傾斜煤層單向割煤工藝智能開采技術(shù)的研究與應(yīng)用

任予鑫，馬 昆，康向南，杜 昭

(1.國家能源集團寧煤公司 棗泉煤礦，寧夏 銀川 751411；2.中國礦業(yè)大學(xué) 公共管理學(xué)院，江蘇 徐州 221006)

智能化開采是煤礦工業(yè)發(fā)展進入一個新的階段標(biāo)志，是現(xiàn)代煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的核心技術(shù)。王國法等提出礦井智能化建設(shè)技術(shù)，工作面智能化開采技術(shù)與裝備發(fā)展迅速[1-5]。隨著智能化技術(shù)發(fā)展，智能化裝備投入使用，國內(nèi)煤炭領(lǐng)域智能化開采從數(shù)量上、智能化程度上、常態(tài)化應(yīng)用水平上已處于3.0階段[6-9]。

棗泉煤礦一直將智能化開采作為推動現(xiàn)代化礦井高質(zhì)量發(fā)展的技術(shù)途徑。堅持加大智能化開采技術(shù)的應(yīng)用與研究，通過積極開展技術(shù)攻關(guān)和對內(nèi)技術(shù)服務(wù)工作，努力探索工作面智能開采的技術(shù)途徑[10，11]。

目前智能化開采工業(yè)示范應(yīng)用中，多為近水平工作面，工藝采用雙向?qū)ΨQ性的割煤工藝[12-18]。傾斜工作面單向割煤工藝，回采中上、下行工藝不同，在機頭、機尾割煤工藝不同，智能化化開采不能在全工作面常態(tài)化的運行。通過現(xiàn)場的示范工程應(yīng)用提出單向割煤的智能化開采工藝，提出了采煤機與支架的智能聯(lián)動跟機工藝。并對工程現(xiàn)場工藝方案優(yōu)化。從而實現(xiàn)了傾斜工作面的單向智能化開采在全工作面的常態(tài)化運行。

1 工程地質(zhì)概況

220704綜采工作面，工作面位于22采區(qū)+980m水平上山階段，工作面走向長度1970m，傾斜長度295m，平均厚度3.85m，工作面傾角為13.5°～16.9°，平均傾角15.4°。工作面距地表層間距為110～200m，回采過程中共揭露8條斷層，最大落差6.9m，最小落差0.9m。采用走向長壁綜合機械化采煤方法進行開采。

工作面布置MG650/1750-WD型采煤機1臺，液壓支架168臺，其中在機頭配置3臺排頭架1臺過渡架，機尾配置4臺排頭架1臺過渡架。配套使用電液控及自動化集控裝置。

2 單向割煤工藝

2.1 工藝特點

1)單向割煤工藝在回采過程中采煤機上行、下行工藝不同，支架跟機動作不同。在機頭、機尾兩端頭的三角煤工藝不對稱。

2)工作面回采時下行時采煤機割煤、支架跟機移架；下行到機頭三角煤直接截割，清理浮煤，不在機頭做進刀斜切段。上行時采煤機返機清理浮煤、支架跟機推溜；返至機尾，在機尾做進刀斜切段進行斜切進刀割機尾的方式。

2.2 示范工作面單向割煤工藝

1)根據(jù)工程應(yīng)用現(xiàn)狀，工作面傾向長度295m，布置電液控支架168架，采煤機機身長度為15m，支架中心距為1.75m，采煤機機身占9臺支架。根據(jù)采煤工藝、生產(chǎn)方式將支架智能化移架工藝、采煤機自動截割劃分為10個工藝階段。

2)根據(jù)工作面單向割煤工藝，將工作面168臺支架對應(yīng)的分為三個階段。1#—20#，21#—142#，143#—168#。分別對應(yīng)采煤工藝為機頭三角煤移架推機頭工藝，中部跟機移架、推溜工藝，機尾三角煤斜切進刀工藝。

3)根據(jù)工作面現(xiàn)場回采，在過斷層期間單向割煤工藝整體工藝不變，依然采用10個工藝階段的單向割煤工藝。但對采煤機運行速度、滾筒采高進行人工干預(yù)調(diào)整，并進行重新學(xué)習(xí)。對跟機移架的動作時間進行設(shè)置以及跟機移架位置進行設(shè)置。

3 采煤機截割工藝

3.1 循環(huán)深度

通過工藝的研究與應(yīng)用改進，采煤機單向智能截割的工藝循環(huán)深度設(shè)置10較為適宜[10]。學(xué)習(xí)模式在工作面中部開始，但需躲避開采煤機在工作面設(shè)置的零點位置。下行進行學(xué)習(xí)，初始工藝段為0段，通過一個完整單向割煤循環(huán)，采煤機截割工藝工藝段為從0至10，其中工藝段0與10為同一工藝。共計不同工藝為10個。在10個工藝段中，偶數(shù)工藝段均為采煤機下行割煤方向，與初始學(xué)習(xí)方向相同。奇數(shù)工藝段均為向右向上的工藝。

