唐口煤礦智能化放頂煤工作面升級改造技術研究

山東唐口煤業(yè)有限公司 山東濟寧 272005

智能化開采是煤礦安全高效開采的發(fā)展方向與必然趨勢[1]。隨著煤炭開采技術的發(fā)展與進步，工作面智能化開采技術已進入大規(guī)模推廣應用階段。為了加快推動智能化開采技術的應用步伐，國家安全監(jiān)管總局開展了“機械化換人、自動化減人”科技強安專項行動，將煤炭智能化開采列為重點研究方向；山東省要求全省沖擊地壓礦井采掘工作面必須在 2019 年底實現(xiàn)智能化。唐口煤礦于 2018 年底開始智能化工作面設備升級改造工作布置，將 6308 工作面作為首個智能化工作面，對現(xiàn)有的采煤機、液壓支架、刮板輸送機、轉載機、供液系統(tǒng)等綜機裝備進行升級改造，要求采煤機具有記憶截割功能，液壓支架采用電液控制系統(tǒng)，工作面配套自動化控制系統(tǒng)。通過升級改造，將人工手動操作工作面改造為智能化放頂煤工作面，改造的內容及相關經(jīng)驗可供類似條件礦區(qū)參考。

1 煤層地質條件

唐口煤礦 630 采區(qū)埋深為 687～1 105 m，采區(qū)南北長 1.8～3.5 km，東西寬 0.7～2.7 km，面積約 6.7 km2，儲量為 5 142.9 萬 t。采區(qū)共布置 10 個綜放工作面，6301、6302 工作面斜長約 150 m，6303～6310 工作面斜長約 200 m。為了避免孤島開采，將 6308 工作面作為首采面。

采區(qū)主采 3 (3上)煤層，煤層平均厚約 7.51 m，合并區(qū)平均厚 9.3 m。采區(qū)煤層傾角為 2°～9°。煤層直接頂為泥巖，平均厚 3.68 m，抗壓強度平均約為 30 MPa，屬不穩(wěn)定頂板?；卷敒橹猩皫r，平均厚 8.47 m，抗壓強度平均約為 50 MPa，屬較穩(wěn)定基本頂。直接底為泥巖，平均厚 2.13 m，抗壓強度平均為 30 MPa，屬不穩(wěn)定底板；基本底為細砂巖，平均厚 13.2 m，抗壓強度平均約為 50 MPa，屬較穩(wěn)定底板。

2 智能化工作面升級改造主要內容

2.1 工作面配套設備

6308 工作面長度為 182 m，采用 ZF15600/24/45G型大采高放頂煤液壓支架進行放頂煤開采。工作面共布置 102 架 ZF15600/24/45G 放頂煤中部支架、6 架ZFG16000/24/43H 型過渡支架，配套 MG750/1800-WD 電牽引滾筒式采煤機、SGZ1000/2×1000 前后部刮板輸送機和 SZZ1200/525 型轉載機。配套設備主要型號與參數(shù)如表 1 所列，工作面“三機”配套如圖 1所示。

表1 工作面設備選型Tab.1 Model selection of equipments on working face

2.2 智能化工作面升級改造

2.2.1 工作面自動化控制系統(tǒng)

圖1 工作面“三機”配套Fig.1 Matching of three kinds of equipment on working face

唐口煤礦要實現(xiàn)“工作面自動控制為主，監(jiān)控中心遠程干預控制為輔”的自動化生產(chǎn)模式，達到“無人操作，有人巡視”的智能化生產(chǎn)目的。要實現(xiàn)工作面智能化開采，必須建設工作面井下監(jiān)控中心。井下監(jiān)控中心是整個工作面協(xié)調控制的大腦，主要由礦用隔爆兼本安型監(jiān)控主機、礦用本安型顯示器和礦用本安型操作臺、交換機、電源等設備組成，如圖 2 所示。井下監(jiān)控中心具有一鍵啟停功能，同時具備對采煤機、液壓支架、工作面運輸設備、泵站系統(tǒng)、帶式輸送機等設備工況監(jiān)測與遠程控制功能。工作面液壓支架、采煤機、刮板輸送機、轉載機的視頻信息和監(jiān)控信號均通過工作面工業(yè)以太網(wǎng)傳到井下監(jiān)控中心，在監(jiān)控中心實現(xiàn)遠程操作。為了保證視頻圖像和控制信號的實時傳輸，采用千兆光纖，傳輸速率應不低于100 Mb/s。

