智能綜放工作面自動化放煤工藝分析與研究

馬 昆，翟 文

(1.國家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司，寧夏回族自治區(qū)銀川市，751410；2.中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221116；3.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221116)

0 引言

21世紀(jì)以來，我國安全高效高端綜采技術(shù)與裝備研發(fā)突飛猛進(jìn)，取得大批重要成果，極大地提高了煤炭行業(yè)機(jī)械化、自動化水平和安全保障能力[1-3]。隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變，煤炭行業(yè)也由粗放的生產(chǎn)方式向集約化、智能化方向轉(zhuǎn)型，智能化開采成為煤炭安全高效開采的必然趨勢[4-5]。

目前，國內(nèi)許多煤礦在較薄煤層、中厚煤層順利實(shí)現(xiàn)了工作面智能化開采，綜放工作面智能化開采技術(shù)尚處于不斷探索和研究階段，尚未取得實(shí)質(zhì)性突破，無法達(dá)到智能綜放的常態(tài)化應(yīng)用[6-8]。

當(dāng)前，綜放工作面放煤工序仍需要人工進(jìn)行操作，針對綜放工作面的自動放煤這一關(guān)鍵難題，本文以國家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司棗泉煤礦(以下簡稱棗泉煤礦)130203綜放工作面為例，探索綜放工作面自動化放煤工藝。

1 工作面概況

130203綜放工作面開采煤層為棗泉煤礦2號煤層，工作面位于13采區(qū)+929 m水平，是13采區(qū)第3個回采工作面。130203綜放工作面走向可采長度為2 660 m，工作面傾斜長度為206.14～226.97 m。130203綜放工作面采用走向長壁綜采放頂煤方法開采，采用全部垮落法處理采空區(qū)。

1.1 煤層頂?shù)装?/h3>

130203綜放工作面老頂為粉砂巖、泥巖、細(xì)粒砂巖，平均厚度為8.3 m；直接頂為炭質(zhì)泥巖，平均厚度為4.85 m，無偽頂；直接底為粉砂巖(砂質(zhì)泥巖)、中粒砂巖、細(xì)粒砂巖，平均厚度為7.45 m。

1.2 主要設(shè)備配套

130203綜放工作面安裝1臺采煤機(jī)(型號：MG750/2040-WD)，120架液壓支架，包括1架端頭架(型號：ZFT27500/25/43D)、8架排頭架(型號：ZFP13000/26/40D)、1架過渡架(型號：ZFG13000/25/43D)、110架基本架(型號：ZF13000/25/43D)，1套前部刮板輸送機(jī)(型號：SGZ1000/2×1000)，1套后部刮板輸送機(jī)(型號：SGZ1000/2×1200)，1套轉(zhuǎn)載機(jī)(型號：SZZ1350/700)，2部運(yùn)輸巷帶式輸送機(jī)(型號：DSJ140/330/3×630)，1套設(shè)備列車。

2 自動化控制系統(tǒng)配置

130203綜放工作面自動化系統(tǒng)組成包括ZE07-04型電液控制系統(tǒng)、“三機(jī)”監(jiān)測系統(tǒng)、采煤機(jī)控制系統(tǒng)、帶式輸送機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)、語音急?？刂葡到y(tǒng)、泵站控制系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)等子系統(tǒng)。

130203綜放工作面采用鄭州煤礦機(jī)械集團(tuán)股份有限公司生產(chǎn)的ZE07-04型電液控制系統(tǒng)，該支架電液控制系統(tǒng)由支架控制器、電液主控閥組、隔爆兼本安型穩(wěn)壓電源、位移傳感器、壓力傳感器、紅外線發(fā)射和接收器、傾角傳感器、隔離耦合器、中繼器、各種電纜等元件組成，各部分通過電纜及其它電控輔助配套部件聯(lián)接，傳感器安裝位置如圖1所示。

