基于瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測反饋的采煤機截割速度自適應調節(jié)技術

王 沉，楊 帥，江成玉，劉 勇

(貴州大學 礦業(yè)學院，貴州 貴陽 550025)

我國薄煤層可采儲量約65億t，約占全部可采儲量的20%[1]，受開采條件、技術等因素的制約，薄煤層采出量僅占全國煤炭產量的10.4%，造成了薄煤層煤炭資源的不協調開采[2]，理論研究及工程實踐表明，機械化、自動化是提高薄煤層生產效率、降低工人勞動強度、保障工作面作業(yè)安全的理想途徑和必由之路[3]。自動化開采工藝技術實施效果受薄煤層賦存特征的影響較大，僅在部分煤層條件較好的工作面實施具有一定的技術、經濟效果，對瓦斯等復雜地質構造煤層的適應性較差[4]，開發(fā)及應用適于高瓦斯地質條件下的薄煤層自動化開采工藝技術迫在眉睫。

近年來，國內外學者對于高瓦斯薄煤層工作面自動化開采技術進行了大量的工程實踐與理論研究，具有代表性的有：①高瓦斯薄煤層自動化開采設計方案[5，6]；②自動化工作面瓦斯監(jiān)控系統的研制與應用[7]；③瓦斯?jié)舛阮A測及預警理論及技術研究[8，9]等。在以往實踐及理論研究方面，存在的突出問題有：自動化開采工藝設計及運行階段較少的涉及瓦斯監(jiān)控系統，工作面瓦斯?jié)舛阮A測預警對自動化開采工藝有效運行的反饋調節(jié)理論與技術相對較少。為此，筆者擬通過建立工作面瓦斯?jié)舛缺O(jiān)控系統與自動化綜采工藝之間的連接，重點研究自動化工作面采煤機截割速度對于工作面瓦斯?jié)舛确植家?guī)律的影響機制，揭示了在高瓦斯條件下，工作面瓦斯?jié)舛犬a生變化的響應機理從而提出自動化開采工藝技術工作面要做到瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測與截割速度控制與并行，旨在為瓦斯地質條件下提高薄煤層自動化綜采工藝的適應性。

1 工作面瓦斯?jié)舛扰c割煤速度關系

以華晉焦煤有限責任公司沙曲礦22201薄煤層自動化工作面為工程背景，22201工作面主采2#煤層，是沙曲礦保護層工作面，煤層厚度0.7～1.46m，平均為1.1m，設計采高1.6m(割頂0.5m)，煤層傾角平均為4°，煤層瓦斯壓力0.92MPa，絕對瓦斯涌出量為38.45m3/min，為典型的高瓦斯薄煤層自動化綜采工作面，工作面采用走向長壁自動化開采工藝，工作面長度為150m，可推進長度為1.538km。工作面內無斷層等地質構造，配套具備電液控制功能的ZY3600/07/14.5D型兩柱掩護式液壓支架，MG2×150/700-WD1型雙滾筒采煤機。2011年12月9日至2012年1月17日期間，22201工作面試采推進了55m，工作面瓦斯?jié)舛瘸迺r有發(fā)生，采煤機停機問題嚴重，工作面平均瓦斯?jié)舛冗_到0.18%，回風巷瓦斯?jié)舛冗_到0.37%，工作面推進速度緩慢，平均日產量僅660t。

高瓦斯薄煤層工作面自動化開采期間，受采煤機割煤速度的影響，工作面絕對瓦斯涌出總量呈現出一定的變化性和不確定性，難以利用精確的數學公式進行表達。為此，本文通過現場實測典型高瓦斯薄煤層工作面自動化開采期間瓦斯?jié)舛龋荚谔骄抗ぷ髅嫱咚節(jié)舛确植继卣魇懿擅簷C割煤速度變化的影響機制。

基于22201工作面現場實際條件及設備參數特征，采煤機割煤速度調節(jié)范圍為0～6m/min，在其他工況參數基本保持不變的條件下，通過現場調節(jié)采煤機割煤速度，并分別在工作面上隅角及采煤機機身位置安裝瓦斯監(jiān)測儀，分別監(jiān)測工作面上隅角瓦斯?jié)舛燃安擅簷C機身位置處瓦斯?jié)舛茸兓?，利用現場實測獲得的基礎數據，分別繪制了工作面上隅角瓦斯?jié)舛燃安擅簷C機身位置瓦斯?jié)舛扰c割煤速度的關系曲線，如圖1所示。

