同忻礦綜放面智能化自動化開采實踐

黃慶國,石巖嶺

（1.山西大同大學煤炭工程學院，山西大同037003；2.山西大同大學網(wǎng)絡信息中心，山西大同037009）

煤礦采煤工作面生產(chǎn)實現(xiàn)智能化、無人化開采是達到降低生產(chǎn)成本、保障煤礦安全生產(chǎn)、提高開采效益最有效的途徑[1]。大同煤礦集團公司同忻礦是集團公司的主力生產(chǎn)礦井，采用大采高綜采放頂煤技術開采石炭系3-5號煤層，特厚煤層綜放開采技術國內(nèi)領先，2013年同忻煤礦承接國家發(fā)改委“同忻煤礦千萬噸級高效綜采關鍵技術創(chuàng)新及產(chǎn)業(yè)化示范工程”項目，2016年7月同忻礦8202綜放工作面作為試點，設備安裝運轉(zhuǎn)，國內(nèi)第一家特厚煤層綜放開采的智能化、自動化工作面成功運行，取得了很好的技術經(jīng)濟效益，示范引領全國特厚煤層綜放智能化自動化開采技術。2018年2月，在安全高效完成第一個智能化自動化綜放面開采的基礎上，同忻煤礦第二個智能化、無人化開采的綜采放頂煤工作面投入生產(chǎn)。同忻礦3盤區(qū)8309工作面作為第二個智能化自動化綜放工作面，在8202智能化首采面成功經(jīng)驗的基礎上進一步完善了工作面和設備高清攝像儀無盲區(qū)視頻監(jiān)視，采煤機采高高精度記憶調(diào)節(jié)、采機割煤和自適應調(diào)節(jié)功能，增強了放頂煤液壓支架與圍巖智能耦合控制系統(tǒng)[2]，采煤機跟機自動移架、放煤口的開閉自動控制，增設了8309工作面臨空回風巷道內(nèi)超前支護門式支架系統(tǒng)，破碎機、轉(zhuǎn)載機等成套裝備自動化遠程控制等智能化系統(tǒng)。以智能化開采為主導的遙控型智能化無人開采模式，提升完善了我國特厚煤層綜合機械化放頂煤采面智能化無人開采技術水平。

1 工作面概況

8309智能化、自動化綜放面位于同忻礦第一開采水平三盤區(qū)的西南部，北東部為三條盤區(qū)大巷，北西為實煤區(qū)，南西至銀塘溝村保護煤柱，南東為8307回采工作面采空區(qū)，工作面巷口往里856 m范圍內(nèi)上覆為同家梁礦侏羅系14號煤層，對應分別為8906、8908、8902-2、8902-3工作面采空區(qū)。工作面從856 m至切眼處對應上部為白洞礦侏羅系14號煤層，對應分別為81006、81008、81003工作面采空區(qū)。8309綜放面走向長2 843 m，工作面布置長200 m，回采巷道沿著底板布置2條，分別為運輸平巷和回風平巷，沿煤層頂板布置8309工作面頂抽巷。開采3～5號煤層，煤層平均厚度14.88 m，傾角0～3°，煤層為復雜結(jié)構(gòu)，含夾石層7層，夾石厚度最小0.25 m，最大0.66 m。工作面地質(zhì)構(gòu)造簡單，煤層為緩單斜構(gòu)造，回采巷道揭露3條斷層，2309巷從輔運大巷至1 849 m揭露一條落差2.5 m傾角82°的正斷層；5309巷從輔運大巷至709 m揭露一條落差2.4 m傾角35°的正斷層。8309頂抽巷至2 482 m將遇一落差2.9 m傾角80°的正斷層。2309巷、5309巷分別從輔運大巷幫起至1 527 m、1 625 m，在此位置揭露一條火成巖墻，寬0.3 m。未見陷落柱等其他構(gòu)造。8309工作面煤層偽頂泥巖，厚度0.82 m，直接頂含礫粗砂巖及中砂巖，厚度7.95 m，老頂中細粗粒砂巖，平均厚度13.95 m。采面巷道布置和采面位置，見圖1。

圖1 盤區(qū)8309面位置及巷道布置

2 智能化綜放面采煤工藝和設備配置

2.1 采煤工藝

（1）依據(jù)同忻煤礦3-5號煤層條件及條件相似綜放面生產(chǎn)經(jīng)驗，8309智能化自動化綜放面按一刀一放多輪分層順序放煤，頂板管理采用自然垮落法。已采的8202智能化工作面采用SL-500型采煤機及ZF15000/27.5/42型低位放頂煤支架，綜合考慮支架高度確保工作面來壓期間立柱收縮后采煤機能夠正常通行，支架后擺梁上下擺動能夠滿足放頂煤要求以及采高對煤壁片幫的影響，確定工作面采高為3.9 m。同忻礦已采綜放面配套使用ZF15000/27.5/42型支架，推移千斤行程為0.96 m，確定8309工作面截深為0.8 m。

