大采高自動化綜采系統(tǒng)探究

杜云峰

（汾西礦業(yè)集團高陽煤礦，山西 孝義 032300）

大采高綜采工藝具有巷道掘進率低、回采工藝簡潔等優(yōu)勢，得到越來越多的應(yīng)用，但其也存在割煤高度大、煤壁易發(fā)生片幫、頂板垮落概率大、圍巖控制難度高等問題，成為困擾礦井安全生產(chǎn)的主要問題之一。對于大采高綜采智能自動化開采而言問題更加突出，必須采取必要的措施。

1 大采高礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

1.1 圍巖破壞范圍大

選用FLAC3D數(shù)值模擬手段對不同采高環(huán)境下的大采高回采圍巖垮落特性進行模擬分析，如圖1所示。分析可知，隨回采高度的增加以及回采作業(yè)面長度的增加，工作面頂板垮落高度與破壞范圍均呈現(xiàn)明顯的增大趨勢，回采過程中圍巖破壞強度明顯增加。

1.2 支撐壓力顯著增加

圖2所示為大采高回采煤壁破壞面積同作業(yè)面采高及長度關(guān)系示意圖。分析可知，當(dāng)回采高度超過4m、回采長度超過200m時，作業(yè)面前方煤壁破壞面積會迅速增大。圖3為作業(yè)面采高分別為4.5m和6.2m時的支撐壓力實測圖。綜合分析可發(fā)現(xiàn)，伴隨回采高度的增加，作業(yè)面支撐壓力與峰值會呈現(xiàn)顯著的增加。

圖1 大采高回采頂板垮落與破壞高度曲線示意圖

2 大采高自動化回采系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

大采高自動化回采系統(tǒng)是一項多學(xué)科相互結(jié)合的復(fù)雜性系統(tǒng)工程，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，包括地面控制網(wǎng)絡(luò)、耦合支護、遠程可視化、三維虛擬現(xiàn)實控制等多項技術(shù)。

圖2 作業(yè)面高度和長度同煤壁破壞面積關(guān)系圖

圖3 不同采高下的作業(yè)面支撐壓力實測圖

圖4 大采高自動化回采系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 地面總控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

地面總控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是指以以太網(wǎng)技術(shù)為核心構(gòu)建覆蓋整個礦井的作業(yè)控制平臺，其核心設(shè)備包括綜合接入裝置、光電裝轉(zhuǎn)裝置、交換機等，具備網(wǎng)絡(luò)故障自行診斷、虛擬局域網(wǎng)構(gòu)建等功能。其系統(tǒng)框架圖如圖5所示。

圖5 地面總控制網(wǎng)絡(luò)框架圖

2.2 圍巖耦合支護技術(shù)

大采高自動化回采必須對作業(yè)面圍巖實現(xiàn)有效的耦合支護控制。具體內(nèi)容主要包括支架狀態(tài)監(jiān)測、頂板耦合支護、幫部圍巖耦合支護等功能。

（1）支架狀態(tài)監(jiān)測。在支架底座、頂梁、連接桿等關(guān)鍵部位布設(shè)感應(yīng)元件，對支架作業(yè)狀態(tài)參數(shù)進行實時監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)潛在安全隱患，及時發(fā)現(xiàn)咬架、傾斜等前兆。

（2）頂板耦合支護。依托支架壓力感應(yīng)裝置、行程感應(yīng)裝置、三級護幫板接近開關(guān)等感應(yīng)組件，對作業(yè)面頂板變化參數(shù)開展實時監(jiān)測，從而及時了解頂板位移破壞情況，便于采取相應(yīng)舉措，避免頂板危害事故的發(fā)生。

（3）幫部圍巖耦合支護。借助支架行程感應(yīng)裝置、壓力感應(yīng)裝置等設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)對作業(yè)面幫部圍巖運移情況的實時掌握，從而為幫部圍巖的有效控制提供有效依據(jù)。同時，布設(shè)于支架護幫板上的行程感應(yīng)裝置能夠使護幫板保持逐漸打開的形態(tài)，防止護幫板在收回后出現(xiàn)煤塊大面積垮落的現(xiàn)象，避免煤塊砸壞油缸或卡在電纜槽中使得支架無法正常運移；布設(shè)于護幫板上的壓力感應(yīng)裝置能夠?qū)ψo幫板支撐煤壁的效果進行實時感應(yīng)，從而有效規(guī)避煤壁片幫事故的出現(xiàn)，確保作業(yè)安全、持續(xù)；布設(shè)于三級護板上的移近感應(yīng)裝置，能夠有效規(guī)避護幫板防護動作導(dǎo)致的設(shè)備自損現(xiàn)象，而且一旦移近感應(yīng)裝置出現(xiàn)故障，則系統(tǒng)會立即收回護幫板，并對無法正?；厥盏淖o幫板進行報警提示。圖6為幫部圍巖耦合支護圖。

2.3 遠程可視化技術(shù)

依據(jù)綜采作業(yè)面環(huán)境特性，設(shè)計針對性的高清攝像設(shè)備，以紅外成像技術(shù)為核心，在低照度環(huán)境下實現(xiàn)對作業(yè)面工作情況的有效拍攝。同時，借助覆蓋全礦井的工業(yè)以太網(wǎng)可將攝像機所拍攝的圖像實時傳輸，并依托圖像接力與追蹤技術(shù)實現(xiàn)對井下開采設(shè)備的實時追蹤，確保操作人員能夠遠離作業(yè)面實現(xiàn)對作業(yè)設(shè)備運行情況的直觀了解。

圖6 幫部圍巖耦合支護示意圖

2.4 三維虛擬現(xiàn)實控制

利用三維動畫技術(shù)，針對井下設(shè)備構(gòu)建完善的三維模型，并將模型同作業(yè)面設(shè)備運行數(shù)據(jù)進行實時對接，從而構(gòu)建作業(yè)面實時三維圖像，實現(xiàn)對井下煤炭切割、頂板垮落、煤炭運輸、支架移動等環(huán)節(jié)的全景展現(xiàn)。圖7為大采高自動化作業(yè)面三維模擬圖。

圖7 大采高自動化作業(yè)面三維模擬圖

3 總結(jié)

大采高作業(yè)面作為井下煤炭高效開采的有力技術(shù)，一直是推動礦井經(jīng)濟效益增長的有力保障。通過對大采高自動化回采系統(tǒng)的探究，大采高作業(yè)過程的遠程操控、自動化作業(yè)成為可能。可以顯著提升礦井安全生產(chǎn)水平，實現(xiàn)安全與經(jīng)濟效益的雙贏，是現(xiàn)代化礦井不可或缺的必要選擇。