大采高綜采工作面智能化技術(shù)應(yīng)用研究

王波,楊海峰,劉華峰,王曉磊

（1.晉能控股煤業(yè)集團挖金灣煤業(yè)有限公司 山西大同037003；2.晉能控股煤業(yè)集團機電管理部 山西大同037003）

0 引言

“少人化、無人化、安全高效”已成為礦業(yè)發(fā)展新目標，煤礦智能化開采已成為礦業(yè)發(fā)展的新趨勢，煤礦開采理念的改變促進了開采裝備和技術(shù)的進步[1]，液壓支架電液控制系統(tǒng)[2]，刮板輸送機智能變頻調(diào)速技術(shù)，煤礦采場智能巖層控制技術(shù)，工作面視頻巡檢與遠程控制技術(shù)[3]等智能化開采裝備及技術(shù)在多個煤礦實現(xiàn)了初步應(yīng)用。本文以挖金灣煤業(yè)公司8102智能化綜采工作面的建設(shè)為背景，基于石炭系煤層賦存環(huán)境、開采條件、開采技術(shù)等客觀情況，結(jié)合工作面建設(shè)過程中遇到的實際問題，對智能化綜采工作面建設(shè)中水處理技術(shù)、快速供液系統(tǒng)設(shè)計、支架跟機參數(shù)等關(guān)鍵技術(shù)[4]進行了研究，對構(gòu)建“智能、綠色、安全、高效”的智能化開采模式具有現(xiàn)實的指導(dǎo)意義。

1 工作面基本概況

挖金灣礦8102工作面為該礦南翼盤區(qū)布置第一個工作面，周邊為未采區(qū)，地表無其他建筑，走向長度為1 468 m，工作面長度230 m，賦存煤層厚度為2.8 m～4.3 m平均厚度為3.7 m，含一層夾矸（厚度為0.1 m～0.2 m），煤厚變化穩(wěn)定，煤層傾角為1°～3°，硬度f=1.5，采用一次采全高見頂見底開采，在開采范圍內(nèi)共4條正斷層，落差最大1 m，對開采影響較小，水文地質(zhì)情況簡單，相對上覆巖層層間含水微弱，對回采無影響。設(shè)備配套情況如下表1所示：

表1 8102智能化綜采工作面主要設(shè)備參數(shù)

2 智能化綜采工作面關(guān)鍵技術(shù)

2.1 智能化綜采工作面水處理技術(shù)

供液系統(tǒng)主要是為綜采工作面液壓支架提供液壓動力，被喻為“心臟”，其介質(zhì)為乳化液被喻為“血液”，通過“心臟”提供動力“血液”循環(huán)，從而使工作面液壓系統(tǒng)正常工作。乳化液濃度不足、供液介質(zhì)不達標會造成閥門堵塞、生銹、腐蝕等問題，從而導(dǎo)致閥芯等配件替換率高、產(chǎn)品可靠性下降、支架動作緩慢、工作面整體效率降低等問題。

8102智能化工作面采用了過濾器組、軟化水處理裝置組成多級過濾系統(tǒng)，具體為：井下靜壓管路、低壓過濾站、軟化水處理站、乳化液自動配比、智能化高壓過濾站、工作面支架自動反沖洗、支架回液過濾站，原理圖如下圖1所示。具體設(shè)備布置如圖2所示，首先通過GLQZ2000型一級過濾組件，經(jīng)80 um及60 um兩級濾桶過濾后，再經(jīng)減壓裝置減壓達到軟化水裝置的工作要求壓力后，開始進入ML-RF-6D型凈化水裝置進行二級過濾，通過調(diào)整水質(zhì)酸堿度（PH值）并對氯、鎂等離子成分的處理，精度達25 um以下，最后進入封閉式QX2000型凈水儲水箱，供各類設(shè)備使用。

圖1 多級過濾系統(tǒng)原理圖

圖2 8102智能化工作面液壓系統(tǒng)水處理循環(huán)示意圖

2.2 智能化綜采工作面的噴霧降塵技術(shù)

在智能化綜采工作面實際作業(yè)過程中，工作面粉塵較大，工作人員在順槽集控中心對工作面支架和采煤機執(zhí)行遠程操控時視野模糊。如何進行有效的滅塵，為遠程操作人員提供清晰的畫面，成為又一要攻克的難關(guān)。

在8102智能化工作面回采整個過程中，支架跟機可分別設(shè)置為上、下行跟機，在采煤機滾筒前、后范圍內(nèi)不斷開啟噴霧的方式進行相關(guān)參數(shù)的設(shè)置。當“噴霧控制”參數(shù)設(shè)置為“開”時，不用啟動“跟機”開關(guān)，跟機噴霧也會開啟。

例如8102工作面采煤機身長10架，前后滾筒中心距為12架，機身上的紅外線發(fā)射裝置位于支架第22架，此時上行，則具體噴霧動作設(shè)置參數(shù)與實際噴霧動作如下表：

表2 跟機噴霧動作參數(shù)

2.3 智能化綜采工作面的快速供液系統(tǒng)設(shè)計

在8102智能化工作面生產(chǎn)初期，采用“單進單回”模式供液，當推溜與移架同時動作時，支架動作速度明顯變緩，在同時開啟多臺泵站時，工作面液壓管路、操作閥閥芯損壞增加，為此需對供液系統(tǒng)進行重新設(shè)計。液壓支架每完成一次循環(huán)時，主要需完成降柱、移架和升架三個動作，完成一次循環(huán)的移架速度計算如下：

