四臺(tái)煤礦薄煤層自動(dòng)化工作面設(shè)備配套技術(shù)研究

安天柱，孟二存

(1.太原煤氣化公司機(jī)械動(dòng)力部，山西太原030024;2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京100013)

同煤集團(tuán)四臺(tái)礦是設(shè)計(jì)能力5Mt/a的現(xiàn)代化礦井，四臺(tái)井田位于大同煤田西北部，井田面積73km2，井田內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，斷層、褶皺和陷落柱發(fā)育，水文地質(zhì)條件簡單。井田內(nèi)賦存侏羅系大同組煤系地層，現(xiàn)薄煤層開采為14層。最近幾年，四臺(tái)礦薄煤層開采比重相對(duì)增加，但因薄煤層開采技術(shù)和裝備一直相對(duì)落后，與中厚煤層開采相比有相當(dāng)大的差距，嚴(yán)重影響了四臺(tái)礦的產(chǎn)量、效率和經(jīng)濟(jì)效益的提高，阻礙著高產(chǎn)、高效礦井建設(shè)。為了大幅度提高薄煤層工作面單產(chǎn)和效率，改變薄煤層開采技術(shù)落后面貌，推進(jìn)雙高礦井建設(shè)，同煤集團(tuán)首先在四臺(tái)礦進(jìn)行兩硬條件下薄煤層自動(dòng)化工作面開采技術(shù)的研究。

1 地質(zhì)條件

四臺(tái)礦 14層煤層厚度 1.3～1.7m，平均1.5m;煤層堅(jiān)固性系數(shù)f=2～3。直接頂巖性為細(xì)砂巖或砂頁巖互層，直接底為中細(xì)砂巖，堅(jiān)固性系數(shù)f均為7～10。瓦斯絕對(duì)涌出量3.2m3/min，相對(duì)涌出量1.2m3/t;正常涌水量0.25m3/min，最大涌水量0.75m3/min。

2 薄煤層工作面設(shè)備配套特點(diǎn)和要求

薄煤層由于采高低、空間小，要求“三機(jī)”配套尺寸盡可能小，以滿足工作面開采的要求。作業(yè)空間狹小給設(shè)備的安裝、維修帶來了一系列問題，因此要求采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架具有高可靠性。

由于作業(yè)空間狹小，工人進(jìn)出工作面特別困難，因此要求工作面設(shè)備自動(dòng)化程度高，在巷道控制工作面設(shè)備，工作面達(dá)到無人或少人狀態(tài)。

薄煤層支架推溜時(shí)容易發(fā)生俯仰姿態(tài)，造成刮板輸送機(jī)“扎底”和“漂溜”問題，因此需要在刮板輸送機(jī)上設(shè)計(jì)調(diào)斜裝置。在推溜前系統(tǒng)通過調(diào)斜裝置使刮板輸送機(jī)前部扎底，把浮煤鏟到刮板輸運(yùn)機(jī)上，解決了刮板輸運(yùn)機(jī)上漂及浮煤清理問題。

由于設(shè)備配套尺寸小，容易發(fā)生裝煤效果差及采運(yùn)不匹配問題，要求系統(tǒng)采用分段多輪推溜控制。通過分段推溜解決運(yùn)輸機(jī)推進(jìn)時(shí)的溢煤問題以及由于采煤機(jī)過煤高度不足引起的采運(yùn)不匹配。

3 配套技術(shù)研究

3.1 工作面基本條件

巷道斷面皆為矩形斷面，運(yùn)輸巷斷面尺寸(寬×高)4.3m×2.6m，回風(fēng)巷斷面尺寸 (寬×高)3.8m×2.6m，工作面上下巷之間煤壁距離180m。

3.2 工作面巷道布置

為了實(shí)現(xiàn)工作面少人化甚至無人化，根據(jù)四臺(tái)礦煤層頂、底板條件，巷道沿底板掘進(jìn)，巷道高度保持2.6m，煤層厚度為1.6m，巷道內(nèi)布置2架端頭支架，具體布置方式如圖1所示。