圖1 四柱放頂煤液壓支架單架傳感器安裝位置

3 液壓支架自動放煤參數(shù)確定

3.1 放煤工藝

3.1.1 采放比的確定

基于液壓支架智能控制裝置，研究試驗(yàn)工作面不同放煤參數(shù)的時序自動化放煤邏輯關(guān)系，參照中國礦業(yè)大學(xué)為興隆莊煤礦綜放工作面(平均煤厚8.6 m)，不同采高時不同放煤步距的頂煤放出率和含矸率對比的相似試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著采高的增大，當(dāng)采放比減小到一定程度時，頂煤放出率最高[9]。130203綜放工作面開采煤層平均厚度為8.5 m，工作面選用ZF13000/25/43D型四柱雙伸縮支撐掩護(hù)式放頂煤液壓支架，其支撐高度為2.5～4.3 m，頂梁厚度為0.46 m，采煤機(jī)選用MG750/1920-WD型交流電牽引采煤機(jī)，滾筒直徑為Φ2.5 m。參照研究數(shù)據(jù)與工作面設(shè)備配套，確定130203綜放工作面割煤高度為3.6 m±0.1 m，放煤高度為4.9 m，工作面采放比約為1∶1.32。

3.1.2 放煤步距的確定

根據(jù)我國放煤工作面的實(shí)際統(tǒng)計(jì)，確定放煤步距時可借用的經(jīng)驗(yàn)公式見式(1)：

d=(0.15～0.21)×h

(1)

式中：d——放煤步距，m；

h——放煤高度，m。

通過式(1)計(jì)算可知，130203綜放工作面放煤步距應(yīng)為0.735～1.030 m。根據(jù)130203綜放工作面“三機(jī)”配套的采煤機(jī)截深為0.865 m，確定130203綜放工作面的放煤步距為0.865 m。

3.2 放煤方式[10-11]

根據(jù)放煤的順序、次數(shù)和放煤量的配合方式，可分為以下幾種放煤方式：

(1)多輪、分段、順序、等量放煤。將130203綜放工作面分 2～3 段，段內(nèi)同時開啟2個相鄰放煤口，每次放 1/2～1/3 的頂煤，按順序循環(huán)放煤，直到該段全部放完?？梢远喽瓮瑫r或順序放煤。

(2)多輪、間隔、順序、等量放煤。先放 1號架、3號架、5號架、7號架、……，每次放 1/2～1/3 的頂煤，后放 2號架、4號架、6號架、8號架、……，每次放 1/2～1/3的頂煤，再反復(fù)進(jìn)行2～3輪?？梢远喾琶嚎谕瑫r放煤。

(3)單輪、間隔、多口放煤。先放1號架、3號架、5號架、7號架、……，放頂煤“見矸關(guān)門”，滯后一定距離放 2號架、4號架、6號架、8號架、……。

經(jīng)過現(xiàn)場反復(fù)試驗(yàn)，最終確定130203綜放工作面采用采放平行作業(yè)，采用多輪、間隔、順序、等量放煤方式。

3.2.1 采放平行作業(yè)

綜放開采回采工藝明顯有別于普通綜采回采工藝，主要差別在于綜放開采每個工作面均具有2個出煤點(diǎn)，一個是工作面支架前部出煤點(diǎn)，另一個是工作面支架后部出煤點(diǎn)。因此，在綜放開采工藝設(shè)計(jì)時，應(yīng)盡量使放煤與割煤平行作業(yè)，以實(shí)現(xiàn)回采工藝的合理布局。為了保證工作面運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)力平衡，即前部刮板輸送機(jī)實(shí)際運(yùn)力與后部刮板輸送機(jī)實(shí)際運(yùn)力之和接近或等于工作面運(yùn)輸巷的設(shè)計(jì)運(yùn)力，回采工藝必須實(shí)現(xiàn)割煤與放煤協(xié)調(diào)進(jìn)行。根據(jù)130203綜放工作面設(shè)備配套、循環(huán)用時及循環(huán)產(chǎn)量可知，采煤機(jī)下行割煤時要嚴(yán)格控制下行速度，機(jī)頭處工作人員及時反饋前部刮板輸送機(jī)及轉(zhuǎn)載機(jī)的煤量，2名放煤工根據(jù)反饋提示自130203綜放工作面的112號支架向5號支架順序進(jìn)行一輪放煤作業(yè)，其中放煤作業(yè)滯后移架10架，第2名放煤工滯后第1名放煤工5架。

