水、供電等缺乏統(tǒng)一的設(shè)計(jì)與服務(wù),各系統(tǒng)自身存在很多問題,相互不能高效協(xié)同運(yùn)轉(zhuǎn)。
一是設(shè)備系統(tǒng)間關(guān)聯(lián)性不強(qiáng),智能化程度不高,缺乏通訊、監(jiān)控、聯(lián)動、互鎖等功能,不能實(shí)行集中控制;二是關(guān)鍵裝備自給能力不足,如大功率重型掘進(jìn)機(jī)、連續(xù)采煤機(jī)、掘錨機(jī)組等與國際先進(jìn)還存在一定的差距,仍需要整機(jī)進(jìn)口或引進(jìn)關(guān)鍵元部件。
就掘進(jìn)而言,破巖技術(shù)、掘錨一體化技術(shù)、工藝設(shè)計(jì)、傳動件制造、液壓控制、自動化技術(shù)、截割頭全噴霧功能等與國外先進(jìn)相比,還落后。巖石截割硬度只能達(dá)到f13,截割頭的材料和工藝較國外先進(jìn)差距明顯。
當(dāng)前,更多關(guān)注的是掘錨一體化技術(shù)裝備水平,而輕視了整個工藝環(huán)節(jié),特別是掘進(jìn)過程中的支護(hù)、接續(xù)、推進(jìn)速度、搬家倒面、通風(fēng)系統(tǒng)等。比如,如何優(yōu)化高瓦斯煤礦頂板臨時支護(hù)措施和施工工藝;針對頂板破碎、底鼓等困難,如何優(yōu)化斷面結(jié)構(gòu)和施工工藝;如何研究和優(yōu)化藥卷上藥系統(tǒng),改變鉆錨工藝;此外,開采條件會越來越復(fù)雜,好采的煤會越來越少,這對掘進(jìn)各系統(tǒng)間的工藝匹配要求也會越來越高。
井下掘進(jìn)煤巖塵大,最大的職業(yè)危害就是塵肺病。據(jù)中國煤礦塵肺病防治基金會統(tǒng)計(jì),我國塵肺病患者達(dá)80多萬人,其中60%以上在煤礦,且每年約以3萬例的速度在遞增。有的煤礦掘進(jìn)工作面粉塵濃度在2000~3000mg/m3,呼吸性粉塵濃度在50~60mg/m3,遠(yuǎn)超過國家職業(yè)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。多年來,企業(yè)粉塵危害防治經(jīng)費(fèi)投入相對不足,平均費(fèi)用為噸煤0.18元/月,與安全生產(chǎn)費(fèi)用噸煤15元/月相比,僅占1.2%。此外,控除塵技術(shù)單一、現(xiàn)場管理不到位、工人個體防護(hù)意識不強(qiáng)等問題較為突出。
據(jù)統(tǒng)計(jì),現(xiàn)階段煤炭職工本科以上學(xué)歷約占20%,40歲及以上人員占比45%以上,人才隊(duì)伍建設(shè)亟需加強(qiáng)。其中,一線掘進(jìn)人員平均年齡普遍偏大,平均學(xué)歷較低,職工教育培訓(xùn)和技能提升不夠系統(tǒng)科學(xué)。特別是老礦,掘進(jìn)隊(duì)伍年齡和素質(zhì)結(jié)構(gòu)失衡更為突出,缺乏裝備操作及機(jī)電維修人員,高層次人才嚴(yán)重匱乏,已難以滿足掘進(jìn)技術(shù)裝備快速升級的要求。
安全掘進(jìn)是根本,是最大的民生,要牢固樹立安全發(fā)展理念,堅(jiān)持“無人則安、少人則安”,實(shí)現(xiàn)從“零死亡”到“零傷亡、零傷害”的轉(zhuǎn)變,實(shí)現(xiàn)從“保安全、防事故”到“控風(fēng)險、保健康”的轉(zhuǎn)變,全面提升掘進(jìn)各系統(tǒng)的安全保障能力。
經(jīng)對大型國有煤礦調(diào)查發(fā)現(xiàn),萬噸掘進(jìn)率超過60米的礦,安全壓力相對較大,采掘矛盾相對突出。因此,要努力提高掘進(jìn)的工效、單進(jìn)和開機(jī)率。
掘進(jìn)作為煤炭生產(chǎn)的前關(guān),必須深刻把握綠色開采的根本要求,把“綠色”作為建設(shè)美麗礦山的“底色”,努力做到掘進(jìn)矸石不升井,在掘進(jìn)工作面煤矸的無軌化高效綠色運(yùn)輸、除塵降噪上下功夫。
智能掘進(jìn)是發(fā)展方向。目前,我國基于綜掘機(jī)和掘錨機(jī)初步實(shí)現(xiàn)了兩種模式的智能掘進(jìn),但這些智能快掘工作面普遍沒有實(shí)現(xiàn)集中控制和遠(yuǎn)程操作,真正實(shí)現(xiàn)完全的無人化掘進(jìn)、無人自動錨護(hù)等功能還有一定距離。對此,仍需繼續(xù)努力。
要努力做到掘進(jìn)工作量能少掘則少掘,能掘煤巷不掘巖巷。通過示范引領(lǐng),對標(biāo)先進(jìn),因地制宜,加快分類建成多種類型、不同模式的掘進(jìn)標(biāo)桿工程,促進(jìn)掘進(jìn)工作的均衡發(fā)展。
要注重職工安全健康,創(chuàng)新職工教育和培訓(xùn)方式,努力培育出一批適應(yīng)新時代煤礦發(fā)展要求的專業(yè)化、職業(yè)化人才隊(duì)伍。
對已有的技術(shù)創(chuàng)新成果,要加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè),加快成果轉(zhuǎn)化力度;對核心關(guān)鍵技術(shù)要集中力量進(jìn)行協(xié)同攻關(guān),重點(diǎn)突破智能掘進(jìn)、掘支錨運(yùn)一體化集成、自動化(智能化)綜掘、全斷面硬巖快掘、復(fù)雜地質(zhì)條件智能快掘等重大技術(shù)瓶頸制約,提升原始創(chuàng)新能力。
依托國內(nèi)市場,深入推進(jìn)新一代信息技術(shù)與掘進(jìn)技術(shù)深度融合,加快推進(jìn)綠色制造、智能制造和服務(wù)型制造,破解“低端裝備過剩,高端裝備不足”的難題。要加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研用單位開放合作與共贏,真正讓開放創(chuàng)造機(jī)遇,讓合作破解難題。
要加強(qiáng)制度建設(shè),加強(qiáng)現(xiàn)場管理,加強(qiáng)對標(biāo)管理,注重發(fā)揮典型企業(yè)的示范引領(lǐng)作用,提升企業(yè)現(xiàn)代化管理的科學(xué)化水平。
設(shè)計(jì)工作要具有前瞻性、系統(tǒng)性、戰(zhàn)略性和科學(xué)性,要探索設(shè)計(jì)新模式,簡化掘進(jìn)系統(tǒng),推廣新工藝新成果,以最小投入獲得最大效益。