3.3 工作面“三機(jī)”配套

3.3.1 總體配套要求

由于煤層變化范圍為1.2～1.6m，且有斷層和陷落柱，為了適應(yīng)煤層變化要求，液壓支架結(jié)構(gòu)高度確定為850～1800mm;支架工作阻力選擇為4400kN，采煤機(jī)選用MG250/560－WD電牽引采煤機(jī)，采用2×125 kW雙電機(jī)橫向布置，增大電機(jī)功率，減小結(jié)構(gòu)外形尺寸。刮板輸送機(jī)選用SGZ764/400，電機(jī)功率為2×200kW，鏈條選用2－φ26×92－C。工作面主要配套設(shè)備型號(hào)見表1。

圖1 巷道設(shè)備布置

表1 工作面配套設(shè)備

圖2為工作面“三機(jī)”配套圖，由圖可知，MG250/560－WD采煤機(jī)和SGZ764/400刮板輸送機(jī)配套后機(jī)面高度為860mm，最小采高為1.2m，過煤高度為313mm。由于過煤空間小，裝煤效果差，采運(yùn)不匹配，推移系統(tǒng)采用分段多輪推溜控制功能，保證煤流順暢。

圖2 工作面三機(jī)配套

3.3.2 液壓支架配套要求

液壓支架配備北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司的SAC型電液控制系統(tǒng)，具有如下功能:

(1)液壓支架可實(shí)現(xiàn)單動(dòng)作控制和順序動(dòng)作自動(dòng)控制。

(2)液壓支架成組程序自動(dòng)控制，包括成組自動(dòng)移架、成組自動(dòng)推溜、成組調(diào)斜及成組噴霧動(dòng)作等。

(3)具備初撐力自動(dòng)保持功能，能夠帶壓移架功能。

(4)具有急停、閉鎖操作。

(5)液壓支架跟隨采煤機(jī)的自動(dòng)控制功能。

(6)在巷道的控制臺(tái)上可以實(shí)現(xiàn)液壓支架的遠(yuǎn)程集中控制。

(7)工作面配置視頻系統(tǒng)，可以在工作面巷道進(jìn)行工作面設(shè)備的集中監(jiān)測(cè)。

(8)具有本安型LED照明系統(tǒng)，進(jìn)行工作面煤壁、巷道照明。

(9)系統(tǒng)具有分段推溜、多輪推溜等多種操作方式，可以均衡加載裝煤，使刮板運(yùn)輸機(jī)上的載荷均衡。

3.3.3 采煤機(jī)配套要求

MG250/560－WD采煤機(jī)配置工作面巷道監(jiān)控系統(tǒng)，電控系統(tǒng)能夠進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。采煤機(jī)電控系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?，與綜采自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行雙向通信，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的遠(yuǎn)程控制，包括控制滾筒及牽引等動(dòng)作;采煤機(jī)配備攝像系統(tǒng)，遠(yuǎn)程監(jiān)視滾筒截割情況;采煤機(jī)具有記憶截割、能夠自動(dòng)截割三角煤;為防止采煤機(jī)與支架干涉，采煤機(jī)具有傾角調(diào)整功能，并可顯示傾角值，當(dāng)傾角超過設(shè)定值時(shí)可報(bào)警。

3.3.4 刮板機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)配套要求

刮板機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)的配套要求控制其軟啟開關(guān)具備數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?，與綜采自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行雙向通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

3.4 綜采自動(dòng)化工作面配套

實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化采煤是當(dāng)前采煤業(yè)研究的熱點(diǎn)。自動(dòng)化開采是在工作面采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架等設(shè)備實(shí)現(xiàn)單機(jī)自動(dòng)控制功能的基礎(chǔ)上，通過工作面“三機(jī)”與工作面巷道監(jiān)控中心聯(lián)網(wǎng)、通訊，可在監(jiān)控中心對(duì)“三機(jī)”進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制。實(shí)現(xiàn)綜采自動(dòng)化需要滿足如下功能:

(1)工作面巷道監(jiān)控 在工作面巷道監(jiān)控中心分別設(shè)置液壓支架、泵站和采煤機(jī)礦用本質(zhì)安全型操作臺(tái)，監(jiān)控中心工作人員依據(jù)液壓支架視頻系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制支架各種動(dòng)作。綜采自動(dòng)化平臺(tái)通過采煤機(jī)視頻系統(tǒng)和采煤機(jī)電控系統(tǒng)進(jìn)行雙向通信，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集成并通過電控柜實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的遠(yuǎn)程控制，包括控制滾筒及牽引等動(dòng)作。