圖2 井下監(jiān)控中心Fig.2 Underground monitoring center

2.2.2 工作面視頻系統(tǒng)

由于目前煤巖識別技術還不成熟，工作面智能化開采主要通過視頻遠程監(jiān)控，實現(xiàn)工作面“無人操作，有人巡視”的智能化開采。工作面視頻系統(tǒng)包括礦用本安型攝像儀、礦用本安型顯示器、礦用本安型操作臺、安裝電纜及附件等組成。

如圖 3 所示，工作面視頻通過工業(yè)以太網(wǎng)進行傳輸[2]。工作面視頻監(jiān)控系統(tǒng)包括液壓支架視頻系統(tǒng)與采煤機視頻系統(tǒng)[3]。為節(jié)約成本，每 6 個支架配備 3臺礦用本安型攝像儀，安裝在液壓支架頂梁上，1 臺拍攝方向與工作面平行，其余 2 臺朝向煤壁。采煤機視頻系統(tǒng)具備對工作面煤壁的無死角覆蓋監(jiān)控，視頻系統(tǒng)傳輸延遲不超過 500 ms。工作面視頻要求具備低照度、寬動態(tài)、強光抑制、紅外補光、水霧及煤塵穿透功能，云臺攝像儀云臺水平旋轉角度范圍不小于180°，光學變焦不小于 4 倍，最低像素不低于 1 080 P，水平廣角不低于 90°，同時具有跟隨采煤機自動切換視頻畫面的功能，以實現(xiàn)實時監(jiān)控。

圖3 工作面視頻系統(tǒng)Fig.3 Video surveillance system on working face

在井下監(jiān)控中心配備 2 臺礦用本安型顯示器，進行工作面視頻顯示，跟隨采煤機自動切換視頻圖像。為了更好地監(jiān)測，在刮板運輸機機頭和機尾、轉載點、帶式輸送機機頭處各安裝 1 臺礦用本安型攝像儀，實時監(jiān)控。

2.2.3 液壓支架改造

液壓支架液壓系統(tǒng)改造主要是將原手動操縱閥改為電液控制換向閥，將手動反沖洗過濾器改為自動反沖洗過濾器，同時增加控制器、電源箱、隔離耦合器、壓力傳感器、紅外接收器和綜合接收器等液壓系統(tǒng)電液控制元部件[4]?？傮w設計原則是盡量不改變現(xiàn)有液控單向鎖、雙向鎖、噴霧閥等輔閥及其安裝位置，以減小液壓系統(tǒng)改造工作量。在原手動操縱閥的安裝位置安裝電液控制換向閥，如圖 4 所示。由于該支架有 26 個操作功能，考慮到左右立柱之間空間有限，將其分為 20 功能和 6 功能 2 個電液控制換向閥。20 功能控制閥進行立柱升降、拉架推刮板輸送機、伸收側護板、底調、護幫、伸縮梁和抬底、前噴霧等支架主體部分動作，6 功能控制閥進行伸收尾梁、插板、拉帶式輸送機和后噴霧支架后部動作，具體布置如圖 5 所示。

圖4 操縱閥安裝示意Fig.4 Installation sketch of control valve

圖5 操縱閥布置Fig.5 Layout of control valve

液壓系統(tǒng)改動量較大的是推移千斤頂。由于采用電液控制系統(tǒng)，需要在推移千斤頂中加裝環(huán)形磁鐵和行程傳感器[5]。如圖 6 所示，行程傳感器安裝在液壓缸中，長度與推移行程一致[6]。由于液壓支架推移步距為 960 mm，因而行程傳感器的長度也不小于 960 mm。為了安裝行程傳感器，需要在推移千斤頂?shù)幕钊麠U上設置細長孔，為此對推移千斤頂進行改造。改造的基本原則是只改動推移千斤頂結構，不改動推移桿和底座等部件。

