綜放工作面智能化開采研究

王 猛

（山西焦煤汾西礦業(yè)柳灣煤礦， 山西 孝義 032303）

引言

近些年隨著煤礦綜合自動(dòng)化技術(shù)以及傳感器監(jiān)測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展，采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架等綜采設(shè)備基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，同時(shí)也為礦井智慧化工作面構(gòu)建創(chuàng)造了良好基礎(chǔ)[1-3]。但是受到煤礦井下環(huán)境惡劣、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜等因素影響，煤炭開采設(shè)備仍需通過人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)操控[4]。井下作業(yè)人員仍需在采面危險(xiǎn)、惡劣環(huán)境中工作[5-7]，因此，實(shí)現(xiàn)采煤工作面智能化開采，實(shí)現(xiàn)開采設(shè)備按照預(yù)先設(shè)定程度、傳感器監(jiān)測(cè)信息自動(dòng)調(diào)整生產(chǎn)，對(duì)提高煤炭生產(chǎn)效率具有顯著促進(jìn)意義。

1 工程概況

山西某礦8503 綜放工作面開采5 號(hào)煤層，采面埋深平均420 m，厚度12.3 m，采面設(shè)計(jì)推進(jìn)長度2 800 m、斜長200 m，采面采放比為1∶2.8。采面開采范圍煤炭賦存條件整體較好，除去東側(cè)為采面采空區(qū)、南側(cè)為采區(qū)集中運(yùn)輸巷外，其余西側(cè)及北側(cè)均為實(shí)體煤。8503 采面上覆為3 號(hào)煤層采空區(qū)，由于3 號(hào)煤采用沿空留巷技術(shù)，因而對(duì)應(yīng)采空區(qū)內(nèi)無護(hù)巷煤柱。

由于8503 采面為智能化綜放工作面，綜放設(shè)備選擇時(shí)應(yīng)重點(diǎn)分析設(shè)備穩(wěn)定性、可靠性，同時(shí)采面推進(jìn)速度應(yīng)能滿足回采需要。具體采面主要綜放設(shè)備型號(hào)規(guī)格見表1，采面內(nèi)主要綜放設(shè)備均具備自動(dòng)控制功能。

2 綜放開采關(guān)鍵技術(shù)

2.1 采煤機(jī)記憶截割

采煤機(jī)智能化控制過程中涉及到的技術(shù)包括有采煤機(jī)記憶截割、精準(zhǔn)定位、安全感知等，其中記憶截割是實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)智能化控制的關(guān)鍵。采面會(huì)采前根據(jù)采面端頭位置布置三維坐標(biāo)，采面傾向、走向及垂直方向分別為X、Y、Z 軸，采面內(nèi)采煤機(jī)需往返運(yùn)動(dòng)，因此構(gòu)建的坐標(biāo)體系以采煤機(jī)為坐標(biāo)原點(diǎn)，具體為：精準(zhǔn)確定采煤機(jī)初始位置；通過傾角傳感器確定采煤機(jī)仰、俯角及機(jī)身偏轉(zhuǎn)角；通過慣性導(dǎo)航方法確定采煤機(jī)姿態(tài)、位置，從而實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)定位。

表1 主要綜放設(shè)備型號(hào)規(guī)格

由于開采的5 號(hào)煤層厚度達(dá)到12.3 m，因此，采煤機(jī)在后續(xù)生產(chǎn)過程中采高基本保持不變。通過收集采煤機(jī)前期運(yùn)行數(shù)據(jù)、采面頂?shù)装鍏?shù)以及已有地質(zhì)參數(shù)，確定采煤機(jī)不同位置時(shí)的割煤深度，自動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)已經(jīng)參數(shù)調(diào)整采高、推進(jìn)速度。紅外傳感器探測(cè)液壓支架頂梁位置避免采煤機(jī)滾筒截割頂梁。當(dāng)開采范圍內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、智能化控制無法較好的滿足生產(chǎn)控制時(shí)，可通過人工干預(yù)來確保采面正常生產(chǎn)，具體控制流程見下頁圖1。

