大同礦區(qū)千萬(wàn)噸級(jí)綜放工作面智能控制關(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)狀及展望

王愛(ài)國(guó)

(大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司,山西大同 037003)

我國(guó)厚煤層可采儲(chǔ)量占全國(guó)煤炭總可采儲(chǔ)量的43%左右,每年地下厚煤層的開(kāi)采量約占全國(guó)煤炭產(chǎn)量的40%～50%[1-2]。放頂煤開(kāi)采是厚及特厚煤層安全高效開(kāi)采的主要開(kāi)采方法之一。因此,厚煤層條件下開(kāi)展安全、高效、高回收率開(kāi)采對(duì)我國(guó)煤炭工業(yè)的發(fā)展具有重要作用。大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司(以下簡(jiǎn)稱：同煤集團(tuán))所屬高產(chǎn)高效礦井主要以厚煤層綜放開(kāi)采為主,綜放工作面成套設(shè)備整體技術(shù)與生產(chǎn)管理水平還有很大的進(jìn)步空間,綜放工作面智能控制關(guān)鍵技術(shù)的研究對(duì)于同煤集團(tuán)在十三五期間完成11 座千萬(wàn)噸級(jí)礦井的建設(shè)的目標(biāo)具有積極的意義。

1 智能化綜放開(kāi)采技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

目前,國(guó)外綜放開(kāi)采技術(shù)僅在土耳其、孟加拉、澳大利亞等少數(shù)幾個(gè)國(guó)家有相關(guān)應(yīng)用且大多為國(guó)內(nèi)綜放技術(shù)的輸出應(yīng)用,如兗礦集團(tuán)有限公司將綜放開(kāi)采技術(shù)應(yīng)用到澳大利亞澳思達(dá)礦,并探索了基于時(shí)間控制的自動(dòng)化放煤方式。國(guó)外在智能化綜放開(kāi)采領(lǐng)域未開(kāi)展相關(guān)研究。相反,國(guó)外自21 世紀(jì)初至今,以慣性導(dǎo)航技術(shù)、熱紅外線煤巖識(shí)別技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、多傳感器技術(shù)為代表的綜采工作面自動(dòng)化技術(shù)使綜采工作面的智能化成為可能,也為智能化綜放開(kāi)采技術(shù)的研究提供了一定的技術(shù)借鑒。

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

綜放開(kāi)采技術(shù)90 年代初期以兗礦興隆莊礦綜放工作面年產(chǎn)突破300萬(wàn)噸及復(fù)雜煤層綜放開(kāi)采技術(shù)的應(yīng)用為標(biāo)志,綜放開(kāi)采技術(shù)在國(guó)內(nèi)快速發(fā)展應(yīng)用[3-4]；從“十五”期間兗州礦區(qū)“600 萬(wàn)噸綜放工作面設(shè)備配套與技術(shù)研究”項(xiàng)目的完成,創(chuàng)造了國(guó)內(nèi)外綜放開(kāi)采單產(chǎn)、工效和采出率的最高記錄,到“十一五”期間針對(duì)14 m～20 m特厚煤層開(kāi)發(fā)的大采高綜放開(kāi)采成套技術(shù)與裝備,工作面年產(chǎn)達(dá)到1 000萬(wàn)噸,我國(guó)綜放開(kāi)采技術(shù)已處于國(guó)際領(lǐng)先水平。目前綜放開(kāi)采技術(shù)已經(jīng)成為我國(guó)特厚煤層礦區(qū)實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效的主要技術(shù)途徑。

在智能化綜放開(kāi)采相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域,近年來(lái)國(guó)內(nèi)進(jìn)行了初步的探索試驗(yàn),如：兗礦興隆莊煤礦試驗(yàn)程序控制與人工補(bǔ)放結(jié)合的放煤方式；潞安王莊煤礦試驗(yàn)研究了聲音頻譜煤矸識(shí)別技術(shù)；中國(guó)礦業(yè)大學(xué)進(jìn)行了基于聲波的放頂煤過(guò)程自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究；北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司試驗(yàn)了記憶放頂煤方式。這些試驗(yàn)研究雖取得了一定的認(rèn)識(shí),但在關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域仍未取得實(shí)質(zhì)性的突破,不能適應(yīng)智能化綜放開(kāi)采現(xiàn)場(chǎng)需求。