3.2 截割工藝

1)機頭三角煤工藝包括0-4，其中工藝段0為機頭割頂煤，工藝段2為機頭割底煤，工藝段4為機頭清理浮煤。1、3為采煤機改變方向的一種記憶工藝。

2)機尾三角煤的工藝包括5-10，其中工藝段5為割機尾頂煤，7為機尾割底煤，9為機尾清理浮煤。其余工藝作為采煤機變方向的一種記憶工藝。

3)中部割煤工藝為工藝段0、5、10。0、10為下行割煤工藝，5為返機清浮煤。

工作面采煤機行走最長距離為工藝2的最大距離到工藝7最大距離為272.61m。采煤機記憶截割循環(huán)如圖1所示。

4 支架跟機工藝

4.1 工藝階段

1)支架跟機工藝程序設(shè)置為10個階段，為工藝段1到工藝段10。對應(yīng)單向智能化割煤工藝3個階段。

機頭三角煤移架推機頭工藝，支架序號為1#—20#。在此段支架工作需觸發(fā)跟機程序工藝階段為階段1，階段2，階段3，階段4，階段5。中部跟機移架，推溜，支架序號為21#—142#，在此段支架動作需觸發(fā)跟機程序工藝段為階段1，階段6。機尾三角煤斜切進刀工藝，支架序號為143#—168#，在此段支架需觸發(fā)跟機程序工藝段為階段6，階段7，階段8，階段9，階段10。

4.2 中部跟機工藝

1)下行時中部跟機進行移架，(中部跟機移架支架序號為21#—142#)。

2)采煤機中部下行是中部跟機工藝，采煤機下行至135#，觸發(fā)跟機程序階段1。進入中部下行工藝。對應(yīng)采煤機工藝段為10和0。

支架跟機動作為超前采煤機前滾筒5架位置的支架收回伸縮梁、護幫板；滯后前滾筒3架位置的支架打出伸縮梁(支護頂板) ；滯后后滾筒3架位置的支架跟機移架；滯后后滾筒5架位置的支架后打出伸縮梁護幫板。

3)采煤機上行返機清理浮煤時中部跟機工藝：觸發(fā)跟機程序階段6。對應(yīng)采煤機工藝段5。

支架對應(yīng)動作為超前采煤機后滾筒5架收回護幫板，滯后前滾筒5架打出護幫板，滯后采煤機前滾筒13架進行推溜動作。

4.3 機頭三角煤工藝

1)采煤機下行至14#架時，觸發(fā)跟機程序階段2。此階段進行20#—15#支架進行順序移架。采煤機對應(yīng)工藝段0。

2)采煤機機頭割透，返機到達8#架時，觸發(fā)跟機程序階段3。對應(yīng)采煤機工藝段1。

3)采煤機在機頭割底煤上行至15#架時，觸發(fā)跟機程序階段4。此階段進行6#—14#支架順序拉架。對應(yīng)采采煤機工藝段2—4。

4)浮煤清理完畢后進行返機，返機至21#時，觸發(fā)跟機程序階段5。開始中部返機清理浮煤。此階段動作為機頭1#—10#順序進行推移刮板機，推移刮板機結(jié)束后進行1#—5#的順序補充拉架。

5)采煤機返機至25#架，觸發(fā)階段6進入中部返機工藝，對應(yīng)的采煤機工藝段5。

4.4 機尾三角煤斜切進刀工藝

1)采煤機返機至163#架時，觸發(fā)跟機程序階段7。此階段進行補充推溜：推溜范圍為150#—157#，推至滿行程。對應(yīng)采煤機工藝段5。

2)采煤機機尾割透后需改變牽引方向向下牽引，當(dāng)牽引至162#架，觸發(fā)跟機程序階段8。在此段采煤機為工藝段6清理浮煤。

3)采煤機向下牽引至156#架時觸發(fā)跟機程序階段9。在此段觸發(fā)動作進行162#—142#支架順序拉架。采煤機進行機尾拉低、清掃浮煤，對應(yīng)采煤機工藝段7—9。

4)采煤機下行至139#架時，觸發(fā)跟機程序階段10。此階段進行推出機尾斜切段：148#—157#為斜切進刀段，158#—168#為直線段推移行程為滿行程。推移完畢后順序補充拉架163#—168#。

以上是工作面整個全智能化跟機控制工藝。觸發(fā)點和動作范圍是根據(jù)采煤機本身機身的長度，以及采煤機運行軌跡確定。單向割煤支架跟機工藝觸發(fā)點見表1。

