強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)性礦井綜放工作面自動(dòng)化開采技術(shù)研究

陳 振 秦 鵬

（山東省天安礦業(yè)集團(tuán)有限公司，山東 曲阜 273100）

1 概述

星村煤礦煤層埋藏深度為-1100～ -1300 m，3 煤層沉積穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，中上部含一層灰白色細(xì)砂巖夾矸，厚0.03 m，厚度穩(wěn)定，全區(qū)發(fā)育，為3 煤的主要標(biāo)志層。3 煤厚7.8～8.6 m，平均8.3 m，屬厚煤層。工作面埋藏深，煤質(zhì)較為松軟，具有可放性，資質(zhì)單位對(duì)星村煤礦3 煤沖擊傾向性鑒定結(jié)果屬于強(qiáng)沖擊傾向性煤層。礦井自投產(chǎn)以來以發(fā)生過數(shù)次沖擊地壓事故，嚴(yán)重危害了礦井的安全和工人的身體健康，制約著礦井的可持續(xù)發(fā)展。

對(duì)于沖擊地壓礦井來說，除了以往經(jīng)驗(yàn)的強(qiáng)卸壓、強(qiáng)支護(hù)外，另一重要手段就是實(shí)施“機(jī)械化換人、自動(dòng)化減人”。綜采放頂煤工藝復(fù)雜，過度依賴人力，嚴(yán)重制約了采煤工作面減員增效工作的實(shí)施。工作面支架立柱初撐力能否進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能否進(jìn)行深入分析，這是沖擊地壓工作面迫切需要解決的問題。

基于以上需要，通過煤機(jī)定位、自動(dòng)記憶割煤、一體化電液控閥組、支架遠(yuǎn)程控制、支架成組控制、自動(dòng)跟架移架、記憶放頂煤、支架初撐力實(shí)施監(jiān)測(cè)，形成一套針對(duì)沖擊地壓礦井綜放工作面的自動(dòng)化系統(tǒng)。

2 采煤工藝簡(jiǎn)介

星村煤礦綜采工作面采用單一走向長(zhǎng)壁后退式采煤法，綜合機(jī)械化放頂煤回采工藝。雙滾筒電牽引采煤機(jī)割煤，進(jìn)刀方式為中部斜切進(jìn)刀，往返一次進(jìn)一刀，采高2.6±0.1 m，截深0.63 m。采用后溜矸石填隙法放頂煤開采工藝，通過液壓支架尾梁插板伸縮、擺動(dòng)放頂煤。每推進(jìn)一刀的放煤工作分兩輪完成，自下向上依次進(jìn)行，前后兩輪的放煤口相距5～7 架。第一輪先放出頂煤量的約2/3，第二輪放煤至含矸量約占該口出煤量的30%時(shí)及時(shí)封口，升起支架尾梁，伸出插板。具體正規(guī)循環(huán)作業(yè)順序：割煤→移架→放頂煤→拉后溜→放矸，拉后溜前須將上一刀頂煤放凈。放頂煤只要在下一刀割煤前完成即可。

3 自動(dòng)化開采技術(shù)研究

礦井綜放工作面自動(dòng)化技術(shù)主要解決的難題在于煤機(jī)定位、自動(dòng)記憶割煤、一體化電液控閥組、支架遠(yuǎn)程控制、支架成組控制、自動(dòng)跟架移架、記憶放頂煤、支架初撐力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。綜放工作面自動(dòng)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1。

圖1 綜放工作面自動(dòng)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.1 采煤機(jī)定位研究

采用在采煤機(jī)行走部、搖臂處安裝高精度絕對(duì)增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，并研發(fā)相應(yīng)硬件接口及后臺(tái)程序，替代傳統(tǒng)角度傳感器、頻率編碼器等，實(shí)現(xiàn)對(duì)搖臂姿態(tài)、煤機(jī)位置的精準(zhǔn)定位，實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行厘米級(jí)的精準(zhǔn)定位。通過在采煤機(jī)安裝紅外發(fā)射器、在支架前立柱安裝紅外接收器的定位方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)精準(zhǔn)定位的校核。

