綜掘工作面智能化開采技術(shù)的實(shí)踐

沈靜偉

（山西長平煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048400）

1 工程概況

山西長平煤業(yè)公司位于山西省高平市寺莊鎮(zhèn)境內(nèi)，核定生產(chǎn)能力為500萬t/a，當(dāng)前主要開采3#煤層。從當(dāng)前開采情況來看，影響該礦安全高效開采的因素有：瓦斯災(zāi)害突出，地質(zhì)條件復(fù)雜，礦壓顯現(xiàn)劇烈，巷道變形大。從智能、安全、綠色為特征的科學(xué)開采角度出發(fā)，該煤礦決定開展綜掘工作面智能化開采技術(shù)的實(shí)踐研究。

2 智能化開采技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀分析

2.1 實(shí)施智能化開采技術(shù)存在不足

在長平煤業(yè)公司實(shí)施綜掘工作面智能化開采技術(shù)應(yīng)用的時(shí)候，應(yīng)該注意以下問題。

（1）綜掘自動(dòng)化、智能化裝備可靠性存在較大差距，特別是在以高精度傳感器為代表的關(guān)鍵元器件方面差距明顯。

（2）在精確定位、煤巖分界識別、智能感知技術(shù)、高精三維地質(zhì)模型繪制等方面尚處在起步階段，自動(dòng)化、智能化綜采工作面長期穩(wěn)定運(yùn)行還存在較大困難。

（3）生產(chǎn)布局與系統(tǒng)優(yōu)化、高效自動(dòng)化開采配套裝備相對滯后于綜采自動(dòng)化、智能化技術(shù)的發(fā)展，限制了裝備整體效能的發(fā)揮。

2.2 實(shí)施智能化開采技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)分析

長平煤業(yè)在進(jìn)行綜掘工作面智能化開采的實(shí)踐中，應(yīng)注意以下幾個(gè)方面的工作：

（1）選擇地質(zhì)條件較好、生產(chǎn)系統(tǒng)相對簡單的礦井、采區(qū)和工作面開展初始試驗(yàn)，減少應(yīng)用的難度，循序漸進(jìn)提升技術(shù)應(yīng)用難度并向條件相對復(fù)雜的工作面推廣。

（2）要注重生產(chǎn)布局調(diào)整和系統(tǒng)優(yōu)化，使工作面幾何尺寸、巷道斷面尺寸、外圍運(yùn)輸能力等符合自動(dòng)化、智能化生產(chǎn)需求，消除制約生產(chǎn)能力的因素。

（3）要高度重視智能化開采工藝技術(shù)的創(chuàng)新，通過創(chuàng)新解決現(xiàn)有生產(chǎn)工藝的不足。

（4）在裝備配套方面，要在提高裝備自動(dòng)化、智能化水平的同時(shí)，高度重視單產(chǎn)水平的提升。要通過提升生產(chǎn)效率來補(bǔ)償增加的裝備投資，創(chuàng)造相對寬松的試驗(yàn)和生產(chǎn)環(huán)境，努力實(shí)現(xiàn)減人提效、集約化生產(chǎn)，以充分體現(xiàn)科技進(jìn)步對企業(yè)綜合效益的貢獻(xiàn)。

3 綜掘工作面智能化開采技術(shù)的設(shè)計(jì)

3.1 智能化開采工序

綜采工作面智能化開采是把煤炭作為工作輸入對象，煤炭和支護(hù)巷道作為工作輸出對象，在傳感控制、開采控制和視頻控制共同作用下采取電液控制方式，共同實(shí)現(xiàn)智能化開采。綜采工作面的信號較為復(fù)雜，很多信號交叉存在。探測的工序主要有巖層位移、地質(zhì)勘探、瓦期抽采等；生產(chǎn)作業(yè)工序主要有煤炭切割、巷道支護(hù)和輸送等；視頻工序有瓦斯監(jiān)測、供電、排水等。

3.2 綜掘工作面智能開采控制系統(tǒng)

依據(jù)智能化開采工序，可把智能化開采控制分成三個(gè)系統(tǒng)，主要有視頻監(jiān)控、圍巖探測和生產(chǎn)控制。綜掘工作面智能化開采系統(tǒng)見圖1所示。

圖1 綜掘工作面智能化開采控制系統(tǒng)圖

3.3 綜掘工作面智能化開采技術(shù)