（2）回采工藝為采煤機端頭割三角煤斜切進刀→采煤機正常割煤→放頂煤支架自動移架→推前部刮板運輸機→低位放頂煤→拉后部刮板運輸機，正規(guī)循環(huán)完成。采煤機采用雙向割煤法，前滾筒按設計采高割頂煤，后滾筒沿底板割底煤。

2.2 8309綜放面設備配置

8309工作面作為特厚煤層大采高綜放面，設備配置和選型充分考慮了3-5號煤層的賦存條件，結(jié)合智能化、自動化的具體要求，采用SL-500型采煤機，JOY公司42×1000×268 AFC型前部刮板運輸機，JOY公司42×1250×268 AFC型后部刮板運輸機。3盤區(qū)8309采面共布置配備放頂煤液壓支架118架。其中，中部支架的架型為四柱支撐掩護式正四連桿低位放頂煤支架，型號為ZF15000/27.5/42，數(shù)量為108架；過渡支架的架型為ZFG13000/27.5/42H型正四連桿過渡支架，數(shù)量為9架；端頭支架的架型為一組ZTZ20000/30/42放頂煤端頭支架，共采用1架。8309智能化自動化綜放面采、運、支等設備配置，見表1。

表1 8309智能化綜放面設備配置

3 綜放智能化、自動化采面實現(xiàn)功能

8309特厚煤層綜采放頂煤智能化自動化系統(tǒng)由地面調(diào)度室監(jiān)控系統(tǒng)、綜放工作面運輸順槽集中控制系統(tǒng)、采面工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)(全方位的高精度、高清晰度視頻監(jiān)控系統(tǒng)、采煤工作面及順槽機電設備姿態(tài)監(jiān)測分析系統(tǒng)、高速網(wǎng)絡通信系統(tǒng))同多項智能化自動化關鍵技術組成的遙控型大型控制系統(tǒng)[3-4]。智能型控制系統(tǒng)作為操作人員的人機接口，以工作面采煤機記憶截割、液壓支架自動跟機移架、自動化放煤及可視化遠程可靠監(jiān)控為基礎，以綜放工作面采煤生產(chǎn)系統(tǒng)智能化自動化控制軟件為核心內(nèi)容，可實現(xiàn)在地面工業(yè)廣場調(diào)度室和綜放工作面運輸順槽綜合監(jiān)控中心對工作面所有機電設備的智能化自動化監(jiān)測與集中控制，達到8309工作面連續(xù)、安全、高效開采。8309智能化自動化系統(tǒng)運行邏輯，見圖2。地面調(diào)度室監(jiān)控中心，見圖3。

圖2 工作面智能化系統(tǒng)運行邏輯

圖3 地面調(diào)度室綜放面智能化采煤監(jiān)控中心

3.1 智能硬件高速采集數(shù)據(jù)

在8309綜放工作面，視頻監(jiān)控系統(tǒng)在采煤機、前部刮板運輸機、大采高放頂煤液壓支架、后部刮板運輸機、破碎機、轉(zhuǎn)載機等不同部位安裝了50多只攝像儀，連續(xù)不斷地實時監(jiān)視綜放工作面的所有機電設備運行姿態(tài)，同步清晰顯示在順槽監(jiān)控中心和地面調(diào)度室監(jiān)控中心的屏幕上，高性能的攝像儀能夠清晰捕捉每一個生產(chǎn)環(huán)節(jié)、每一臺綜采機電設備細微的動作，全部準確地儲存在智能化自動化設備運行控制器單元模塊里，智能化自動化控制系統(tǒng)依據(jù)這些不斷補充積累的重要數(shù)據(jù)參數(shù)，精確無誤地控制綜放面采煤機向前和向后的運行狀態(tài)、控制采煤機滾筒的高低姿態(tài)，地面調(diào)度室和工作面順槽實時監(jiān)控人員可以自動切換和跟蹤任何設備；采面的放頂煤液壓支架按照自動化程序控制要求自動跟機移架，能及時從系統(tǒng)獲取采煤機位置信息[5]。液壓支架可實時通過壓力傳感器、行程傳感器、傾角傳感器、支架間距傳感器獲取修正姿態(tài)的多種數(shù)據(jù)信息，準確無誤地實現(xiàn)全工作面放頂煤液壓支架防傾倒、片幫、防冒落等液壓支架的姿態(tài)控制，開啟低位放煤口、關閉放煤口等功能，遙控自動完成工作面端部割三角煤斜切進刀，中部跟機作業(yè)。工作面每個設備的每個控制器和每個攝像儀都是信息網(wǎng)絡的節(jié)點，又是數(shù)據(jù)信息的采集接口單元，自動采集、統(tǒng)計、分析處理并及時反饋設備當下的運行數(shù)據(jù)參數(shù)，集成存儲形成了綜放采面機電設備運行姿態(tài)的大數(shù)據(jù)庫，高速工業(yè)以太網(wǎng)絡完成數(shù)據(jù)遠程傳輸至控制中心平臺，將分析修正后的數(shù)據(jù)參數(shù)反饋到智能化控制生產(chǎn)過程，提高綜放工作面生產(chǎn)系統(tǒng)的可靠性、安全性和生產(chǎn)效率。