綜上,綜放開(kāi)采的智能化尚處于試驗(yàn)探索階段,主要存在智能放煤理論空白,煤矸智能識(shí)別、放煤智能控制等關(guān)鍵技術(shù)尚未突破,亟待研發(fā)新技術(shù)和新裝備解決這些難題。

2 大同礦區(qū)綜合機(jī)械化開(kāi)采智能化技術(shù)現(xiàn)狀

目前,同煤集團(tuán)在自動(dòng)化及智能化綜采裝備技術(shù)方面,主要包括大斗溝礦普通綜采液壓支架電液控技術(shù)、麻家梁礦放頂煤智能化綜采裝備技術(shù)、四臺(tái)礦薄煤層智能化綜采裝備技術(shù),以及同忻礦千萬(wàn)噸綜放開(kāi)采示范。

2.1 大斗溝煤礦普通綜采液壓支架電液控制技術(shù)

應(yīng)用“SAC型支架電液控系統(tǒng)”,支架采用鄰架、隔架操作,可實(shí)現(xiàn)成組操作。該系統(tǒng)具有人機(jī)交換界面,支架操作簡(jiǎn)單,具有本架閉鎖,工作面全閉鎖以及成組動(dòng)作等功能。該系統(tǒng)提高了支架控制操作的自動(dòng)化程度,加快了支架動(dòng)作速度,增加了支架工況和控制過(guò)程的信息化和監(jiān)視功能。電液控制提供的控制方式和過(guò)程的可調(diào)節(jié)性(如主動(dòng)作與輔動(dòng)作的協(xié)調(diào)配合,支架各部件的聯(lián)動(dòng)配合,不同位置支架的動(dòng)作關(guān)系等)使支架的動(dòng)作更合理,更好地滿足實(shí)際需求,對(duì)工作面條件的適應(yīng)性更強(qiáng)。

應(yīng)用“MK-RP-6D礦用乳化液凈化/配比裝置”,有效地防止了水中濁度、懸浮物、粒度、酸堿等有害物質(zhì)對(duì)井下液壓設(shè)備的磨損腐蝕,避免液壓支柱在使用中存在的安全隱患,保證支架使用的穩(wěn)定性及使用壽命,加上自動(dòng)配比的功能,只要按要求正常使用,支架少有堵、銹的現(xiàn)象發(fā)生,減少了支架配件更換的次數(shù)。

從2012 年底開(kāi)始使用SAC 型支架電液控系統(tǒng)和乳化液凈化/配比裝置以來(lái),共采出82301、82405、82401三個(gè)工作面,生產(chǎn)原煤50余萬(wàn)噸。

2.2 麻家梁礦和四臺(tái)礦智能化綜采裝備技術(shù)

麻家梁礦14505工作面和四臺(tái)礦8213工作面均為智能化工作面,其不同點(diǎn)在于麻家梁礦為綜放工作面,四臺(tái)礦為薄煤層工作面,但其智能化工作原理是相同的。系統(tǒng)均分成三個(gè)層次,第一層次為單機(jī)設(shè)備層,第二層次為集中控制層(順槽監(jiān)控中心),第三層次為地面層。

單機(jī)設(shè)備層主要由各子系統(tǒng)完成設(shè)備的獨(dú)立控制,包括煤機(jī)子系統(tǒng)、電氣控制子系統(tǒng)、電液控制系統(tǒng)、運(yùn)輸機(jī)系統(tǒng)、集成供液系統(tǒng)(泵站系統(tǒng))、網(wǎng)絡(luò)及信息系統(tǒng)(包括工作面以太網(wǎng)、視頻及三維系統(tǒng))。各子系統(tǒng)提供通信接口,開(kāi)放通信協(xié)議,綜采自動(dòng)化系統(tǒng)可通過(guò)通信接口實(shí)現(xiàn)對(duì)各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集及反向控制起停功能。

