綜采自動化智能無人化技術(shù)與應(yīng)用

趙 軍

（大同煤礦集團同家梁礦安檢站，山西 大同 037003）

綜采自動化是指在煤礦采掘工程中的設(shè)備具有自動化控制和智能化操作功能，可以減少工作面操作人員數(shù)量，甚至可實現(xiàn)無人化開采。目前，全世界只有CAT 、JOY和Eickhoff等知名企業(yè)可以生產(chǎn)比較高端的自動化采掘設(shè)備。我國只能通過進口設(shè)備來完成綜采自動化煤礦采掘工程。下面是同煤集團同忻煤礦8201工作面進行綜采自動化采掘工程的具體情況。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)狀況的剖析

對8201工作面的位置、相鄰及井上下關(guān)系、煤層頂?shù)装宓刭|(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)、瓦斯及其他影響回采因素、工作面儲量及服務(wù)年限做了詳細的勘察、計算和剖析，儲量具體情況如表1。

1.2 采空區(qū)積水情況

8201工作面上覆有同家梁礦、永定莊礦侏羅系大同組煤層采空區(qū)，其中工作面736m對應(yīng)上覆有同家梁礦404盤區(qū)采空區(qū)，736m至切眼上覆有永定莊礦309、402盤區(qū)采空區(qū)。工作面內(nèi)石炭系3～5#層與上覆侏羅系14#層層間距135.6～176.0m。針對上覆采空區(qū)情況，施工了17個井下探放水孔，其中5201巷施工5個孔，2201巷施工16個。見空鉆孔17個，出水鉆孔5個，共計疏放上覆老空區(qū)水1.5萬m3。

1.3 奧陶、寒武系灰?guī)r承壓水情況

根據(jù)山西省煤炭地質(zhì)115勘察院編制的《大同煤礦集團同忻礦礦井水文地質(zhì)類型劃分報告》附圖“寒武-奧陶系灰?guī)r頂界及水位等值線圖”，8201工作面奧陶系灰?guī)r埋藏深度471.57（1106孔）～583.88m（1508孔），O1地層頂界標高719～741m，水位標高995～1011m，工作面全區(qū)帶壓。根據(jù)DT2孔抽水試驗，單位涌水量0.000932L/s·m。根據(jù)工作面周邊揭露奧灰鉆孔分析，奧灰含水層巖溶裂隙發(fā)育不均，富水性弱-中等。根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》附錄四中突水系數(shù)T=P/M計算，3～5#煤層突水系數(shù)0.023～0.057MPa/m，全區(qū)突水系數(shù)均小于0.06MP/m，為安全區(qū)。綜合論證，8201工作面具備安全開采條件。

表1 儲量計算參數(shù)表

2 采用的主要設(shè)備及其自動化控制

2.1 液壓支架

8201工作面選用由中央機場生產(chǎn)的128架液壓支架，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118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2架。液壓支架采用液壓、電氣多渠道控制方法，可實現(xiàn)跟機移架、程控、鄰架和成組作業(yè)等多種自動運行方式。

2.2 采煤機

選用由Eickhoff公司生產(chǎn)的1715kW采煤機，其采高5240mm，臥底量370mm，牽引速度0～26.8m/min，牽引力0～869kN，截深800mm，完全符合8201工作面的使用條件，采用交流電牽引，變頻控制技術(shù)，有自動調(diào)高、自診故障、自動定位等自動化功能，還能夠完成對工作臺面和液壓支架的通訊和控制。

2.3 刮板運輸機

前后刮板運輸機都是由美國JOY公司生產(chǎn)的GXW74（Morley）運輸機，其運輸能力為3000t/h，裝載功率為2×1050kW，滿足8201工作面的生產(chǎn)要求，該運輸機具有皮帶自張緊、自診故障功能，還能夠完成對工作臺面的通訊和控制。

2.4 工作面自動控制系統(tǒng)

工作面自動控制系統(tǒng)是整個生產(chǎn)系統(tǒng)的控制中心，不僅要實時通訊和控制液壓支架、采煤機、運輸機等主要設(shè)備，還要對轉(zhuǎn)載機、破碎機、乳化液泵站以及其他輔助設(shè)備進行自動化控制，還能實現(xiàn)所有設(shè)備間的通信和人工干預(yù)調(diào)整等。

3 施工中面臨的問題及解決方案

（1）保證開采的連續(xù)性。經(jīng)前期勘查，8201工作面煤層存在很大的不穩(wěn)定性，夾有矸斷層，頂板易出現(xiàn)破碎現(xiàn)象，底板太軟，地壓的沖擊大，這些不確定因素都會造成工作面片幫、冒頂或輸送機跑偏、扎低以及液壓支架倒塌等狀況的發(fā)生，導(dǎo)致無法連續(xù)開采。井下作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜性和受安全條件制約等多方面因素影響，是綜采自動化采收面臨難題之一，為防止此類事件的發(fā)生就要做好完善的準備調(diào)研工作，深入了解礦井信息，將一切不確定因素排除在計劃之外，以保證開采的連續(xù)性。