3.2.2 多輪次順序放煤作業(yè)

除了采煤機(jī)下行時進(jìn)行一輪放煤作業(yè)外，當(dāng)采煤機(jī)上行清理浮煤時也安排2名放煤工對130203綜放工作面的112號支架向5號架再進(jìn)行一個循環(huán)放煤作業(yè)，并確保頂煤排放干凈并做到“見矸關(guān)門”。采煤機(jī)在返機(jī)過程中，當(dāng)班綜采隊(duì)副隊(duì)長進(jìn)行第三輪檢查補(bǔ)充放煤。

3.2.3 返機(jī)反向逐架放煤

當(dāng)傾斜煤層傾角增大時，放煤漏斗的母線發(fā)生偏移，煤層傾角越大，放煤漏斗的母線偏移越大，此時適合自下向上放煤作業(yè)。當(dāng)采煤機(jī)上行清理浮煤時，2名放煤工按照單號和雙號順序?qū)?30203綜放工作面的5號支架向112號支架逐架放煤，采煤機(jī)返機(jī)過程中，每臺支架將剩余煤炭全部放出，放煤時間控制在0.5 min左右，直至本臺支架放煤作業(yè)結(jié)束。

3.2.4 安排專人檢查放煤工作

采煤機(jī)上行清理浮煤后，當(dāng)班綜采隊(duì)副隊(duì)長滯后放煤工20臺支架對工作面放煤情況進(jìn)行檢查，并進(jìn)行補(bǔ)充放煤，直至機(jī)尾排頭支架為止，見矸停止放煤。

3.2.5 放煤具體操作要求

(1)采煤機(jī)下行割煤，滯后采煤機(jī)右滾筒2～3架開始順序拉移支架。

(2)采煤機(jī)下行后，放煤與移架距離不少于10架。

(3)放煤過程中第1名放煤工從機(jī)尾112號架開始按照雙號逐架放煤，待第1名放煤工放煤至106號架后，第2名放煤工開始在111號架開始按照單號逐架放煤，2名放煤工保持5架間隔放煤作業(yè)。

(4)采煤機(jī)返機(jī)過程中，放煤工滯后采煤機(jī)左滾筒5架開始放煤。

(5)采煤機(jī)下行過程中，每臺支架放煤量控制在放煤總量的2/3，放煤時間控制在1.5 min以內(nèi)(尾梁上下擺動6次)，采煤機(jī)返機(jī)過程中，每臺支架放煤量控制在放煤總量的1/3，放煤時間控制在0.6 min以內(nèi)(尾梁上下擺動2次)。尾梁擺動位置示意圖如圖2所示。

圖2 尾梁擺動位置示意圖

4 自動放煤控制設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)邏輯模型

4.1 自動放煤控制設(shè)計(jì)

本文提出一種自動化綜放工作面的放煤控制設(shè)計(jì)思路，該控制設(shè)計(jì)思路包含2個部分，一是自動化綜放工作面放煤方法的下行放煤控制設(shè)計(jì)；二是自動化綜放工作面放煤方法的上行放煤控制設(shè)計(jì)。上述2種設(shè)計(jì)中，液壓支架可根據(jù)預(yù)設(shè)循環(huán)次數(shù)自動放煤。

4.1.1 下行放煤控制設(shè)計(jì)

自動化綜放工作面放煤方法的下行放煤控制設(shè)計(jì)包含以下5個工藝段。

(1)控制采煤機(jī)上端頭斜切進(jìn)刀直至完全進(jìn)入直線段后進(jìn)刀完畢。

(2)控制采煤機(jī)以預(yù)設(shè)速度下行。

(3)當(dāng)采煤機(jī)與液壓支架間隔達(dá)到預(yù)設(shè)間距時，開啟自動放煤作業(yè)，自動放煤作業(yè)以多架液壓支架為一組整體編號。

(4)每組液壓支架中偶數(shù)液壓支架同時順序進(jìn)行放煤，偶數(shù)液壓支架完成放煤作業(yè)后，奇數(shù)液壓支架同時順序進(jìn)行放煤。