圖6 推移千斤頂加裝行程傳感器Fig.6 Installation of stroke sensor on push jack

推移千斤頂改造前、后結構如圖 7 所示。原推移千斤頂后端有φ82 mm 的圓孔用于裝配推移千斤頂固定銷軸。改造后取消了后端圓孔，在原圓孔處焊接 2個φ80 mm 的圓鋼，以代替原來的銷軸固定推移千斤頂，同時將千斤頂末端長度增加了 35 mm，以裝配行程傳感器。改造后的推移千斤頂外形結構基本不變，僅后端長度略有增加，與現(xiàn)有部件裝配不存在問題。

圖7 推移千斤頂結構示意Fig.7 Structural sketch of push jack

2.2.4 工作面供液系統(tǒng)改造

由于電液控制系統(tǒng)對乳化液清潔度要求較高，將工作面乳化液系統(tǒng)升級為智能型集成供液系統(tǒng)，如圖8 所示。選用 3 臺 BRW630/37.5 智能乳化泵，每臺乳化液泵均配備變頻一體機，配套 2 臺 7 000 L 乳化液箱和 2 臺供液站；選用 2 臺 BPW516/16 智能噴霧泵，配套 1 臺 7 000 L 水箱；配備自動反沖洗高壓過濾站、自動反沖洗清水過濾站、回液過渡站和反滲透水處理裝置[7]。泵站配套集成控制系統(tǒng)。智能型集成供液系統(tǒng)除了具備基本的供液功能外，還具備電磁卸載控制、乳化液泵站變頻和電磁卸載智能聯(lián)動控制、多級過濾、自動補液、乳化液自動配比、系統(tǒng)運行信息檢測與上傳等功能[8]，可以在井下監(jiān)控中心進行啟、停控制，為工作面智能化開采創(chuàng)造條件。

圖8 智能集成供液系統(tǒng)Fig.8 Intelligent integrated oil supply system

2.2.5 其他設備改造

要實現(xiàn)智能化開采，還需要對采煤機進行改造。對現(xiàn)有采煤機的控制系統(tǒng)進行升級改造，以實現(xiàn)記憶截割和遠程控制。當工作面煤層條件沒有變化時，采煤機根據(jù)自動重復示范刀截割模式數(shù)據(jù)自動運行；當煤層條件發(fā)生變化時，人工遠程干預修正搖臂動作，遠程監(jiān)控截割。人工干預修正值自動覆蓋原數(shù)據(jù)，用于采煤機下一刀截割，實現(xiàn)記憶截割和遠程控制。

對刮板輸送機控制系統(tǒng)進行改造，采用交流變頻器，實現(xiàn)軟啟動和智能調速控制[9]。增加了刮板輸送機自動伸縮機尾，增設刮板輸送機減速器溫度、壓力等傳感器，開放接口與通信協(xié)議，同時將刮板輸送機油溫與油壓等參數(shù)上傳到井下監(jiān)控中心。購置KTC101 通信控制系統(tǒng)，對刮板輸送機、轉載機、破碎機、井下帶式輸送機進行啟停、閉鎖等控制，開放轉載機自移、刮板輸送機自移、井下帶式輸送機控制協(xié)議，并將上述設備運行狀態(tài)、電動機溫度、報警及故障等數(shù)據(jù)上傳到工作面智能化控制系統(tǒng)，實現(xiàn)井下監(jiān)控中心對上述設備進行遠程監(jiān)控。同時，對工作面超前支架和端頭支架的液壓系統(tǒng)進行改造，采用電液控制系統(tǒng)，實現(xiàn)遙控操作。

3 結語

通過對設備的升級改造，唐口煤礦大采高放頂煤工作面基本具備了智能化開采條件。但是上述改造僅僅實現(xiàn)了大采高放頂煤智能化工作面的基本功能，還有些問題有待解決。

(1)煤矸識別技術尚不成熟，唐口煤礦放頂煤操作主要采用時序控制加鍵盤控制，還需要人工進行放煤控制，放煤過程沒有實現(xiàn)智能化。

(2)唐口煤礦煤層地質條件復雜，智能化工作面升級改造時沒有采用工作面自動調直系統(tǒng)，工作面調直還需要人工介入，沒有實現(xiàn)智能化。

(3)煤巖識別技術尚不成熟，唐口煤礦采用采煤機記憶截割加遠程監(jiān)控模式進行生產(chǎn)。由于唐口煤礦煤層條件復雜多變，記憶截割模式?jīng)]有得到充分應用。