式中：VZ—支架移動速度

KZ—操作時間的影響系數(shù)，KZ＜l；

BC—液壓支架的架間距；

T—支架完成一次循環(huán)過程所需的總時間，min。

其中，支架完成一次循環(huán)過程其所需的總時間T值就是完成降柱、升柱和移架動作的時間總和，計算如下：

式中：T—支架完成一次循環(huán)過程所需的總時間，min；

t1—支架完成一次降柱所需的時間，min；

t2—支架完成一次移架所需的時間，min；

t3—支架完成一次升架所需的時間，min。

Z—移架時同時升降的立柱數(shù)；

S1、S2一移架時立柱的升降行程，cm；

A1、A2—每根立柱上腔和底腔的面積，cm2；

S3—支架移動步距，一般取為0.8 m；

A3--推移千斤頂工作腔的面積，根據(jù)千斤頂布置方式來確定；

QB—泵站流量，L/min；

N—推溜時同時動作推移千斤數(shù)。

將N值代入得：

根據(jù)式（3）可以看出，對于某一支架而言，支架間距BC、支架立柱和推移千斤頂?shù)男吞枀?shù)為固定值，移架速度僅取決于泵站所提供的流量QB。流量越大，移架速度就越快。根據(jù)理論和實踐經(jīng)驗，決定將8102面支架供液系統(tǒng)改為“雙進雙回”，并將各類供液方式優(yōu)缺點分析如下：

表3 各種供液方式優(yōu)、缺點分析

8102面的“雙進雙回”供液系統(tǒng)將兩泵一箱設(shè)計為獨立供液系統(tǒng)，兩路高壓經(jīng)GL2500/31.5/25型智能高壓反沖洗過濾站進入工作面轉(zhuǎn)載機、破碎機、刮板機緊鏈裝置、液壓支架等設(shè)備，最后回液經(jīng)GJF1200/16/40型回液過濾站進入乳化液箱。該設(shè)計有效保障工作面生產(chǎn)需求，提高了整體移架速率，保證了液壓支架進行成組動作時瞬間所需大流量，在有一回路出現(xiàn)問題時可以短時間改為單回路供液。設(shè)計方式見圖3。

圖3 8102智能化工作面“雙回路供液”系統(tǒng)布置圖

2.4 大采高智能化綜采工作面支架跟機參數(shù)設(shè)置

在實際生產(chǎn)過程中工作面支架經(jīng)常會出現(xiàn)鉆底、支架前方堆煤等問題，而且在采煤機牽引速度過快時往往會產(chǎn)生漏架現(xiàn)象。為解決這些問題，首先通過模仿人工操作的方法，統(tǒng)計出各個動作所需時間，再對跟機參數(shù)進行設(shè)置，同時將跟機參數(shù)設(shè)置為交叉式移架方式，例如在10#支架行走完成后，跳過11#支架不動，12#支架進行移架，在12#支架動作完成后，11#與13#支架同時動作進行移架，較單架跟機、人工手動操作效率提升50%，從而有效解決跟機漏架、架前堆煤等問題。支架跟機參數(shù)設(shè)置如下表4：

表4 8102智能化工作面液壓支架自動跟機參數(shù)

3 大采高智能化綜采工作面應(yīng)用成果分析

挖金灣礦8102大采高工作面在進行智能化開采后取得應(yīng)用效果如下：

1）減少用工，降低勞動強度。較普通綜采工作面，工作面用工由原來的13人減少為7人，支架操作工轉(zhuǎn)變?yōu)檠膊楣?，極大地降低了工人的勞動強度。

2）設(shè)備故障率降低。順槽控制中心可對液壓支架、泵站、刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機、采煤機等設(shè)備的運行參數(shù)進行實時監(jiān)測，并進行聯(lián)鎖控制，利用設(shè)備的故障診斷停機功能，極大地降低故障排查難度，創(chuàng)造了連續(xù)60天設(shè)備無故障運行，設(shè)備月平均開機率達90%。

3）開采效率提高。8102大采高智能化工作面平均月推進180 m，月產(chǎn)保持在30萬噸，回采率達95%以上，較普通大采高工作面開采效率提高15.2%。

圖4為挖金灣礦7月～11月實際生產(chǎn)情況，此期間8102、8115綜采工作面開采條件近乎相同，受地質(zhì)構(gòu)造影響較小。

圖4 8102工作面與8115工作面推進對照圖

4 結(jié)語

1）研究分析智能化綜采工作面多級過濾裝置的必要性，給出多級過濾系統(tǒng)設(shè)計，形成具有乳化液濃度智能配比、供液壓力智能調(diào)定、智能反沖洗功能的供液系統(tǒng)，確保供液介質(zhì)的腐蝕性、雜質(zhì)降低，極大地提高液壓支架的使用壽命,降低維修成本。

2）給出了仿人工設(shè)計的支架跟機參數(shù)設(shè)置，可有效解決支架跟機時鉆底、架前堆煤等問題，并將順序移架設(shè)計為插線式移架，有效提高支架跟機效率。對支架跟機噴霧的參數(shù)進行實踐驗證和優(yōu)化，有效降低工作面粉塵，為遠程操控提供清晰的視頻畫面。

3）采用“雙進雙回”供液方式，有效地提高支架跟機效率，且在有一回路出現(xiàn)問題時可以短時間改為單回路供液，大大提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。