從智能化開采工序和控制系統(tǒng)可以看出，綜掘工作面智能化開采技術(shù)，需要從視頻監(jiān)控、錨桿支護(hù)、大斷面巷道變形、掘進(jìn)機(jī)械等方面入手實(shí)現(xiàn)智能化，需要使巷道掘進(jìn)實(shí)現(xiàn)智能化集成。大斷面巷道變形智能化控制技術(shù)，需要把現(xiàn)場調(diào)研、基礎(chǔ)理論分析、數(shù)值計(jì)算作為主要的研究手段，從而確定出關(guān)鍵技術(shù)和內(nèi)容。而掘進(jìn)機(jī)械的智能化、錨桿支護(hù)智能化、煤炭運(yùn)輸智能化、視頻監(jiān)控智能化、控制中心和電液控制需以理論分析、數(shù)值計(jì)算、試驗(yàn)研究及模擬作為手段來確定關(guān)鍵技術(shù)和內(nèi)容。

3.3.1 大斷面巷道變形智能控制技術(shù)

由于智能化控制技術(shù)的不斷進(jìn)步，新型的煤炭開采設(shè)備的應(yīng)用，煤炭產(chǎn)量提升的同時(shí)會伴隨著大量瓦斯的涌現(xiàn)，對回采巷道斷面提出了更高的要求。大斷面巷道和普通斷面巷道破壞有著相同的規(guī)律，巷道開挖完成之后如果沒有進(jìn)行有效的支護(hù)，巷道的破壞區(qū)域和塑性區(qū)會不斷變大。兩個(gè)區(qū)域的擴(kuò)散需要一定的時(shí)間，對煤炭巷道采用高預(yù)緊力錨桿支護(hù)，就能提高煤巖峰值及殘余強(qiáng)度，使巷道達(dá)到穩(wěn)定。因此，應(yīng)用較高預(yù)緊力的錨桿支護(hù)是控制圍巖變形的關(guān)鍵技術(shù)。如果綜掘智能化需要對巷道變形實(shí)現(xiàn)傳感探測和智能控制，應(yīng)該對大斷面巷道圍巖穩(wěn)定機(jī)理和變形進(jìn)行深入的研究，從而實(shí)現(xiàn)煤炭開采的智能化控制，可以更好的對圍巖變形進(jìn)行預(yù)測。

3.3.2 掘進(jìn)機(jī)智能化技術(shù)的應(yīng)用

煤炭掘進(jìn)作業(yè)機(jī)械是實(shí)現(xiàn)綜采工作面智能化的關(guān)鍵，是實(shí)現(xiàn)智能化開采的重要裝備。掘進(jìn)機(jī)械需要對姿態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確的定位控制，可以對煤巖實(shí)現(xiàn)智能化識別，使煤炭開采斷面實(shí)現(xiàn)智能化成型控制。把光纖陀螺作為基礎(chǔ)的慣性導(dǎo)航技術(shù)、視覺測量技術(shù)等可以實(shí)時(shí)檢測煤炭掘進(jìn)機(jī)械的推進(jìn)情況，并可以進(jìn)行準(zhǔn)確的定位，從而確定掘進(jìn)機(jī)械和開采巷道的耦合關(guān)系，可以更好地建立起煤炭機(jī)械掘進(jìn)導(dǎo)航體系，是當(dāng)前掘進(jìn)機(jī)械智能化最為前沿的技術(shù)。

3.3.3 錨桿支護(hù)智能化技術(shù)的應(yīng)用

煤炭綜掘智能化工作面大多采用錨桿支護(hù)方式，是實(shí)現(xiàn)安裝智能化、鉆孔作業(yè)智能化及鋪網(wǎng)作業(yè)智能化的前提。掘錨本體化鉆井設(shè)備的應(yīng)用，使得鉆孔及安裝智能化控制得到了很大的發(fā)展，鋪網(wǎng)智能化技術(shù)卻發(fā)展的較慢，沒有形成科學(xué)、完善的解決方案，需要對錨桿支護(hù)所有工序進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，從而獲取到更好的解決辦法。

3.3.4 運(yùn)輸系統(tǒng)智能化的應(yīng)用

煤炭輸送系統(tǒng)的智能化是實(shí)現(xiàn)煤炭和材料運(yùn)輸智能化控制的關(guān)鍵。運(yùn)輸系統(tǒng)的智能化有著切實(shí)可行的解決方案。煤炭、材料和補(bǔ)給的智能化控制會受到綜采工作面的空間、搬運(yùn)等因素的制約，很難實(shí)現(xiàn)有效的突破，可以利用煤礦機(jī)器人或智能化裝置來取代原來的人工裝卸方式，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸系統(tǒng)的智能化控制。