2.2 液壓支架跟機(jī)運(yùn)行

液壓支架依據(jù)采煤機(jī)運(yùn)行自動(dòng)調(diào)整位置，從而實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)、液壓支架以及刮板輸送機(jī)間的協(xié)同控制。液壓支架跟機(jī)運(yùn)行實(shí)現(xiàn)融合支架電液控制、放頂煤開采工藝、采煤機(jī)精準(zhǔn)定位等技術(shù)，并通過控制程序?qū)崿F(xiàn)各設(shè)備的自動(dòng)化控制。

圖1 采煤機(jī)記憶截割控制流程

采煤機(jī)割煤時(shí)超前采煤機(jī)3 架的液壓支架首先回收護(hù)幫板同時(shí)液壓支架開始噴霧降塵，滯后采煤機(jī)3 架的液壓支架開始伸出護(hù)幫板并前移支架，隨后開始前移刮板輸送機(jī)。具體液壓支架跟機(jī)運(yùn)行控制流程見圖2。

圖2 液壓支架跟機(jī)運(yùn)行示意圖

2.3 自動(dòng)放煤

放頂煤時(shí)通過采用煤矸自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)煤、矸石區(qū)別，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)放煤，使得采煤機(jī)割煤、放煤、支架支護(hù)以及煤炭運(yùn)輸?shù)壬a(chǎn)環(huán)節(jié)自動(dòng)完成。以往煤巖識(shí)別通過超聲波、紅外線以及射線等技術(shù)，由于綜放工作面放煤時(shí)煤矸條件更為復(fù)雜，上述技術(shù)適應(yīng)性較差。為此，采面采用記憶模式自動(dòng)放煤。

由于8503 綜放工作面開采范圍內(nèi)地質(zhì)條件較好，采煤割煤深度基本保持不變，割煤后放頂煤為單一重復(fù)操作工作，采用記憶放煤功能將放煤人員人工操作過程記錄下來，通過智能控制器控制后續(xù)放煤操作。現(xiàn)場(chǎng)操作流程為：在綜放支架上安裝放煤控制器，該控制器可存儲(chǔ)放煤操作人員操作支架的工序、間隔時(shí)間，后對(duì)控制器存儲(chǔ)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，形成自動(dòng)放煤程序，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)放煤及煤矸識(shí)別。

2.4 防片幫技術(shù)

煤壁片幫會(huì)給采面正常生產(chǎn)帶來影響，為此在支架護(hù)幫板位置布置壓力傳感器，當(dāng)液壓支架伸出護(hù)幫板支撐煤壁時(shí)，壓力傳感器即可采集護(hù)幫板作用到煤壁上的側(cè)向應(yīng)力并將壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果傳輸給支架控制器。當(dāng)護(hù)幫板提供的側(cè)向壓力達(dá)到預(yù)先設(shè)定值后，護(hù)幫板保持原狀態(tài)不變；若側(cè)向壓力為達(dá)到設(shè)定值時(shí)，則液壓支架按照預(yù)先設(shè)定的控制程序自動(dòng)增加護(hù)幫板壓力，確保給煤壁的側(cè)向壓力達(dá)標(biāo)，避免片幫事故發(fā)生。具體現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況見圖3。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

2.5 支架姿態(tài)控制

當(dāng)采面有煤層賦存角度發(fā)生變化或處于俯采、仰采時(shí)，液壓支架在移架時(shí)均可能發(fā)生倒架、咬架事故，給采面生產(chǎn)帶來威脅。通過在液壓支架上安設(shè)傾角傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)支架在移動(dòng)過程中的姿態(tài)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)局部位置液壓支架角度超過設(shè)定閾值或者臨近支架間夾角超過允許值時(shí)，則立即停止支架運(yùn)移并調(diào)整姿態(tài)，確保支架移架安全。

3 結(jié)語

厚煤層綜放開采工藝相對(duì)復(fù)雜，采用智能化開采工藝可顯著減少采煤工作面作業(yè)人員數(shù)量并提高煤炭開采效率。文中對(duì)8503 綜放工作面采用的采煤機(jī)、液壓支架、放煤、支架姿態(tài)調(diào)整、自動(dòng)放煤及煤壁片幫防治等智能控制技術(shù)展開探討。

由于煤礦井下空間狹小、采煤過程受到諸多不利因素制約，智能化綜放工作面在應(yīng)用過程中仍面臨綜放設(shè)備運(yùn)行時(shí)無法隨采面地質(zhì)條件變化及時(shí)調(diào)整問題，應(yīng)在后續(xù)研究中給予重點(diǎn)關(guān)注。