3.2 采放頂煤工作面自動(dòng)割煤控制邏輯及軟硬件

綜采放頂煤工作面生產(chǎn)工藝較為復(fù)雜，三機(jī)設(shè)備的協(xié)同工作、采煤機(jī)記憶截割、支架自動(dòng)跟機(jī)移架、視頻監(jiān)控自動(dòng)切換、放頂煤操作的遠(yuǎn)程控制等復(fù)雜工藝流程均需由自動(dòng)化系統(tǒng)總后臺(tái)進(jìn)行統(tǒng)一控制，本部分需要對(duì)各設(shè)備電氣及通訊接口進(jìn)行統(tǒng)一、對(duì)各生產(chǎn)工藝進(jìn)行邏輯控制、對(duì)各類控制及視頻信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)顯示等。

3.3 一體化電液控閥組及配套電控系統(tǒng)

摒棄傳統(tǒng)手板閥的方案，重新設(shè)計(jì)一套既能電控也可應(yīng)急時(shí)手動(dòng)控制的一體化電液控閥組。液壓支架系統(tǒng)壓力一般為31.5 MPa，且各油缸所需乳液流量較大，普通電磁閥線圈功率較小，無法驅(qū)動(dòng)較大的閥芯。經(jīng)過深入試驗(yàn)、探究，決定采用電磁控制先導(dǎo)閥、先導(dǎo)閥導(dǎo)通液路控制大流量主閥閥芯的方案，實(shí)現(xiàn)電控小、小驅(qū)大的技術(shù)方案。

3.4 支架遠(yuǎn)程控制、支架成組控制、自動(dòng)跟架移架、記憶放頂煤

星村煤礦現(xiàn)使用ZF6200/17/30 型液壓支架，其推移油缸不具備測(cè)距功能。為確保工作面自動(dòng)化推溜、移架精確、平直，經(jīng)過對(duì)比研究選用高精度磁致伸縮傳感器，同時(shí)對(duì)推移油缸及固定耳座進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。推移千斤頂規(guī)格：Ф160/105×700；接口：DN13；缸徑：Ф160 mm；桿徑：105 mm；推力：360 kN；拉力：633 kN；介質(zhì)：MT/76 中規(guī)定的乳化油或濃縮液與中性軟水按照5:95 的質(zhì)量比配置的高含水液壓液。傳感器示意圖如圖2。

圖2 傳感器示意圖

由于推移千斤頂改造后需加裝傳感器，因此原有帶扁的缸底不適用電液控推移改造要求，需將缸底改為鍛造耳軸缸底結(jié)構(gòu)。改造后的電液控推移頂缸底固定銷將直徑由原來的55 mm 增加至65 mm，活塞桿頭固定銷直徑不變，缸徑為160 mm，桿徑為105 mm，行程為700 mm，缸底和桿頭固定孔中心距為1135 mm，與改造前一致。具體結(jié)構(gòu)如圖3。

圖3 電液控推移千斤頂示意圖

3.5 液壓支架立柱初撐力實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

采用數(shù)字式高精度壓力傳感器監(jiān)測(cè)立柱初撐力，借助自動(dòng)化系統(tǒng)CAN 總線將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至監(jiān)控后臺(tái)，后臺(tái)程序?qū)⒅Ъ芪恢眉皦毫M(jìn)行可視化呈現(xiàn)，并形成數(shù)據(jù)庫(kù)，為支架壓力報(bào)警、工作面頂板壓力監(jiān)測(cè)、沖擊地壓防治等提供有力的數(shù)據(jù)支持。

4 結(jié)論

（1）無人化開采工藝的推廣，整個(gè)采煤過程實(shí)現(xiàn)無人化，全部工序采用遠(yuǎn)程控制，大大減少了沖擊對(duì)作業(yè)人員的危害，提高安全系數(shù)。

（2）隨著淺層煤資源的逐漸枯竭，煤礦開采活動(dòng)逐漸向深層開展，采深超過1000 m 的礦井都面臨沖擊威脅。工作面無人化開采工藝的大規(guī)模應(yīng)用，有利于深層煤炭開采活動(dòng)的安全順利進(jìn)行。

（3）工作面無人化開采減少了沖擊的危害性，提高了安全系數(shù)，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。