圖1 瓦斯?jié)舛扰c割煤速度關系曲線圖

結果表明：自動化割煤過程中，在一定范圍內，在工作面上隅角的位置以及采煤機機身位置的瓦斯?jié)舛扰c煤機割煤速度的關系基本上呈正相關，因此，工作面瓦斯?jié)舛鹊淖兓瘯艿礁蠲核俣茸兓膸佑绊?，瓦斯?jié)舛鹊挠行Э刂瓶赏ㄟ^調節(jié)截割速度加以實現。反之，使用實時監(jiān)測工作面瓦斯?jié)舛葘Σ擅簷C割煤速度進行自適應調節(jié)也是可行的[10]?，F場實測期間，上隅角與采煤機位置處的瓦斯?jié)舛冗h高于工作面其他位置，應作為高瓦斯薄煤層工作面瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測的關鍵位置，且采煤機位置處瓦斯?jié)舛仁冀K低于上隅角瓦斯?jié)舛戎担虼?，工作面上隅角應?2201工作面瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測的重點區(qū)域，采煤機位置為輔。基于上述原因，筆者提出了針對工作面上隅角瓦斯?jié)舛鹊膶崟r監(jiān)測反饋調節(jié)的薄煤層自動化采煤機截割速度自適應調節(jié)技術，旨在為高瓦斯條件下的薄煤層自動化采煤機的遠程控制提供新的技術思路。

在保證其他工況參數基本不變的條件下，調節(jié)割煤速度分別為2m/min，3m/min，4m/min，5m/min，6m/min時，通過現場實測了解采煤機由工作面中部至上隅角割煤過程瓦斯?jié)舛茸兓?，繪制了上隅角瓦斯?jié)舛扰c采煤機距上隅角距離變化關系曲線，如圖2所示，雙滾筒采煤機前滾筒中心距工作面上隅角的距離即圖中距上隅角距離。

圖2 上隅角瓦斯?jié)舛扰c距上隅角距離關系圖

結果表明：22201工作面自動化開采期間，自動化割煤速度相同時，工作面上隅角瓦斯?jié)舛扰c采煤機距上隅角距離基本呈負相關關系；上隅角瓦斯?jié)舛鹊姆逯挡擅簷C運移至上隅角位置時，當距上隅角距離相同時，上隅角位置的瓦斯?jié)舛扰c自動化割煤速度基本上呈現正相關關系。因此，通過采煤機相對上隅角位置、上隅角瓦斯?jié)舛鹊膶崟r監(jiān)測反饋對自動化割煤速度進行自適應調節(jié)，在一定程度上能夠解決自動化工作面瓦斯?jié)舛瘸薜募夹g難題。

2 自動化割煤速度自適應調節(jié)技術

根據現場實測的結果，提出了基于工作面上隅角瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測反饋為主、采煤機位置監(jiān)測反饋為輔的割煤速度自適應調節(jié)原理：高瓦斯工作面采煤機割煤速度自適應調節(jié)的主要參考指標為上隅角位置瓦斯?jié)舛?，次要參考指標為采煤機相對上隅角位置，通過監(jiān)測以上主要及次要參考指標，實時反饋調節(jié)采煤機割煤速度是可行的。

現場實施的自適應調節(jié)策略為：通過在22201高瓦斯薄煤層自動化綜采工作面上隅角、采煤機機身分別布置1個瓦斯監(jiān)控分站，分別用于實現工作面上隅角及采煤機位置處瓦斯?jié)舛鹊谋O(jiān)測反饋，以工作面電液控制系統為基礎，將瓦斯監(jiān)控分站接入到工作面監(jiān)控系統當中，利用電液控制系統的綜合接入器，將瓦斯監(jiān)控分站采集到的瓦斯?jié)舛葦祿崟r傳輸至工作面集中控制中心的主機內，集中控制主機再依據上隅角瓦斯?jié)舛燃安擅簷C機身位置瓦斯?jié)舛鹊谋O(jiān)測反饋進行遠程調節(jié)采煤機截割速度。同時，以工作面視頻監(jiān)控系統及采煤機定位系統為參照實時監(jiān)測采煤機位置，對自動化割煤速度進行適時的輔助調節(jié)。

自適應調節(jié)策略實施前應合理確定工作面瓦斯?jié)舛乳撝?，瓦斯?jié)舛乳撝凳菍崿F自適應控制采煤機割煤速度、提高自動化開采效率的關鍵參數。自動化開采期間，應提供定量化的自適應調節(jié)策略，定量表征瓦斯監(jiān)測與割煤速度調節(jié)的對應關系。以工作面上隅角瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測為例，自適應調節(jié)策略中上隅角瓦斯?jié)舛乳y值包括低位、中位及高位三個閥值。自適應調節(jié)的基本策略為：在采煤機割煤速度允許范圍之內，當上隅角瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測反饋值小于低位閥值時，可以通過工作面集中控制主機合理的提高采煤機割煤速度；當上隅角瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測反饋值位于低位閥值與中位閥值之間時，保持當前采煤機的割煤速度進行正常截割；當上隅角瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測反饋值位于中位閥值與高位閥值之間時，應適當降低采煤機的割煤速度；當上隅角瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測反饋值大于高位閥值時，集控主機應立即遠程控制采煤機，實現停機操作。