（2）設(shè)備種類繁多，相互信息傳遞存在一定難度。8201工作面系統(tǒng)龐大，各個元件之間關(guān)聯(lián)、配合復(fù)雜，所以對控制的準確性、順序性要求很高。設(shè)備檢測工作環(huán)境信息的能力有限，若設(shè)備不能構(gòu)成閉環(huán)實時信息監(jiān)控，不能獲取采掘工作中裝備突破巖層時的狀態(tài)，就很難完成設(shè)備配合的準確性和快速性；系統(tǒng)中高壓、高頻設(shè)備種類繁多，會產(chǎn)生很強的電磁干擾，對信號輸送影響很大，電纜隨設(shè)備運動產(chǎn)生位移和彎曲，也會對信號產(chǎn)生影響，所以造成了信號遠距離傳送困難；設(shè)備采購來自廠家不統(tǒng)一，設(shè)備間通訊協(xié)議和信號接口存在差異。為了解決這些問題，施工前必須做好信號調(diào)試工作，統(tǒng)一信號傳輸協(xié)議和電纜對接接口，施工中做好自動監(jiān)控和人工干預(yù)工作，出現(xiàn)問題及時修正，保證施工的順利進行。

（3）雖然很多綜采設(shè)備都帶有自診故障功能，但自維修功能不完善。由于工況復(fù)雜，時常會引起設(shè)備的硬性損傷性故障，進口設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維修能力薄弱，設(shè)備損傷性故障會降低開采速度和開采效率。要想克服此類困難，必須使用業(yè)務(wù)能力較強的操作人員和維修人員，操作精準減少故障的發(fā)生，加強維修能力，減少維修時間，降低維修成本，間接提升采收速度和采收效率。

4 施工工藝

采煤機斜切進刀→割煤→移架→推前溜→放頂煤→拉后溜，此為一個正規(guī)循環(huán)，照此往復(fù)不斷割煤。采煤機采用雙向割煤法，從頭到尾或從尾到頭，采煤機沿牽引方向，升起前滾筒按設(shè)計采高割頂煤，后滾筒沿底板割底煤。

采煤機進刀采用在工作面兩端頭斜切割三角煤進刀法，其進刀工藝如下（詳見圖1）：

（1）采煤機割煤至頭部或尾部停機并拉回支架，反向牽引，同時調(diào)換兩滾筒上下位置，割掉端頭采煤機段底煤。

（2）采煤機后滾筒15m外溜子全部推移到位。

（3）采煤機割掉端頭段底煤后沿溜子彎曲段逐步斜切入煤壁，直至兩滾筒完全切入煤壁。

（4）將端頭溜子彎曲段全部推移到煤壁并移直，放頂煤，拉后部運輸機。

（5）采煤機再次反向牽引，同時對調(diào)兩滾筒上下位置，割掉機身段底煤和三角煤，采煤機割煤到端部。

（6）將采煤機再次反向牽引，來回2～3次，將三角段浮煤掃清之后，采煤機進入正常割煤至尾部或頭部。

圖1 斜切進刀方式示意圖

5 施工結(jié)果

（1）工作面長度：根據(jù)礦井盤區(qū)劃分及二盤區(qū)開采經(jīng)驗，確定8201工作面傾向217.5m。8201工作面西部為盤區(qū)三條大巷故留設(shè)保護煤柱100m，確定工作面走向長度為2038m。

（2）采高：根據(jù)8201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3.9m。

（3）截深：8201工作面配套使用ZF15000/27.5/42型支架，推移千斤行程為0.96m，確定8201工作面截深為0.8m。

（4）綜放工作面放煤步距及停采前頂煤留設(shè)距離：根據(jù)二盤區(qū)已采工作面經(jīng)驗確定，放煤步距為一刀一放，放煤步距為0.8m，初次放煤步距為20m，停采前不放煤的距離為30m。

（5）煤柱留設(shè)：8201工作面西部為盤區(qū)三條大巷故留設(shè)保護煤柱100m，北側(cè)為二盤區(qū)8202和8203采空區(qū)保護煤柱38m。

6 結(jié)語

完善和推廣綜采自動化開采系統(tǒng)，減少操作人員數(shù)量，提高生產(chǎn)效率和開采速度，是煤炭企業(yè)提高采收速度和采收率的重要方法。做好開采前的準備工作和工作面的信息調(diào)研，加強設(shè)備之間的通訊管理，提升操作人員和維修人員業(yè)務(wù)能力，使綜采自動化、智能化、少人化技術(shù)進一步發(fā)展，逐步解決技術(shù)難題，最終實現(xiàn)安全、智能、無人、高速開采。