(2)具有工作面工業(yè)以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面數(shù)據(jù)的高速傳輸 工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)管理方面具備虛擬局域網(wǎng) (VLAN)、流量優(yōu)先級(jí)等網(wǎng)絡(luò)帶寬管理功能，工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)的帶寬達(dá)100Mb/s，無線網(wǎng)絡(luò)帶寬達(dá)54Mb/s，保證最重要的數(shù)據(jù)流能動(dòng)態(tài)地獲得最優(yōu)先的帶寬支持。

(3)具有工作面視頻系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)主要綜采設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控 工作面視頻系統(tǒng)主要包括液壓支架視頻系統(tǒng)和采煤機(jī)視頻系統(tǒng)。液壓支架視頻系統(tǒng)主要包括礦用本質(zhì)安全型攝像儀、顯示器和操作臺(tái)。本質(zhì)安全型攝像儀安裝在支架的頂梁上，照射方向與工作面平行，礦用本質(zhì)安全型攝像儀的視頻數(shù)據(jù)通過工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)降V用本質(zhì)安全型顯示器顯示。

采煤機(jī)視頻系統(tǒng)包括礦用本質(zhì)安全型攝像儀、礦用本質(zhì)安全型顯示器、礦用本質(zhì)安全型操作臺(tái)、安裝電纜及附件等組成。礦用本質(zhì)安全型攝像儀直接照向煤壁，其視頻數(shù)據(jù)通過工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心采煤機(jī)礦用本質(zhì)安全型顯示器顯示，監(jiān)測(cè)采煤機(jī)割煤狀態(tài)。

(4)工作面照明系統(tǒng) 工作面采用礦用本質(zhì)安全型照明燈，用于煤壁照明和人行通道照明。

(5)“三機(jī)”與泵站集控系統(tǒng) 在工作面巷道監(jiān)控中心設(shè)置“三機(jī)”與泵站礦用本質(zhì)安全型操作臺(tái)，通過與“三機(jī)”控制子系統(tǒng)、泵站控制子系統(tǒng)通訊實(shí)現(xiàn)對(duì)三機(jī)及泵站的集中控制。

(6)其他功能 具有在監(jiān)控中心對(duì)運(yùn)輸設(shè)備集中自動(dòng)化控制功能;具有在監(jiān)控中心對(duì)綜采設(shè)備數(shù)據(jù)集成、處理、診斷、管理等功能;具有井上下數(shù)據(jù)傳輸功能;當(dāng)綜放工作面自動(dòng)化控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，各子系統(tǒng)不受綜采自動(dòng)化系統(tǒng)控制，以保證在檢修和綜采自動(dòng)化控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，各子系統(tǒng)能單獨(dú)開車，確保生產(chǎn)不受影響。

4 總結(jié)

綜采自動(dòng)化控制系統(tǒng)將多種跨學(xué)科技術(shù) (如控制、以太網(wǎng)、無線、視頻、音頻、通信、液壓等)應(yīng)用于綜采工作面，在工作面監(jiān)控中心對(duì)綜采設(shè)備 (液壓支架、采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、乳化液泵站、噴霧泵等)進(jìn)行集中控制，確保各設(shè)備協(xié)調(diào)、連續(xù)、高效、安全運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)工作面少人或無人生產(chǎn)，是薄煤層高效開采的重要途徑。

該項(xiàng)目已經(jīng)通過了地面試運(yùn)轉(zhuǎn)驗(yàn)收，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控中心對(duì)“三機(jī)”實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)雙向通信，采煤機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和記憶截割，電液系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)帶壓移架和分段推移，泵站系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)集中控制等功能，基本上達(dá)到了薄煤層綜采自動(dòng)化開采。

［1］劉嘉慧，李慶華.馬脊梁礦雙高工作面及雙高工作面建設(shè)［J］.同煤科技，1998(4).

［2］劉嘉慧.薄煤層雙高工作面建設(shè)［J］.煤礦機(jī)電，1999(2).

［3］王 偉.全自動(dòng)化綜采技術(shù)的研究與應(yīng)用［A］.第四屆全國煤炭工業(yè)生產(chǎn)一線青年技術(shù)創(chuàng)新文集［C］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2009.