自動放頂煤技術(shù)在急傾斜特厚煤層應(yīng)用研究

呂 松張 戈漆 濤陳太光劉 清

（1.神華集團(tuán)神華新疆能源有限責(zé)任公司，新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市，830000；2.北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司，北京市朝陽區(qū)，100013）

自動放頂煤技術(shù)在急傾斜特厚煤層應(yīng)用研究

呂 松1張 戈1漆 濤1陳太光1劉 清2

（1.神華集團(tuán)神華新疆能源有限責(zé)任公司，新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市，830000；2.北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司，北京市朝陽區(qū)，100013）

研究了自動放頂煤及煤矸識別技術(shù)在烏東礦+475B3+6急傾斜工作面中的應(yīng)用。實(shí)踐表明，自動放頂煤技術(shù)不僅提高了整個工作面放頂煤的自動化水平，也減少了工作面放煤操作工人數(shù)量，并通過安裝后部攝像儀，實(shí)時采集后部放煤情況，為自動放頂煤提供了可靠的依據(jù)。

急傾斜特厚煤層 綜放工作面 自動放頂煤 放煤視頻 煤矸識別 烏東煤礦

綜采放頂煤開采存在的難題是如何根據(jù)煤炭放落程度控制放煤口的大小，從而控制落煤的多少。目前，頂煤放落全靠人工觀察來判斷和控制。由于工作面條件惡劣，人工判斷存在一定的滯后性，不可避免地導(dǎo)致頂煤的過放或欠放，且在放煤過程中需要操作人員通過兩臺支架的空隙專注地觀察后部放煤情況，采用手動閥去操作支架尾梁，不僅工作量大，操作也不方便，特別是對于急傾斜特厚煤層，都是以人工放煤為主。因此，研究放煤過程中煤矸混合程度的自動識別技術(shù)，并結(jié)合自主研發(fā)的適合我國煤礦使用的放頂煤支架電液控制系統(tǒng)，協(xié)調(diào)控制液壓支架的放煤動作，對準(zhǔn)確控制放煤過程、實(shí)現(xiàn)放頂煤開采的自動化具有十分重要的意義。

將自動化控制系統(tǒng)與液壓支架電液控制在綜放工作面有機(jī)結(jié)合，既實(shí)現(xiàn)了前部跟機(jī)自動化的控制，也實(shí)現(xiàn)了放煤口的自動控制；還提高了放頂煤的開采率，降低了煤中的矸石含量，提高了煤質(zhì)；減少了設(shè)備維修量和停機(jī)時間；還可使作業(yè)人員遠(yuǎn)離危險工作面，降低了粉塵對人員健康的危害。

本文以烏東礦+475B3+6工作面作為煤矸識別及自動放頂煤應(yīng)用示范基地，對自動放頂煤的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了應(yīng)用研究，提出了一種在急傾斜特厚煤層實(shí)現(xiàn)自動放頂煤的采煤方法。

1　烏東礦概況

神華新疆能源有限責(zé)任公司是我國集中開采急傾斜煤層最大的礦區(qū)，其探明儲量占我國急斜煤層探明儲量的30%以上。礦區(qū)西起烏魯木齊河?xùn)|至鐵廠溝河，走向長19 km，可采煤層27～35層，煤層平均厚度143.38 m，傾角43°～88°。

+475B3+6工作面位于烏東煤礦南采區(qū)+475 m水平東翼，該工作面傾向長43 m，進(jìn)風(fēng)巷道斷面尺寸為4600 mm×3600 mm（寬×高），該工作面于2014年6月進(jìn)行工作面設(shè)備安裝，于2014年10月正式生產(chǎn)。

2　主要研究內(nèi)容

對烏東礦+475B3+6工作面的放頂煤工藝進(jìn)行研究，確定工作面主要配套設(shè)備。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，采用以記憶放煤、煤矸識別及遠(yuǎn)程放頂煤技術(shù)為主，配合協(xié)同控制等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)工作面自動放頂煤。

2.1放頂煤支架電控系統(tǒng)功能

烏東礦+475 B3+6工作面煤層厚度25 m，采放比為1∶7.33。在如此大采高工作面實(shí)現(xiàn)放頂煤，其工藝更復(fù)雜，要求支架電控系統(tǒng)對放煤過程要有完備的控制策略，因此需要研制高端支架控制器和控制軟件，提高放煤效果，并用融合算法綜合處理得到的多傳感器特征信號，將處理結(jié)果反饋給支架控制器，實(shí)現(xiàn)對放煤口的閉環(huán)控制，從而實(shí)現(xiàn)綜采放頂煤過程的自動化。

