□本報記者 彭溢
春寒料峭，在雙鴨山雙陽煤礦千米井下，不足一米高的極薄煤層間，一臺“矮個子”采煤機正精準“啃割”著煤層。在地面調(diào)度中心，屏幕上實時跳動著井下地質(zhì)數(shù)據(jù)、設(shè)備運行參數(shù)，工作人員輕點鼠標即可遠程操控整個采煤流程，昔日“連轉(zhuǎn)身都困難”的艱苦作業(yè)區(qū)，如今已實現(xiàn)高效安全的智能化開采。
這一場景，是黑龍江省首批“揭榜掛帥”重大科技攻關(guān)項目“黑龍江省極薄煤層智能開采關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)與示范”的突破性成果。該項目由黑龍江科技大學牽頭，聯(lián)合北京大學、哈爾濱工業(yè)大學等13家企事業(yè)單位和科研院所，破解了極薄煤層開采中設(shè)備適配難、通信傳輸難、地質(zhì)精準建模難等“卡脖子”難題，喚醒了厚度僅0.7米~1.0米的“沉睡富礦”，項目研究成果達到國際領(lǐng)先水平，為我國極薄煤層安全高效智能開采提供了可復(fù)制、可推廣的“龍江方案”。
煤機“瘦身” 毫米級攻關(guān)打造“矮個精英”
“我國薄煤層儲量占煤炭總儲量的20%，產(chǎn)量卻僅占10%左右。尤其在黑龍江東部礦區(qū)，優(yōu)質(zhì)薄煤層賦存比率達50%，但受作業(yè)空間狹小、地質(zhì)條件復(fù)雜等制約，大量極薄煤層資源長期‘沉睡’?！表椖繄F隊負責人、黑龍江科技大學智慧礦山學科交叉研究院院長劉永立介紹。2021年，黑龍江省設(shè)立首批“揭榜掛帥”重大科技攻關(guān)項目，“極薄煤層智能開采”因其戰(zhàn)略意義重大、技術(shù)難度極高，成為重中之重。劉永立牽頭組建攻關(guān)團隊，攜手龍煤雙鴨山礦業(yè)有限責任公司，在千米井下打響了一場“夾縫掘金”的攻堅戰(zhàn)。
“薄煤層采煤，最難解的就是‘小空間’和‘大功率’這對矛盾?！痹诤邶埥萍即髮W實驗室，項目團隊成員、黑龍江科技大學教授吳衛(wèi)東指著極薄煤層智能開采成套裝備模型，點出了攻關(guān)路上的第一道難關(guān)。
煤層越薄，煤體越硬韌，開采所需的裝機功率高達500千瓦~900千瓦，是中厚煤層開采總功率的2倍~4倍。常規(guī)采煤機機身長、機面高，根本無法在這樣的方寸之地立足，如何讓龐大的采煤機械“瘦身”，成為團隊首先要突破的課題。
最讓團隊絞盡腦汁的是，設(shè)備裝上傳統(tǒng)傳動結(jié)構(gòu)，高度直接破800毫米，薄煤層根本沒法用?！澳懿荒馨褷恳齽恿σ瞥鋈?？”一次研討會上，吳衛(wèi)東教授的提議打破了僵局。團隊大膽把牽引動力移到巷道兩側(cè)，就像拉爬犁似的牽引設(shè)備移動，既省出中間空間，又避免了變頻諧波干擾通信。同時，選用高強度材質(zhì)替代原有材質(zhì)，讓設(shè)備剛度和耐磨性大幅提升。
為進一步壓縮電機體積，團隊決定將電壓從1140伏升壓至3300伏，這意味著所有電氣元件都要重新布局。僅接線柱爬電安全距離，團隊就設(shè)計了幾十個方案，經(jīng)過無數(shù)次仿真模擬、力學計算和強度校核，整整三四個月，終于將設(shè)備高度從630毫米壓至588毫米，還硬生生多擠出20多毫米的過機空間。
當?shù)谝慌_樣機下井測試，看著這臺“矮個精英”在極薄煤層中靈活穿梭，老礦工們激動地圍著機器轉(zhuǎn)了三圈：“這設(shè)備，可比我們彎腰采煤利索太多了！”
除了采煤機，團隊還研發(fā)了輕量化分體式綜采液壓支架、變頻永磁一體刮板輸送機等成套裝備，實現(xiàn)了“三機”智能化協(xié)同運行。數(shù)據(jù)顯示，智能化裝備投用后，極薄煤層開采效率從每月1.5萬噸~2萬噸提升至4萬噸~5萬噸，作業(yè)人員從20人左右減至5~6人，徹底改變了傳統(tǒng)極薄煤層開采“效率低、勞動強度大、安全風險高”的困境。
5G破局 為深井布設(shè)“神經(jīng)中樞”
極薄煤層工作面空間狹小、電磁干擾強，充斥著水霧、煤塵，還有大量金屬設(shè)備阻擋信號，常規(guī)5G設(shè)備根本無法部署?！熬拖裨诨鸩窈欣镅b基站，既要小巧玲瓏，又要信號滿滿?！痹诤邶埥萍即髮W地下模擬礦井，負責通信技術(shù)攻關(guān)的黑龍江科技大學教授楊慶江形象地說。如何在這樣極端的環(huán)境下構(gòu)建穩(wěn)定、高效的5G通信網(wǎng)絡(luò)，成為制約智能開采的第二道難關(guān)。