3.4 視頻監(jiān)控智能化技術(shù)的應(yīng)用

為了實(shí)現(xiàn)煤炭綜采工作面的可視化遠(yuǎn)程控制，采用視頻監(jiān)控智能化可以提供有效的技術(shù)支持。綜采工作面進(jìn)行煤炭開采時(shí)存在較多的粉塵，存在著視頻圖像晃動(dòng)問題，無法清晰地識別出遠(yuǎn)程視頻，需要深入探索煤炭綜采工作面圖像輪廓和掘進(jìn)機(jī)械運(yùn)行速度、運(yùn)行電流和端部溫度等參數(shù)相互間的關(guān)系。對熱成像技術(shù)在煤炭綜采工作面高清成像應(yīng)用方面加大研發(fā)力度，為視頻監(jiān)控智能化的研發(fā)方向，在高粉塵條件下有著很好的熱成像效果。

4 智能化綜掘開采技術(shù)的創(chuàng)新

長平煤業(yè)在自動(dòng)化及智能化綜掘開采技術(shù)調(diào)研的基礎(chǔ)上，對該礦中厚煤層工作面進(jìn)行試驗(yàn)，取得了綜掘智能化開采技術(shù)的創(chuàng)新。

（1）研究創(chuàng)新了采煤機(jī)記憶割煤功能。采煤機(jī)具有的學(xué)習(xí)功能，可以將完成第一刀后的動(dòng)作參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)記憶，實(shí)現(xiàn)全工作面采煤機(jī)的記憶截割及液壓支架的跟機(jī)自動(dòng)作業(yè)。

（2）通過對采煤機(jī)精確定位和滾筒自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)的升級改造，實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)自動(dòng)截割角煤功能。

（3）研究了液壓支架動(dòng)作與乳化液流量、壓力之間的關(guān)系，解決了丟架問題。通過對礦壓數(shù)據(jù)的總結(jié)分析，實(shí)現(xiàn)了工作面圍巖等壓支護(hù)，避免了局部超壓對圍巖的破壞。

（4）優(yōu)化升級了自動(dòng)控制軟件功能，實(shí)現(xiàn)了以采煤機(jī)為控制核心的綜采自動(dòng)化。設(shè)備主要控制參數(shù)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化顯示，并可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行工況設(shè)定報(bào)警界限，實(shí)現(xiàn)了以采煤機(jī)為核心的液壓支架和運(yùn)輸系統(tǒng)的協(xié)同配合作業(yè)。

（5）通過全面總結(jié)分析、深度數(shù)據(jù)挖掘，取得現(xiàn)場實(shí)用的數(shù)據(jù)成果。① 采煤機(jī)運(yùn)行軌跡數(shù)據(jù)分析。通過提取采煤機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)，優(yōu)化了作業(yè)工序，提升了生產(chǎn)效率。② 瓦斯?jié)舛扰c采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)復(fù)合曲線分析。通過對采集的采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)運(yùn)電流的比較，發(fā)現(xiàn)采煤機(jī)速度還有進(jìn)一步提高的空間，為進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率提供了技術(shù)依據(jù)。③ 工作面礦壓數(shù)據(jù)分析。通過生成礦壓歷史數(shù)據(jù)圖表，將整個(gè)工作面的礦壓數(shù)據(jù)變化與推進(jìn)進(jìn)度情況全面實(shí)時(shí)反映出來，為支架初撐力選擇和周期來壓時(shí)的工作面管理提供了精準(zhǔn)數(shù)據(jù)依據(jù)。

5 智能化開采技術(shù)取得的效果分析

長平煤業(yè)公司智能化綜采設(shè)備及技術(shù)的成功應(yīng)用，推動(dòng)了礦區(qū)采煤工藝的發(fā)展，保障了安全生產(chǎn)，大幅度減少了操作人員，明顯提升了經(jīng)濟(jì)效益。

（1）煤礦開采安全保障水平全面提高。長平煤業(yè)近三年沒有出現(xiàn)人員傷亡事故。

（2）減人效果顯著，單產(chǎn)水平大幅提高。長平煤業(yè)公司2018年崗位人數(shù)相對2015年減少了28.55%，工作面單產(chǎn)由2015年841t/人提高到2018年的1682t/人。

（3）開采成本大幅下降。材料和配件噸煤消耗降低了28.5%，生產(chǎn)綜合成本降低了38%。

（4）設(shè)備開機(jī)率明顯提高。由原來普通工作面的65%提高到了2018年的86%，提高了21%。

（5）工作面和兩巷支護(hù)質(zhì)量明顯提高。通過運(yùn)用工作面礦壓數(shù)據(jù)分析成果，有針對性地選擇支護(hù)工藝，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)支護(hù)，工作面片幫、塌頂事故明顯減少。