2.2+475 B3+6工作面配套設(shè)備

由于+475B3+6工作面煤層厚度為25 m，采放比為1∶7.33，因此，采煤機(jī)采高選擇為3 m，后部放煤高度為22 m，且由于該工作面實(shí)際傾向長度為43 m，長度較短，采用單滾筒采煤機(jī)。自動放頂煤的實(shí)現(xiàn)則通過以下技術(shù)實(shí)現(xiàn)。采用電液控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對支架動作的自動控制；選擇SAC型液壓支架電液控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)支架的跟機(jī)自動化功能，且能完成后部放頂煤的自動控制功能；采用SAM自動化控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對工作面及后部放頂煤的遠(yuǎn)程監(jiān)視及控制功能。主要配套設(shè)備見表1。

表1　綜放工作面主要配套設(shè)備

3　自動放頂煤技術(shù)

目前的放頂煤操作都是依靠人工操作，不僅效率低，而且操作人員勞動強(qiáng)度大，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，以及對放頂煤工藝的研究，通過電液控制系統(tǒng)及綜采自動控制技術(shù)在烏東礦+475B3+6工作面進(jìn)行自動放頂煤的試驗(yàn)，以記憶放頂煤作為主要放煤手段，煤矸識別及遠(yuǎn)程干預(yù)作為輔助手段，并通過自動控制系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同控制，最終實(shí)現(xiàn)工作面的自動放頂煤功能。自動放頂煤方案見圖1。

圖1　自動放頂煤方案圖

3.1記憶放頂煤

表中：d是子彈的直徑；L是子彈的全長；γ是由于子彈拋撒順序不同引起的鄰層角度差；h是由于子彈拋撒順序不同引起的鄰層高度差。

記憶放頂煤由SAC型電液控制系統(tǒng)完成。主要原理為帶記憶功能的自動放頂煤模式下，支架控制器通過先學(xué)習(xí)放頂煤操作人員對支架的操作動作序列和時序長度，然后通過對數(shù)據(jù)的分析計算，形成記憶放煤參數(shù)，支架控制器便可根據(jù)記憶的放煤參數(shù)進(jìn)行自動化放煤控制。每當(dāng)煤層條件發(fā)生變化時，需要重新學(xué)習(xí)。

在自動化放煤控制過程中，采用記憶放煤，將記憶下的放頂煤動作數(shù)據(jù)調(diào)出，讓電液控制系統(tǒng)依據(jù)記憶實(shí)現(xiàn)放頂煤。隨著工作面的推進(jìn)，頂煤煤層變化是不確定的，放煤時間參數(shù)需要經(jīng)常修改。

3.2遠(yuǎn)程干預(yù)

遠(yuǎn)程干預(yù)放頂煤由SAM型自動化控制系統(tǒng)完成，主要原理為在液壓支架四連桿后部安裝攝像儀與照明燈，見圖2。通過照明燈為攝像儀進(jìn)行補(bǔ)光，攝像儀用于監(jiān)視后部刮板輸送機(jī)上落煤情況，通過以太網(wǎng)將后部刮板輸送機(jī)落煤情況視頻傳輸?shù)皆O(shè)置在進(jìn)風(fēng)巷中的監(jiān)控中心，通過監(jiān)控中心看到的后部刮板輸送機(jī)上落煤情況，在液壓支架操作臺進(jìn)行遠(yuǎn)程放煤控制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程放煤。

圖2　照明燈與攝像儀在支架后部位置

3.3煤矸識別

煤矸識別傳感器安裝在液壓支架尾梁上，放頂煤時實(shí)時監(jiān)測落在后部刮板輸送機(jī)上的是煤還是矸石，通過煤矸識別傳感器與控制器之間的通信功能，將放頂煤過程數(shù)據(jù)實(shí)時連續(xù)地傳輸?shù)娇刂破魃线M(jìn)行顯示，放煤工人通過觀察控制器上的顯示屏數(shù)據(jù)得知后部放煤情況。當(dāng)放煤過程煤矸放落能量超出所設(shè)閾值時，控制器通過自帶的蜂鳴器進(jìn)行聲音報警提醒放煤工人后部放煤口落下矸石，并且由電液控制系統(tǒng)自動控制放煤口的關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)自動放煤功能。

3.4放頂煤的協(xié)同控制

在放頂煤過程中，如果煤塊垮落過快導(dǎo)致后部刮板輸送機(jī)超負(fù)荷時，就要將刮板輸送機(jī)降到低速狀態(tài)，在低速狀態(tài)將后部刮板輸送機(jī)上的煤轉(zhuǎn)運(yùn)到轉(zhuǎn)載機(jī)上。在自動放頂煤過程中，SAM型自動化控制系統(tǒng)通過對刮板輸送機(jī)負(fù)荷進(jìn)行檢測，如發(fā)現(xiàn)后部刮板輸送機(jī)負(fù)荷超過警戒線，則控制放煤口關(guān)閉，待后部輸送機(jī)的負(fù)荷降到警戒線以下再重新開啟放煤口，保證生產(chǎn)過程的連續(xù)性，提高生產(chǎn)效率。