(5)偶數(shù)液壓支架完成放煤作業(yè)，奇數(shù)液壓支架支架完成放煤作業(yè)。

4.1.2 上行放煤控制設(shè)計(jì)

自動化綜放工作面放煤方法的上行放煤控制設(shè)計(jì)包含以下5個工藝段。

(1)采煤機(jī)完成一刀正規(guī)作業(yè)循環(huán)準(zhǔn)備返機(jī)清理浮煤。

(2)控制采煤機(jī)以預(yù)設(shè)速度上行。

(3)當(dāng)采煤機(jī)與液壓支架間隔達(dá)到預(yù)設(shè)間距時，開啟自動放煤作業(yè)，自動放煤作業(yè)以多架液壓支架為一組整體編號。

(4)每組液壓支架中偶數(shù)液壓支架同時順序進(jìn)行放煤，偶數(shù)液壓支架完成放煤作業(yè)后，奇數(shù)液壓支架同時順序進(jìn)行放煤。

(5)偶數(shù)液壓支架完成放煤作業(yè)，奇數(shù)液壓支架支架完成放煤作業(yè)。

4.2 自動放煤時間控制設(shè)計(jì)

每臺液壓支架自動放煤包括以下5個過程。

(1)插板液壓油缸電磁閥接收回收信號，控制所述插板液壓油缸回收，持續(xù)動作2 s。

(2)尾梁液壓油缸電磁閥接收回收信號，控制所述尾梁液壓油缸回收，持續(xù)動作3 s。

(3)接收放煤信號，控制放煤動作，持續(xù)動作3 s。

(4)所述尾梁液壓油缸電磁閥接收伸出信號，控制尾梁液壓油缸伸出，持續(xù)動作4 s。

(5)所述插板液壓油缸電磁閥接收伸出信號，控制插板千斤伸出，持續(xù)動作6 s。

4.3 自動放煤實(shí)現(xiàn)模型

130203綜放工作面共有120臺支架，采用多輪次間隔順序放煤方式。采煤機(jī)下行自動放煤實(shí)現(xiàn)模型如圖3所示，采煤機(jī)上行自動放煤實(shí)現(xiàn)模型如圖4所示。

圖3 采煤機(jī)下行自動放煤實(shí)現(xiàn)模型

圖4 采煤機(jī)上行自動放煤實(shí)現(xiàn)模型

4.3.1 采煤機(jī)下行自動放煤

采煤機(jī)下行自動放煤的步驟如下。

(1)采煤機(jī)上端頭斜切進(jìn)刀，當(dāng)采煤機(jī)完全進(jìn)入直線段后進(jìn)刀完畢。

(2)控制采煤機(jī)以預(yù)設(shè)速度V=3 m/min下行。

(3)當(dāng)液壓支架完成移架后且與采煤機(jī)間隔達(dá)到預(yù)設(shè)間距D1=16架液壓支架時(預(yù)設(shè)間距D1為10～16架液壓支架)，開啟自動放煤作業(yè)。

(4)圖3中編號為27的液壓支架與所示采煤機(jī)位置判斷點(diǎn)對應(yīng)的編號為10的液壓支架之間間隔16架液壓支架，自動放煤作業(yè)以一組液壓支架為操作單元，每組液壓支架包含5架液壓支架，即圖3中編號為27～31的液壓支架。每組液壓支架中偶數(shù)液壓支架(編號為28、30)同時進(jìn)行放煤。在偶數(shù)液壓支架(編號為28、30)完成放煤作業(yè)后，奇數(shù)液壓支架(編號為27、29、31)同時進(jìn)行放煤。

(5)采煤機(jī)繼續(xù)下行，編號為22的液壓支架與所示采煤機(jī)位置判斷點(diǎn)對應(yīng)的編號為5的液壓支架之間間隔16架液壓支架，自動放煤作業(yè)以一組液壓支架為操作單元，每組液壓支架包含5架液壓支架，圖3中編號為22～26的液壓支架，每組液壓支架中偶數(shù)液壓支架(編號為22、24、26)同時進(jìn)行放煤，在偶數(shù)液壓支架完成放煤作業(yè)后，奇數(shù)液壓支架(編號為23、25)同時進(jìn)行放煤。圖3中液壓支架的循環(huán)次數(shù)為2次，上述每個持續(xù)動作都循環(huán)2次。

