智能化綜掘工作面的應(yīng)用研究

王小峰

(汾西礦業(yè)集團(tuán)高陽煤礦，山西 孝義 032300)

1 工程概況

1.1 工作面概況

21106工作面開采太原組9號～11號煤，煤層平均厚度8.7 m，根據(jù)臨近二采大巷以及21107、21105工作面揭露的實際煤層情況，該區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，工作面煤層結(jié)構(gòu)屬復(fù)雜結(jié)構(gòu)煤層，穩(wěn)定可采，煤種為瘦煤，煤層傾角平均5°。

1.2 水文地質(zhì)情況

該區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜，工作面整體為一單斜構(gòu)造區(qū)，陷落柱及斷層較發(fā)育，且在大斷層破壞影響范圍，煤巖層裂隙發(fā)育，受含水層影響，工作面可能會出現(xiàn)淋水現(xiàn)象。該工作面上覆含水層為煤層直接頂板K2灰?guī)r含水層，其上覆含水層還有K3、K4灰?guī)r，其含水量較豐富，但補(bǔ)給不足，以靜儲量為主，水量不大，隨著時間推移水量逐漸減小，預(yù)計上述灰?guī)r含水層水對本工作面掘進(jìn)影響較小。預(yù)計本工作面正常涌水量為10 m3/h，最大涌水量為30 m3/h。

1.3 巷道斷面及支護(hù)情況

21106運(yùn)巷設(shè)計斷面為矩形斷面，巷道掘?qū)? 400 mm，凈寬5 100 mm，掘高3 400 mm，凈高3 200 mm，掘斷面積18.36 m2，凈斷面積16.32m2，采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)，見圖1。

頂板錨桿支護(hù)形式：采用Φ22 mm×2 200 mm的螺紋鋼錨桿(兩邊角采用Φ22 mm×2 400 mm),間距900 mm，排距1 000 mm，“六·六”矩形布置，兩幫錨桿“四·四”矩形布置。兩幫錨桿：采用Φ22 mm×2 200 mm的高強(qiáng)度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間距為900 mm，排距為1 000 mm，“四·四”矩形布置。

圖1 運(yùn)輸巷支護(hù)斷面圖

頂幫鋪設(shè)一片5 500 mm×1 100 mm(長×寬)的六邊形金屬網(wǎng)，兩幫各鋪設(shè)一片3 000 mm×1 100 mm(長×寬)的六邊形金屬網(wǎng)網(wǎng)與網(wǎng)搭接50 mm，采用16#雙股鉛絲扭接不少于3圈，聯(lián)網(wǎng)距不大于200 mm。

頂板錨索采用Φ21.8 mm×6 300 mm的鋼絞線，“二·二”矩形布置，間距2 000 mm，排距2 000 mm。

2 21106運(yùn)巷綜掘工藝流程

1) 進(jìn)行現(xiàn)場交接班，了解上一班遺留問題和隱患并進(jìn)行處理。

2) 安全檢查工作，對作業(yè)環(huán)境和設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行檢查，與總控值班人員取得聯(lián)系，保證通信和網(wǎng)絡(luò)暢通，各設(shè)備試運(yùn)轉(zhuǎn)正常，對巷道中腰線和導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行校正。

3) 現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境經(jīng)確認(rèn)滿足開工條件，依次開啟設(shè)備進(jìn)行綜掘機(jī)循跡自動截割作業(yè)，每次截割深度1 m，截割完成后綜掘機(jī)截割頭落地，打開機(jī)載支架臨時支護(hù)、鋪聯(lián)網(wǎng)、上W鋼帶施工、頂錨桿，然后施工幫錨，然后收回臨時支護(hù)進(jìn)行下一次截割。截割完成后綜掘機(jī)截割頭落地，打開機(jī)載支架臨時支護(hù)、鋪聯(lián)網(wǎng)、上W鋼帶、頂錨桿和錨索，一個循環(huán)完成。

4) 每截割2 m為一個循環(huán)，循環(huán)結(jié)束后綜掘機(jī)繼續(xù)截割開始下一循環(huán)，同時使用PZL1200/300M-5錨護(hù)轉(zhuǎn)載破碎機(jī)依次施工頂錨桿和剩余錨索和注漿錨索，頂板支護(hù)完畢后施工幫錨桿。同時人員進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)作業(yè)，緊固錨桿。