在團隊攻堅克難的過程中，一次“紅臉”爭論換來了關(guān)鍵突破。那是2023年深秋的一天，井下礦燈的光暈里飄著未散盡的煤塵，楊慶江團隊已經(jīng)奮戰(zhàn)了6個小時，他們帶到井下的通信方案又失敗了?！氨仨氃賶嚎s，否則無法固定安裝。”龍煤雙鴨山礦業(yè)有限責任公司機電副總工程師祝永濤語氣堅定。
“可再壓縮會影響信號穩(wěn)定性，我們已經(jīng)測試了8套方案，再改參數(shù)風險太大?！惫枮I工業(yè)大學教授吳瑋反駁道，手里的圖紙被捏得發(fā)皺。
這場爭論從下井后就沒停過，團隊成員的工服被汗水浸透，臉上沾著煤污，誰都不肯讓步?！坝眯孤┨炀€！既能縮小體積，又不影響信號。”就在陷入僵局時，黑龍江科技大學教授劉付剛的提議讓眾人眼前一亮，大家立刻對泄漏天線安裝方案進行設(shè)計與論證。
4個小時后，團隊終于就安裝方案達成一致。經(jīng)過3個月的安裝調(diào)試，井下終于傳來歡呼聲。測試數(shù)據(jù)顯示，極薄煤層工作面5G信號上下行速率、時延等關(guān)鍵技術(shù)指標均達《煤礦5G通信系統(tǒng)安全技術(shù)要求》的標準。這是國內(nèi)首次實現(xiàn)5G在極薄煤層工作面的成功部署。
“井下設(shè)備運行狀態(tài)、瓦斯?jié)舛?、頂板壓力等?shù)據(jù)都能毫秒級傳至地面，極薄煤層工作面終于有了‘千里眼’‘順風耳’。”楊慶江指著調(diào)度中心大屏自豪地說。這一突破，為智能開采搭建了“神經(jīng)中樞”，有力推動了煤炭開采由傳統(tǒng)經(jīng)驗驅(qū)動向數(shù)據(jù)智能驅(qū)動的深刻變革。
地質(zhì)“透視” 為開采裝上“精準導(dǎo)航”
“極薄煤層賦存極不穩(wěn)定，頂?shù)装迤鸱兓?，稍有不慎，采煤機就會割到巖石，不僅損壞設(shè)備，還可能引發(fā)頂板事故。就像在刀尖上跳舞，每步都得精準定位?！必撠煹刭|(zhì)建模的劉永立教授告訴記者，構(gòu)建高精度地質(zhì)模型，實現(xiàn)對煤層的“精準透視”，是智能開采的前提，也是團隊面臨的第三道難關(guān)。
建模過程中，最大的困難是保證地質(zhì)模型精度，能夠支撐透明化智能開采。極薄煤層工作面空間狹小，人在里面根本直不起腰?！懊看蜗戮家成?0多斤重的探測儀器、自救器和礦燈，像壁虎一樣爬著探測?！眲⒂懒⒕砥鹨滦?，手臂上還留著被巖石刮傷的疤痕。200米長的工作面，探測得在兩三個小時的窗口期內(nèi)完成，大家都在與時間賽跑。每天探測結(jié)束，大家滿身煤塵，只剩牙齒是白的，常常要靠聲音才能認出彼此。
經(jīng)過日復(fù)一日的“爬行探測”，團隊積累了海量地質(zhì)數(shù)據(jù)，并融合鉆探、物探數(shù)據(jù)，用計算機建模技術(shù)構(gòu)建起精度達0.1米的極薄煤層三維地質(zhì)模型。“這項技術(shù)徹底告別了極薄煤層‘盲目開采’，實現(xiàn)了‘精準開采’?！饼埫弘p鴨山礦業(yè)公司副總工程師韓國平評價道。有了高精度地質(zhì)模型，采煤機可以提前規(guī)劃開采路徑，自動調(diào)整滾筒高度，既避免了割到巖石、損壞設(shè)備，又提高了資源回收率，降低了安全風險。此外，團隊建立的智能通風模型，可根據(jù)井下作業(yè)情況，自動調(diào)節(jié)風量，保障井下空氣質(zhì)量，為作業(yè)人員營造安全的工作環(huán)境。
在去年9月省科學技術(shù)廳組織召開的結(jié)題驗收會上，專家組一致認為，該項目實現(xiàn)多項關(guān)鍵技術(shù)突破，研究成果達到國際領(lǐng)先水平。目前，項目研發(fā)的成套技術(shù)與裝備，已在黑龍江、云南、陜西等地推廣應(yīng)用，生產(chǎn)效率提升200%以上，新增煤炭產(chǎn)能150多萬噸，煤礦企業(yè)新增營業(yè)收入超過6億元，實現(xiàn)了減人、提效、增安的目標。
談及未來，劉永立表示：“團隊將繼續(xù)深耕極薄煤層智能開采領(lǐng)域，加強技術(shù)研發(fā)與成果轉(zhuǎn)化推廣力度，為保障國家能源安全、區(qū)域經(jīng)濟高質(zhì)量振興發(fā)展貢獻更大力量。”