4.3.2 采煤機(jī)上行自動放煤

采煤機(jī)上行自動放煤的步驟如下。

(1)采煤機(jī)完成一刀正規(guī)作業(yè)循環(huán)準(zhǔn)備返機(jī)清理浮煤。

(2)控制采煤機(jī)以預(yù)設(shè)速度V=3 m/min上行；

(3)當(dāng)液壓支架完成移架后且與采煤機(jī)間隔達(dá)到預(yù)設(shè)間距D1=16架液壓支架時(預(yù)設(shè)間距D1為10～16架液壓支架)，開啟自動放煤作業(yè)。

(4)圖4中，編號為47的液壓支架與所示采煤機(jī)位置判斷點(diǎn)對應(yīng)的編號為64的液壓支架之間間隔16架液壓支架，自動放煤作業(yè)以一組液壓支架為操作單元，每組液壓支架包含5架液壓支架，圖4中編號為42～47的液壓支架。每組液壓支架中偶數(shù)液壓支架(編號為44、46)同時進(jìn)行放煤，在偶數(shù)液壓支架完成放煤作業(yè)后，奇數(shù)液壓支架(編號為43、45、47)同時進(jìn)行放煤。

(5)采煤機(jī)繼續(xù)上行，編號為52的液壓支架與所示采煤機(jī)位置判斷點(diǎn)對應(yīng)的編號為69的液壓支架之間間隔16架液壓支架，自動放煤作業(yè)以一組液壓支架為操作單元，每組液壓支架包含5架液壓支架，圖4中編號為48～52的液壓支架，每組液壓支架中偶數(shù)液壓支架(編號為48、50、52)同時進(jìn)行放煤，在偶數(shù)液壓支架完成放煤作業(yè)后，奇數(shù)液壓支架(編號為49、51)同時進(jìn)行放煤。圖4中液壓支架的循環(huán)次數(shù)為2次，上述每個持續(xù)動作都循環(huán)2次。

4.4 自動放煤程序執(zhí)行

自動放煤過程為人工或程序設(shè)定在特定條件下啟動的過程，其基本過程為自動順序執(zhí)行，設(shè)計(jì)程序?qū)崿F(xiàn)方式為控制器順序通知執(zhí)行方式。本文建立了與下行/返機(jī)自動化放煤工藝相匹配的“20工藝段”自動化放煤程序，通過系統(tǒng)“參數(shù)配置”[12]菜單進(jìn)入自動放煤參數(shù)設(shè)置界面進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，工實(shí)現(xiàn)自動化放煤。自動放煤參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 自動放煤參數(shù)設(shè)置

5 結(jié)論

(1)進(jìn)行了放煤工藝的優(yōu)化，確定了采煤機(jī)下行割煤、上行清理底煤過程中自動化放煤工藝，工作面支架從上到下、從下到上依次可以實(shí)現(xiàn)分區(qū)獨(dú)立控制，不同區(qū)域可根據(jù)綜放工作面頂板完好特征采用不同放煤工藝，實(shí)現(xiàn)了動態(tài)和靜態(tài)情況下支架控制范圍的設(shè)置。

(2)建立了與下行/返機(jī)自動化放煤工藝相匹配的“20工藝段”自動化放煤程序，并通過ZE07-04型電液控制系統(tǒng)進(jìn)行支架自動化順序放煤、下行/返機(jī)放煤，實(shí)現(xiàn)了綜放工作面放煤工序的自動化，減少了作業(yè)人數(shù)，降低了工人的勞動強(qiáng)度，同時也減少了放煤工作時間。

(3)進(jìn)一步提高了工作面煤炭資源回收率，避免了因人員操作差異而造成的“過放”或“欠放”問題。

(4)提出了一種自動化綜放工作面的放煤控制設(shè)計(jì)思路，該設(shè)計(jì)進(jìn)一步提高了綜放工作面的安全保障能力，實(shí)現(xiàn)了減人、增效、保安，為綜放工作面的智能開采提供了經(jīng)驗(yàn)借鑒。