集中控制層主要在監(jiān)控中心內(nèi)完成,將采煤機(jī)系統(tǒng)、電液控系統(tǒng)、三機(jī)集中控制系統(tǒng)、泵站智能控制系統(tǒng)、工作面視頻監(jiān)控系統(tǒng)及數(shù)據(jù)上傳系統(tǒng)等結(jié)合在一起,實(shí)現(xiàn)在皮帶巷設(shè)備列車(chē)監(jiān)控臺(tái)內(nèi)對(duì)工作面設(shè)備的遠(yuǎn)程與集中控制。

地面層實(shí)現(xiàn)對(duì)綜采工作面設(shè)備的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè),實(shí)時(shí)掌握工作面各設(shè)備的工況。

麻家梁礦電液控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)鄰架控制、隔架控制、成組控制。支架可以左右各控制5架支架,在成組操作過(guò)程中,只需要在一臺(tái)支架按下3個(gè)按鍵,大約2 s時(shí)間,就可以成組控制12架支架推溜、拉后溜等工序。

四臺(tái)礦薄煤層綜采工作面開(kāi)采成套技術(shù)與裝備通過(guò)載波通訊方式,實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)數(shù)據(jù)傳輸至皮帶順槽監(jiān)控中心,對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行基本的動(dòng)作控制。采煤機(jī)滾筒視頻、照明系統(tǒng)和紅外線發(fā)射裝置,能夠確保采煤機(jī)的準(zhǔn)確定位以及截割直線度的遠(yuǎn)程控制等。利用軸編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)角度反映滾筒位置及臥底量和采高等參數(shù),采煤機(jī)身配置本安型高清晰視頻信號(hào)系統(tǒng),具備遠(yuǎn)控操作時(shí)“煤巖識(shí)別”截割條件。

2.3 同忻礦千萬(wàn)噸級(jí)綜放工作面智能控制關(guān)鍵技術(shù)及示范工程

2014年,同煤集團(tuán)承擔(dān)的國(guó)家發(fā)改委低碳技術(shù)創(chuàng)新及產(chǎn)業(yè)示范工程項(xiàng)目“千萬(wàn)噸級(jí)綜放工作面智能控制關(guān)鍵技術(shù)及示范工程”,是針對(duì)大同礦區(qū)特厚煤層(16 m～20 m)綜采放頂煤技術(shù)存在的煤層頂煤回收率低,人工放煤智能化水平不高等問(wèn)題提出立項(xiàng)攻關(guān)的。

項(xiàng)目基于現(xiàn)場(chǎng)人工放煤經(jīng)驗(yàn)、設(shè)備運(yùn)行特性、環(huán)境顯現(xiàn)特性等,建立了智能放煤決策系統(tǒng)；通過(guò)多傳感器融合技術(shù),開(kāi)發(fā)了支架姿態(tài)控制系統(tǒng),結(jié)合電液控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了放煤機(jī)構(gòu)的精準(zhǔn)放煤；基于千兆以太工業(yè)環(huán)網(wǎng),通過(guò)三級(jí)協(xié)同控制系統(tǒng)、煤流均衡控制等技術(shù),將采-放-運(yùn)協(xié)同聯(lián)動(dòng),實(shí)現(xiàn)采煤與放煤的安全高效,最終形成了千萬(wàn)噸級(jí)綜放工作面智能控制關(guān)鍵技術(shù)及示范工程(圖1～2 示意)。在同忻煤礦8202 綜放工作面得到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施,年產(chǎn)原煤1 060.55 萬(wàn)噸,最高月產(chǎn)量126.12萬(wàn)噸,工作面人員減少三分之一。