4　+475B3+6工作面自動放煤效果

烏東礦+475B3+6工作面煤層厚度為25 m，工作面長43 m，工作面共布置27架ZFY10000/22/ 40D液壓支架，采用電液控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)前部跟機(jī)自動化功能及后部放頂煤功能，工作面采高3 m，后部放頂煤高度22 m，工作面刮板輸送機(jī)機(jī)頭采用垂直布置。

工作面生產(chǎn)過程分兩個階段，第一階段是前部跟機(jī)自動化生產(chǎn)過程，由采煤機(jī)進(jìn)行自動割煤，通過SAC型電液控制系統(tǒng)控制液壓支架自動跟隨采煤機(jī)動作，完成支架跟機(jī)功能；第二階段是后部自動放頂煤生產(chǎn)過程，自動放頂煤功能由SAC型電液控制系統(tǒng)與SAM型自動化控制系統(tǒng)協(xié)同完成。

自動放頂煤生產(chǎn)時，由支架控制器將操作人員放煤工序進(jìn)行記憶，將數(shù)據(jù)存貯于內(nèi)部存儲器，監(jiān)控中心內(nèi)的操作人員通過操作臺與主控制器啟動記憶放煤操作，通過后部放煤視頻監(jiān)視放煤情況，并通過SAM型自動化控制系統(tǒng)監(jiān)測后部刮板輸送機(jī)的負(fù)荷情況。按照放煤要求，當(dāng)放煤過程中出現(xiàn)落矸時，應(yīng)及時關(guān)閉放煤口，如果操作人員通過支架后部視頻觀察到放煤口未關(guān)閉，通過操作臺遠(yuǎn)程干預(yù)支架動作，遠(yuǎn)程關(guān)閉放煤口；另外，在放煤過程中，由于落煤量過大，導(dǎo)致后部輸送機(jī)的負(fù)荷達(dá)到或超過預(yù)警值，協(xié)同控制機(jī)制會觸發(fā)，通過減小放煤口大小控制放煤量。如果后部輸送機(jī)的負(fù)荷仍然持續(xù)升高，達(dá)到了停止放煤的門限值，會關(guān)閉放煤口，停止放煤，SAM型自動化控制系統(tǒng)監(jiān)測到后部刮板輸送機(jī)的負(fù)荷恢復(fù)正常后，再開啟放煤口進(jìn)行放煤。

5　應(yīng)用效果與存在的問題

5.1應(yīng)用效果

（1）烏東礦+475B3+6工作面通過煤矸識別系統(tǒng)的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)在烏東礦的煤與巖石硬度比達(dá)不到該傳感器的識別要求，無法有效識別。

（2）將后部視頻與記憶放煤、協(xié)同放煤技術(shù)結(jié)合應(yīng)用，探索出了一條適合烏東礦的自動放煤方法，有效地解決了在急傾斜特厚煤層條件下的自動放煤問題。

5.2存在的問題

（1）后部放煤時，如果放煤速度過快會產(chǎn)生大量的煤塵，對后部視頻效果有影響，需提高攝像儀清晰度以及解決煤塵過大的問題。

（2）后部輸送機(jī)由于采用的是高低速方式驅(qū)動，如果采用變頻方式控制，可實(shí)現(xiàn)對后部輸送機(jī)的調(diào)速控制，控制方式更加靈活。

（3）煤矸識別系統(tǒng)對煤與巖石硬度比要求達(dá)到1∶3的比例，而烏東礦+475B3+6工作面煤與巖石的硬度比由于未達(dá)到該比例，因此很難通過該系統(tǒng)進(jìn)行識別，通過煤矸識別的方式進(jìn)行自動放煤仍存在一定的局限性，需改進(jìn)檢測方法。

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（責(zé)任編輯 張毅玲）

Application research of automatic top coal caving technology in steeply inclined and extra thick coal seam

Lv Song1，Zhang Ge1，Qi Tao1，Chen Taiguang1，Liu Qing2
（1.Shenhua Xinjiang Energy Co.，Ltd.，Shenhua Group Co.，Ltd.，Urumqi，Xinjiang 830000，China；2.Beijing Tiandi-Marco Electro-Hydraulic Control System Co.，Ltd.，Chaoyang，Beijing 100013，China）

The author researched the application of automatic top coal caving technology and coal-gangue identification technology in+475 B3+6steeply inclined face of Wudong Mine.The practices indicated that the automatic top coal caving technology not only improved the automation level of whole caving face，but also decreased the number of operator in caving face. Through installing camera shooting in the back of the face，the top coal caving conditions could be collected in real time，which provided reliable basis to automatic top coal caving mining.

steeply inclined and extra thick coal seam，fully mechanized caving face，automatic top coal caving，video of top coal caving，coal-gangue identification，Wudong Coal Mine

TD823.97

A

呂松（1961-），男，工程師，畢業(yè)于西安礦業(yè)大學(xué)工業(yè)電氣自動化專業(yè)，從事煤礦機(jī)電設(shè)備管理工作。