5 智能跟機移架

單向智能割煤工藝建立后，實現(xiàn)在工程現(xiàn)場的高效運行，需提高采煤機截割速度。煤機速度提高就需建立在下行跟機時快速移架模式。液壓支架跟機需根據(jù)煤機位置判定速度的移架模式：根據(jù)紅外傳感器傳輸?shù)拿簷C位置，采煤機運行速度，通過支架中心距判定需要移設(shè)的支架及千斤動作。通過紅外傳感器接收煤機位置信號進行模式調(diào)整。提升智能開采常態(tài)化高效運行。

5.1 智能跟機建立

1)建立智能化跟機模式，在單向割煤跟機移架過程中，根據(jù)采煤機與支架位置邏輯關(guān)系，加入采煤機截割速度控制關(guān)系。單向割煤采煤機返機工藝因支架不作移架動作，降低了對返機速度影響。通過現(xiàn)場工礦變化進行返機速度設(shè)置學(xué)習(xí)，常態(tài)化實際生產(chǎn)中工藝段5采煤機返機速度在14m/min。保證采煤機在中部返機只需16min。

2)智能跟機速度建立。 下行割煤工藝段需在適應(yīng)現(xiàn)場工礦的條件下結(jié)合支架移架效果進行速度調(diào)整；對干預(yù)調(diào)整速度進行學(xué)習(xí)便于持續(xù)運行。保證在10個工藝段不變的情況下，在單獨的工藝段調(diào)整速度。兩端頭的8個工藝段因采煤機頻繁更換牽引方向、每個工藝段運行距離較短；對于采煤機截割速度不做調(diào)整。多以初始學(xué)習(xí)模式速度為主。

工作面實際生產(chǎn)中智能割煤常態(tài)化保持在三個速度。在兩端頭截割中速度小于6m/min，以及在中部截割傾角大于16°時采用此速度。中部截割過程中工作面傾角在14°時，截割速度常態(tài)化保持在8m/min?，F(xiàn)場出現(xiàn)煤幫片幫截割阻力降低，傾角降低的工礦中截割速度可提升至10m/min以上。從而保證智能開采的高效運行。常態(tài)化運行中中部截割工藝段0，10只需30min。

5.2 智能跟機移架模式

1)采煤機速度小于6m/min情況下采用觸發(fā)點順序移架模式，如圖2所示。根據(jù)單架移架參數(shù)設(shè)置單臺支架移設(shè)時間為15s，根據(jù)移架工藝支架滯后采煤機后滾筒進行移架，只需根據(jù)位置推進按圖中按順序①、②、③進行順序移架。

圖2 智能移架模式一

2)當(dāng)在下行截割過程中采煤機速度大于6m/min小于10m/min情況下，根據(jù)單架移架時間15s進行建立模型，此時需采用觸發(fā)點觸發(fā)進行差動移架，根據(jù)支架移架工藝程序設(shè)置在滯后采煤機同時進行2臺支架的同時移設(shè)，兩架進行采取差動移設(shè)模式，如圖3所示。圖3中在滯后煤機同時移動標(biāo)識序號①的兩臺支架。移設(shè)完畢后再同時移設(shè)標(biāo)識序號②的兩臺支架。

圖3 智能移架模式二

3)采煤機速度大于10m/min情況下采用觸發(fā)點差動移架，同時進行2臺，或3臺支架進行差動交替移設(shè)模式，如圖4所示。圖4中在滯后煤機同時移動標(biāo)識序號①的兩臺支架。移設(shè)完畢后根據(jù)采煤機位置可同時移設(shè)標(biāo)識序號②的三臺支架，保證支架跟機移架支護頂板滿足采煤機快速截割。

圖4 智能移架模式三

6 結(jié) 論

1)智能化開采在傾斜工作面單向割煤工藝的應(yīng)用，對于支架與采煤機的工藝劃分為10個工藝段是符合工程現(xiàn)場條件，也滿足生產(chǎn)工藝需求。

2)單向智能化開采工藝在國家能源集團棗泉煤礦效果良好。使得工作面智能開采得以常態(tài)化運行。實現(xiàn)了單日智能化開采13刀的成績，采煤機自動化率達95%，支架跟機自動化率達到92%。提高了智能化開采效率。

3)對于我國大部分礦井地質(zhì)較為復(fù)雜，存在傾角大，斷層多。實現(xiàn)智能化開采常態(tài)化運行較為不易。通過對于采煤機截割，支架跟機工藝優(yōu)化，大大提高了智能化開采現(xiàn)場工程契合度。為以后智能化開采奠定了基礎(chǔ)。