圖1 同忻礦8202工作面調(diào)度室遠(yuǎn)程監(jiān)控臺(tái)

圖2 信息化生產(chǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)可視化系統(tǒng)

3 大同礦區(qū)千萬(wàn)噸級(jí)綜放工作面智能控制關(guān)鍵技術(shù)

目前,同煤集團(tuán)承擔(dān)的國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“深地資源勘查開(kāi)采”重點(diǎn)專項(xiàng)“千萬(wàn)噸級(jí)特厚煤層智能化綜放開(kāi)采關(guān)鍵技術(shù)及示范”(2018YFC0604500)項(xiàng)目,正在塔山礦8222 綜放工作面實(shí)施。以特厚煤層智能化綜放開(kāi)采為核心,在智能群組放煤機(jī)理、智能放煤方法、煤矸精準(zhǔn)識(shí)別技術(shù)、智能控制技術(shù)及裝備和工程示范等方面,擬取得一些相關(guān)技術(shù)成果。

3.1 智能群組放煤機(jī)理

對(duì)特厚煤層放頂煤開(kāi)采頂煤體破碎機(jī)理、頂煤運(yùn)移規(guī)律及特厚煤層覆巖結(jié)構(gòu)演化特征、特厚煤層智能綜放開(kāi)采頂煤體群組放出規(guī)律等方面進(jìn)行研究。通過(guò)建立特厚煤層裂隙擴(kuò)展模型,揭示特厚頂煤體的裂隙擴(kuò)展規(guī)律；開(kāi)發(fā)覆巖破斷模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái),揭示頂煤運(yùn)移中覆巖破斷演化特征；確立煤矸互相作用機(jī)制及其與含矸率關(guān)系；揭示特厚煤層自動(dòng)化放煤機(jī)理和“采放”協(xié)調(diào)高效回采工藝方法,解決特厚煤層綜放開(kāi)采大尺寸頂煤體破碎機(jī)理及群組頂煤放出規(guī)律問(wèn)題,以實(shí)現(xiàn)特厚煤層智能化高效開(kāi)采,揭示特厚煤層智能化綜放開(kāi)采自動(dòng)化放煤機(jī)理。

主要技術(shù)目標(biāo)：

(1)揭示特厚煤層智能化綜放開(kāi)采大尺度頂煤體的破碎機(jī)理;

(2)揭示特厚煤層智能化綜放開(kāi)采自動(dòng)化放煤機(jī)理;

(3)研制出高精度頂煤運(yùn)移追蹤儀,位移測(cè)量偏差≤10 cm。

3.2 智能放煤方法

以現(xiàn)場(chǎng)人工放煤統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),通過(guò)對(duì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析,建立采放協(xié)調(diào)與多放煤口群組放煤關(guān)系,形成基于現(xiàn)場(chǎng)工作面放煤工藝技術(shù)參數(shù),開(kāi)發(fā)智能放煤控制系統(tǒng)及軟件,形成工作面群組放煤工藝程序軟件,指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)工作面實(shí)施。

主要技術(shù)目標(biāo)：

(1)開(kāi)發(fā)特厚煤層采放協(xié)調(diào)智能放煤決策軟件。

(2)開(kāi)發(fā)特厚煤層綜放開(kāi)采多源信息數(shù)據(jù)庫(kù)?？芍辽賹?duì)5 種數(shù)據(jù),包括煤層賦存數(shù)據(jù)、礦壓顯現(xiàn)數(shù)據(jù)、頂煤冒放數(shù)據(jù)、采放工藝數(shù)據(jù)、頂煤回收數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。

3.3 煤矸精準(zhǔn)識(shí)別技術(shù)