工作面上隅角瓦斯?jié)舛雀呶婚y值是實現高瓦斯條件下自動化工作面安全開采的重要指標參數，應基于工作面瓦斯地質特征、設備參數及工藝參數等進行合理選擇。上隅角瓦斯?jié)舛雀呶婚y值過小，一定程度上制約了采煤機的開機率，不利于薄煤層自動化綜采工藝的有效實施，限制了薄煤層工作面的快速推進。同時，當上隅角瓦斯?jié)舛雀呶婚y值過大時，會增加該工作面瓦斯?jié)舛瘸薜母怕?，不利于工作面瓦斯?jié)舛鹊挠行Э刂?。實際生產過程中，工作面上隅角瓦斯?jié)舛雀呶婚y值應保留一定的安全富余系數，高位閾值一般取0.8%～1.0%。

3 現場工業(yè)性試驗

針對22201工作面瓦斯?jié)舛葧r常超限造成采煤機停機頻繁的技術難題，筆者提出并試驗了基于瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測反饋的割煤速度自適應調節(jié)技術?，F場工業(yè)性試驗期間，將工作面瓦斯?jié)舛鹊臀婚y值、中位閥值和高位閥值分別設定為0.4%、0.6%及0.8%，并根據瓦斯?jié)舛扰c割煤速度實測的相關關系，制定了22201工作面瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測反饋的割煤速度表，見表1。

基于瓦斯?jié)舛确答伩刂撇擅簷C割煤速度的同時，依據采煤機機身上安裝的定位系統及工作面視頻監(jiān)控系統實時監(jiān)測的采煤機相對工作面位置，用以輔助反饋調節(jié)采煤機割煤速度，策略為：22201工作面自動化割煤期間，當采煤機前滾筒中心位于工作面第87架液壓支架位置處，即為采煤機前滾筒中心運移至距上隅角18m左右時，采煤機截割速度宜控制在6m/min以下；當采煤機前滾筒位于工作面第92架液壓支架位置，即煤機前滾筒中心位置距上隅角10m左右時，采煤機截割速度小于5m/min。

表1 22201工作面瓦斯?jié)舛确答佌{節(jié)的割煤速度表

截至2012年3月24日，在瓦斯?jié)舛确答伒淖詣踊蠲核俣日{節(jié)技術的實施下，工作面持續(xù)推進了192m，比工作面試采期顯著提高了工作面推進速度，工作面平均日產量增加至1077t/d。在工作面瓦斯?jié)舛瓤刂品矫妫?2201工作面及回風平巷平均瓦斯?jié)舛确謩e提高至0.26%，0.51%，主要受工作面推進速度加快的影響，但并未發(fā)生工作面瓦斯?jié)舛瘸迒栴}，如圖3所示。

圖3 截割速度自適應調節(jié)技術實施效果

瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測反饋與采煤機割煤速度自適應調節(jié)技術相互制約，對于降低工作面瓦斯?jié)舛瘸薜母怕示哂幸欢ǔ尚?。另外，在采煤機定位系統與視頻監(jiān)控系統的共同作用下，配合采煤機遠程控制系統，較好的實現了薄煤層自動化截割速度的有效控制，一定程度上解決了高瓦斯薄煤層自動化采煤機遠程控制及工作面瓦斯治理的技術難題。

同時，通過建立割煤速度調節(jié)策略與瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測反饋間的連接，為研究高瓦斯薄煤層自動化工作面瓦斯?jié)舛扰c割煤速度等工藝參數之間的相關關系提供了全面的基礎資料。

通過現場實測獲取高瓦斯薄煤層自動化工作面瓦斯?jié)舛扰c割煤速度關系，進而提出適合22201工作面割煤速度自適應調節(jié)策略的技術思路，為類似條件高瓦斯薄煤層自動化割煤速度的調節(jié)提供了技術參考，對薄煤層自動化綜采工藝在復雜地質條件下的推廣具有重要的現實意義。

4 結 論

1)在一定范圍內，高瓦斯薄煤層工作面瓦斯?jié)舛扰c割煤速度基本呈正相關關系；22201工作面瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測應以上隅角位置監(jiān)測為主、采煤機位置監(jiān)測為輔，據此提出了基于工作面上隅角瓦斯?jié)舛葘崟r監(jiān)測反饋的采煤機割煤速度自適應調節(jié)策略。

2)現場實測了割煤過程中工作面上隅角瓦斯?jié)舛扰c采煤機相對位置的相關關系，上隅角瓦斯?jié)舛扰c采煤機距上隅角距離基本呈現負相關關系，利用采煤機相對位置的實時監(jiān)測反饋達到采煤機截割速度的自適應調節(jié)是可行的。

3)現場工業(yè)性試驗結果表明：運用瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測反饋為主和采煤機相對上隅角位置監(jiān)控為輔的自動化截割速度自適應調節(jié)技術，對于改善高瓦斯薄煤層自動化工作面瓦斯?jié)舛瘸藜安擅簷C遠程控制的問題提供了技術思路。