3.2 實時分析調(diào)整設備狀態(tài)

在8309綜放面運輸順槽監(jiān)控中心，工程技術人員依靠高清晰度顯示屏完成安全確認，按下綜放工作面機電設備一鍵啟動按鈕，遠程遙控綜放工作面的設備按預定程序先后啟動，工作面采煤機按照控制器預設的割煤速度牽引，沿著3-5號煤層底板和頂煤自動割煤，采煤機將準確無誤地執(zhí)行示范采煤是系統(tǒng)預留的采高、截深等工作數(shù)據(jù)信息、姿態(tài)參數(shù)信息、滾筒高度軌跡，進行智能化、自動化精確運算，在自動截割過程中不斷修正誤差，按照煤層頂煤底板仰俯差自動控制[6]；同時攝像儀實時追蹤采煤機運行狀態(tài)，當工作面粉塵較大時，紅外熱成像攝像儀可穿過煤塵將滾筒特殊成像，視頻圖像自動完成全景拼接，并實時推送給8309工作面運輸順槽監(jiān)控中心，使遠程操作人員獲得比就地觀測更好的視覺效果，進行降低煤層的遠程干預調(diào)整；自動移架造成的工作面彎曲，可以利用高精度慣性導航系統(tǒng)，準確描繪工作面彎曲曲線，實現(xiàn)工作面自動校直，根據(jù)工作面端頭斜切進刀參數(shù)，自動完成斜切進刀，割三角煤等工序。綜放面順槽監(jiān)控中心，見圖4。

圖4 綜放面運輸順槽監(jiān)控中心

3.3 監(jiān)控系統(tǒng)保障安全生產(chǎn)

8309綜放工作面采用新技術是實現(xiàn)智能化、自動化綜放工作面安全生產(chǎn)的關鍵所在，采用放頂煤液壓支架自動化跟機技術、工作面采煤機遙控自動運行技術、工作面高分辨率視頻監(jiān)控技術、綜放采煤機電設備遠程集中控制技術等新技術的集成，使智能化綜放工作面生產(chǎn)的安全性、工程質(zhì)量、生產(chǎn)效益有了極大地高質(zhì)量飛躍[7]。在工作面運輸順槽監(jiān)控中心，便可通過顯示器觀察到工作面綜放設備運行情況；綜放采面生產(chǎn)過程中，工作面無人操作，監(jiān)控中心兩人遠程監(jiān)控，通過高速網(wǎng)絡和高清視頻的支持，在高速工業(yè)以太網(wǎng)的基礎上建立統(tǒng)一的高速網(wǎng)絡通訊平臺，實現(xiàn)設備數(shù)據(jù)高速上傳和控制信息實時下達，控制延時不超過200 ms；采用視覺沉浸技術，將綜放工作面各個工種的員工從采面解放到監(jiān)控中心，將人的視聽感官延伸到工作面，身臨其境監(jiān)控安全生產(chǎn)，這些系統(tǒng)的運用將員工從操作工變成巡檢工，智能遙控替代人工勞動，大大降低了工人的勞動強度，極大地提高了工作面生產(chǎn)過程的安全性。

4 結(jié)語

8309綜放面智能化、自動化代替了人工操作，生產(chǎn)能耗下降5%以上，操作人員減半，提高了采煤的生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本，減輕了勞動強度，使生產(chǎn)過程的操作員變成了系統(tǒng)監(jiān)控員；實現(xiàn)地面及井下控制中心對設備的智能監(jiān)測和集中控制，將工人從危險的工作面采場轉(zhuǎn)移到安全的順槽監(jiān)控中心，提高了工作面生產(chǎn)過程的安全性。