主要開(kāi)發(fā)融合煤矸沖擊振動(dòng)與高光譜的煤矸識(shí)別新技術(shù)、基于探地雷達(dá)的頂煤厚度探測(cè)和工作面煤量監(jiān)測(cè)技術(shù),為綜放開(kāi)采智能化控制提供準(zhǔn)確的放煤狀態(tài)信息。通過(guò)分析煤矸沖擊振動(dòng)信號(hào)特征,實(shí)現(xiàn)“耳聽(tīng)”的煤矸仿生識(shí)別方法；分析煤矸高光譜譜線特征,以煤矸物質(zhì)成分區(qū)別為判據(jù),實(shí)現(xiàn)“目測(cè)”的煤矸仿生識(shí)別方法。通過(guò)頂煤厚度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)來(lái)調(diào)整煤巖識(shí)別值,運(yùn)用人工智能技術(shù)與人工放煤統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián),提高頂煤回收率。

主要技術(shù)目標(biāo)：

(1)研制出煤矸識(shí)別裝置,煤矸識(shí)別率不低于90%;

(2)研制放煤量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置;

(3)基于探地雷達(dá)的頂煤厚度在線探測(cè)裝置,最大探測(cè)深度20 m,煤厚探測(cè)誤差小于10%。

3.4 智能放煤控制技術(shù)及裝備

研制“支-放”協(xié)調(diào)高效放煤機(jī)構(gòu),突破綜放工作面直線度監(jiān)控、支架位姿及放煤機(jī)構(gòu)精確位置監(jiān)控技術(shù),開(kāi)發(fā)特厚煤層智能化綜放工作面基于放煤機(jī)構(gòu)精準(zhǔn)控制、工作面直線度智能化控制、后部刮板輸送機(jī)煤流量控制,融合煤矸辨識(shí)信息、頂煤體量探測(cè)信息、煤流量激光掃描信息和采放協(xié)調(diào)智能群組放煤工藝模型的智能群組放煤控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)綜放工作面三機(jī)自動(dòng)化智能協(xié)同,實(shí)現(xiàn)綜放工作面“采-支-放-運(yùn)”系統(tǒng)環(huán)節(jié)智能自適應(yīng)。

主要技術(shù)目標(biāo)：

(1)開(kāi)發(fā)智能放煤控制軟件;

(2)研制高精度放煤機(jī)構(gòu)傾角和行程傳感裝置;

(3)研制智能化放煤控制器,具備放煤機(jī)構(gòu)手動(dòng)和自動(dòng)動(dòng)作功能。

3.5 工程示范

通過(guò)對(duì)塔山礦年產(chǎn)1 500 萬(wàn)噸8222智能化綜放工作面合理參數(shù)總體設(shè)計(jì)、綜放工作面成套設(shè)備選型、采放回采工藝應(yīng)用效果以及綜放工作面安全智能保障技術(shù)體系的系統(tǒng)研究。建成特厚煤層綜放工作面安全智能保障技術(shù)體系,形成安全、高效、智能綜放開(kāi)采示范工作面,實(shí)現(xiàn)特厚煤層智能化綜放開(kāi)采,年產(chǎn)量突破1 500 萬(wàn)噸的目標(biāo)。

4 展望

開(kāi)發(fā)和推廣應(yīng)用綜放開(kāi)采自動(dòng)化和智能化技術(shù),減人提效是實(shí)現(xiàn)煤炭安全高效開(kāi)采的根本途徑。大同礦區(qū)千萬(wàn)噸級(jí)綜放工作面智能控制關(guān)鍵技術(shù)將突破特厚煤層智能化綜放開(kāi)采技術(shù)與裝備瓶頸,攻克煤矸識(shí)別、群組放煤、智能控制等技術(shù)難題,實(shí)現(xiàn)特厚煤層智能化綜放開(kāi)采,創(chuàng)建年產(chǎn)1 500萬(wàn)噸智能化綜放開(kāi)采示范工程,帶動(dòng)國(guó)內(nèi)綜放開(kāi)采礦區(qū)智能化開(kāi)采技術(shù)的提高,為我國(guó)特厚煤層的安全、高效開(kāi)發(fā)提供可靠的技術(shù)支撐。