鑿巖臺車是主要用于煤礦巖巷、隧道鉆爆掘進時鉆鑿炮孔和錨桿孔的大型掘進設備。根據掘進斷面尺寸及巖石性質的不同,配備數量及尺寸不等的鉆臂,鉆臂負責支承、推進、移動對應等級的鑿巖機。按照自動化水平的不同,可粗略分為普通的鑿巖臺車(液壓手動控制)和鑿巖機器人(電腦控制)兩類。一般而言,鑿巖臺車主要由液壓系統驅動機構運動。普通鑿巖臺車通過人工控制閥組的方式實現鉆臂的運動和鑿巖機的正常工作;而鑿巖機器人可以通過人機交互平臺向控制系統發送指令的方式實現炮孔自動定位和自動鉆進,人工干預程度較少,這是今后鑿巖爆破的發展方向。
1. 國外鑿巖臺車發展現狀
國外鑿巖裝備研發企業從20世紀60年代末開始,已研發、生產、銷售了多代鑿巖臺車,1972年,挪威公司便開始了計算機控制定位和鉆孔的試驗。全球市場主要鑿巖臺車生產商包括Epiroc、Sandvik Construction、Furukawa、Komatsu Mining Corp.和J.H. Fletcher等,按收入計,鑿巖臺車前五大廠商共占有超過56%的市場份額,國外主要鑿巖臺車廠商及其典型產品參數如表1所示。據統計,2020年全球鑿巖臺車市場規模為3.65億美元,2021年全球市場規模拓寬至4億美元,預計到2028年將達到5.3億美元(約合35億元),年復合增長率(CAGR)為4.1%。鑿巖臺車的主要消費國家為歐洲,美國,中國等具有較完整工業發展體系的國家和地區。目前歐洲是全球最大的鑿巖臺車市場,占有約36%的市場份額,中國和北美二者占有全球近38%的份額。同時,印度,東南亞地區國家如印尼,泰國等近些年經濟發展很快,具有較大的市場潛力。
2. 國內鑿巖臺車發展現狀
世界上各大公司鑿巖臺車的鉆臂、推進器和操縱系統等主要部件都已實現標準化和系列化。適用范圍廣,零件通用率高,可根據用戶的不同要求組裝成各種型式的臺車,實現了品種的多樣化,同時縮短了產品設計周期,產品更新換代快。
國外大型臺車有定型和非定型兩類。定型臺車的工作斷面規格、鉆臂及其布置、鑿巖機、推進器配套規格,鉆臂安裝基座構件型式、鉆車底盤等均是定型的。當定型鉆車不能適應工程要求(主要是工作斷面、鑿巖生產率和臂數不足)時,則采用專門設計的非定型鉆車。它的主要工作部件如鉆臂、鑿巖機、推進器等與定型鉆車是通用的,不同之處在于根據用戶對掘進尺寸、形狀、掘進速度等不同的要求選配鉆臂數、鉆臂在斷面的布置、安裝基座構件型式、底盤型式、舉升工作平面數量、液壓系統等。
隨著自動化技術的發展及其在鑿巖臺車上的應用,鑿巖臺車呈現出從機械化向自動化 、環保化、多樣化發展的趨勢。國外主要鑿巖臺車廠商均已完成了各自智能化系統的研發和應用,如Epiroc的6th Sense System、Sandvik的iSure和Furukawa的ドリルNavigation等。另外為了適應各種施工的需要,鑿巖臺車還向著大型化和小型化的方向發展。
國內鑿巖臺車和鑿巖機的研制工作起步于1972年。80年代后,我國有計劃地先后從液壓鑿巖技術發展較早、較成功的北歐國家(如瑞典、芬蘭、瑞士等)引進了包括鑿巖臺車在內等一大批施工機械,大大提高了國內隧道機械化施工水平。但直到1998年,才由中南大學主持進行具有自動化功能的鑿巖臺車的研制和開發工作,并取得了一系列豐碩成果[66-67]。近年來,隨著國內裝備制造技術的發展,國產鑿巖臺車技術逐漸成熟,進口設備也開始降價,加之國家大力倡導提高隧道施工機械化水平,液壓鑿巖設備應用逐漸廣泛,但仍以進口設備為主。
1980年我國第一臺用于生產的YYG80液壓鑿巖機的研制成功,拉開了國內研制液壓鑿巖機的序幕[6]。國產液壓鑿巖機和全液壓鑿巖鉆車在引進消化、吸收和創新的基礎上,已經過近30年的技術積累和市場競爭。目前,蓮花山HYD系列鑿巖機及樂清采礦機械廠的YYT系列鑿巖機在國內市場得到了一定的推廣應用。鑿巖臺車方面,國內有部分廠家已經研制出了全液壓鑿巖臺車,如大型臺車有徐工集團TZ3系列鑿巖臺車、中鐵工程裝備DJ3型系列鑿巖臺車等;小型臺車有江西鑫通DW1-31型鑿巖臺車、河北宏遠CYTJ56型鑿巖臺車、四川鉆神CYTJ45型鑿巖臺車等。此外,中國鐵建重工、新筑股份、江西拓山、張家口宣化華泰、山東中煤工礦也均有各自鑿巖臺車產品的研發和推廣。
從目前鑿巖臺車在我國金屬礦山和煤礦巷道掘進中的應用現狀可以看出,幾乎沒有采用自動化、智能化鑿巖設備的案例。國內鑿巖臺車廠商由于研發試驗時間短,且國外公司對設計、控制技術嚴格保密,導致我國研發的鑿巖臺車在推廣應用層面遠遠落后于國外。工程建設單位也往往傾向于應用進口產品,但無法獲得其高端功能的使用授權。從公開報道來看,國外學者在進行科學研究時[6-9],普遍采用自動化水平較高的鑿巖臺車,或直接對鑿巖臺車在施工中暴露出的問題提出改進或升級建議,而國產鑿巖臺車的可靠性和自動化水平尚處于研發階段,無法提供全面有效的驗證結論。
3 國內外智能鑿巖最新發展趨勢
2019年9月,中共中央、國務院印發了《交通強國建設綱要》,推進隧道工程機械裝備研發,推廣智能化、數字化、輕量化、環保型交通裝備及成套技術裝備。2020年2月,國家發改委、能源局等八部委共同印發《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》強調要重點突破智能快速掘進、復雜條件智能綜采等技術與裝備。2021年5月,國家能源局、礦監局《關于支持鼓勵開展煤礦智能化技術裝備研發與應用的通知》指出,要充分認識煤礦智能化技術裝備的重要性,加強基礎理論研究和技術裝備研發,加快高端智能技術裝備成果轉化應用。隨著煤炭供給側結構性改革的不斷深入,煤炭產業結構不斷優化,煤礦生產方式逐步向機械化、自動化、信息化、智能化和清潔化的現代化大生產轉變,原煤生產效率大幅提升,安全生產穩定好轉,新業態發展加快。2021年3月,《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》決議指出,要瞄準人工智能、深空深地深海等前沿領域,實施一批具有前瞻性、戰略性的國家重大科技項目。從國家急迫需要和長遠需求出發,智能化技術已經成為煤礦高效掘進技術和交通隧道基礎建設技術未來的必然發展趨勢,通過智能化技術不僅能夠使操作更加準確,還能夠提高巷隧道掘進效率。
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