5) 當(dāng)循環(huán)結(jié)束后由班組長和驗收員對當(dāng)班工程質(zhì)量及標(biāo)準(zhǔn)化工作進(jìn)行驗收。

3 掘進(jìn)智能化工作面系統(tǒng)

3.1 掘進(jìn)智能控制系統(tǒng)架構(gòu)

掘進(jìn)機(jī)智能控制系統(tǒng)由3層構(gòu)成，第一層為設(shè)備層，主要包括掘進(jìn)機(jī)、攝像儀、3D激光掃描儀、慣導(dǎo)單元、傾角傳感器、電流傳感器等檢測傳感器設(shè)備組成。第二層為傳輸層，主要由控制回路的CAN總線、傳感器檢測數(shù)據(jù)到控制器的以太網(wǎng)總線、掘進(jìn)機(jī)到5G基站的5G通信、5G基站到井下集控中心采用光纖方式、井下集控中心到地面集控中心采用光纖方式。第三層為控制層，包括就地控制、視距遙控、井下集控、地面集控4種控制方式。

3.2 21106運(yùn)巷智能掘進(jìn)工作面設(shè)備配套(見表1)

表1 21106運(yùn)巷智能掘進(jìn)工作設(shè)備配套

3.3 掘進(jìn)智能控制系統(tǒng)配套

掘進(jìn)智能控制系統(tǒng)包括：視距無線遙控系統(tǒng)、工況檢測監(jiān)控系統(tǒng)、掘進(jìn)機(jī)定位智能截割系統(tǒng)、掘進(jìn)機(jī)智能化控制系統(tǒng)、掘進(jìn)機(jī)定向定位導(dǎo)航系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、掘進(jìn)巷道3D掃描快速成像系統(tǒng)、5G網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)、井下集控中心、地面集控中心。

3.4 掘進(jìn)機(jī)定位智能截割系統(tǒng)

操作人員從集控中心上位機(jī)選擇形狀并輸入斷面寬、高等參數(shù)，掘進(jìn)機(jī)智能控制系統(tǒng)自動計算特征點(diǎn)，由特征點(diǎn)分布控制截割頭作業(yè)運(yùn)動曲線，截割路徑如圖2。

圖2 掘進(jìn)機(jī)截割路徑圖

3.5 掘進(jìn)機(jī)定位智能截割功能實現(xiàn)步驟

通過掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)定位數(shù)據(jù)結(jié)合遠(yuǎn)程控制技術(shù)實現(xiàn)定位智能截割功能，主要分以下4步：

1) 結(jié)合截割臂行程傳感器反饋數(shù)據(jù)及掘進(jìn)機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計數(shù)據(jù)確定截割頭相對于機(jī)身的位置及姿態(tài)；

2) 通過三維激光掃描儀和慣導(dǎo)定位機(jī)身相對與巷道的位置和姿態(tài)；

3) 將前兩步數(shù)據(jù)結(jié)合形成截割頭相對于巷道的坐標(biāo)；

4) 將測算得到的坐標(biāo)與人工錄入的目標(biāo)坐標(biāo)對比，形成控制指令，控制機(jī)身、截割臂動作，實現(xiàn)截割頭的精準(zhǔn)定位、自動截割、斷面自動控制形成功能。同時記錄截割實時軌跡，在進(jìn)行同樣巷道截割時，只需調(diào)用截割軌跡，即可實現(xiàn)截割軌跡記憶功能。

4 結(jié)論

通過在高陽煤礦21106綜掘工作面進(jìn)行智能化建設(shè)，每截割1 m進(jìn)行一次臨時支護(hù)，每截割2 m為一次正規(guī)循環(huán)，每一次正規(guī)循環(huán)包括掘進(jìn)機(jī)截割、掃底出矸，掘錨機(jī)施工錨桿、錨索，之后進(jìn)行下一個循環(huán)，截割和支護(hù)平行作業(yè)，每完成一個正規(guī)循環(huán)時間約110 min。施工組織采用“三八”制作業(yè)，生產(chǎn)班掘進(jìn)工作面用工7人，月進(jìn)度達(dá)到432 m。實現(xiàn)了掘進(jìn)自動化、成巷標(biāo)準(zhǔn)化、掘進(jìn)少人化甚至無人化的全新的掘進(jìn)工作格局，不僅提高了掘進(jìn)作業(yè)安全程度，還使工作面作業(yè)人員勞動強(qiáng)度大大降低，工作效率顯著提高。