范志忠,裴印昌,劉天習(xí),于鳳江
(1.中煤科工開(kāi)采研究院有限公司 采礦分院,北京 100013;2.天地科技股份有限公司 開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部,北京 100013; 3.遼寧鐵法能源有限責(zé)任公司 生產(chǎn)技術(shù)部,遼寧 調(diào)兵山 112700;4.赤峰市元寶山區(qū) 防災(zāi)救災(zāi)中心,內(nèi)蒙古 赤峰 024076)
國(guó)外長(zhǎng)壁式自動(dòng)化開(kāi)采主要有2 種技術(shù)途徑,英國(guó)和美國(guó)主要采用滾筒采煤機(jī)進(jìn)行長(zhǎng)壁式開(kāi)采和連續(xù)采煤機(jī)進(jìn)行房柱式開(kāi)采[1],德國(guó)、法國(guó)、俄羅斯和比利時(shí)等國(guó)廣泛采用刨煤機(jī),尤其是德國(guó)研制和使用刨煤機(jī)的時(shí)間最長(zhǎng),技術(shù)水平最高[2]。 在工作面自動(dòng)化控制領(lǐng)域,英國(guó)LONG-AIRDOX 公司、美國(guó)JOY 公司相繼研究開(kāi)發(fā)了具有自動(dòng)化功能的滾筒采煤機(jī)綜采工作面計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),取得了較好的應(yīng) 用 效 果[3-4]。 德 國(guó)DBT 公 司 開(kāi) 發(fā) 的 以 支 架PM4 電液控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)的全自動(dòng)化無(wú)人刨煤機(jī)綜采工作面成套設(shè)備實(shí)現(xiàn)了部分薄及中厚煤層綜合機(jī)械化采煤向綜合自動(dòng)化無(wú)人工作面采煤的飛躍,使部分薄及中厚煤層開(kāi)采達(dá)到了高產(chǎn)高效的目的[5-6]。 刨煤機(jī)綜采設(shè)備工作面安全保障措施完備、塊煤率高,適于開(kāi)采厚度較小且地質(zhì)條件變化不大的煤層[7]。 雖然滾筒采煤機(jī)等綜采設(shè)備則對(duì)地質(zhì)條件適應(yīng)能力較強(qiáng),甚至適應(yīng)于硬煤以及煤層厚度變化較大的薄煤層開(kāi)采,但在薄及極薄煤層條件下,裝煤效果受到嚴(yán)重制約[8-9]。 與螺旋鉆采煤機(jī)和滾筒采煤機(jī)技術(shù)相比,刨煤機(jī)具有技術(shù)先進(jìn),產(chǎn)量大,經(jīng)濟(jì)效益明顯,更易實(shí)現(xiàn)無(wú)人自動(dòng)化工作面等特點(diǎn)[10]。 同時(shí),提高1.0 m 以下薄煤層開(kāi)采技術(shù)水平,一方面可緩解礦井資源枯竭進(jìn)程,另一方面可解決多煤層開(kāi)采壓茬問(wèn)題,提高資源采出率,具有重要現(xiàn)實(shí)意義[11-13]。
筆者針對(duì)1.0 m 以下薄煤層從厚度、煤層硬度、刨煤速度、作業(yè)空間、設(shè)備改進(jìn)與優(yōu)化、分源供電與同步控制等進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,提出了1.0 m 以下煤層刨煤機(jī)開(kāi)采關(guān)鍵技術(shù)及工藝,可為國(guó)內(nèi)類(lèi)似煤層智能化高效開(kāi)采提供借鑒。
刨煤機(jī)工作面采煤時(shí)為計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制,人員在距工作面150 m 外的巷道主控室內(nèi)進(jìn)行監(jiān)控,工作面內(nèi)無(wú)人作業(yè),最大限度地減少了工人勞動(dòng)強(qiáng)度和傷亡事故的概率。 由于刨煤機(jī)為刨削、滑行落煤,產(chǎn)塵量少,再加上先進(jìn)的消塵系統(tǒng),煤塵明顯降低。操作人員可通過(guò)控制盤(pán)按順序啟動(dòng)系統(tǒng),刨煤機(jī)的位置及運(yùn)動(dòng)方向是由安裝在刨煤機(jī)導(dǎo)軌上傳感器來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。 無(wú)人自動(dòng)化主要通過(guò)電子計(jì)算機(jī)主控臺(tái)(MCU)對(duì)工作面支架控制單元(PM4)進(jìn)行程序設(shè)定,實(shí)現(xiàn)工作面自動(dòng)化生產(chǎn),全自動(dòng)化刨煤機(jī)系統(tǒng)的操作人員只需在運(yùn)輸巷的控制室內(nèi)對(duì)主控臺(tái)、支架控制單元(PMC)服務(wù)器,PROMOS 控制器及控制盤(pán)進(jìn)行監(jiān)控操作,刨煤機(jī)在整個(gè)工作面內(nèi)的自動(dòng)往返運(yùn)行和高低速切換均由PROMOS 程序所決定,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。
圖1 刨煤機(jī)工作面PROMOS 監(jiān)控系統(tǒng)Fig.1 PROMOS monitoring system schematic in working face
鐵煤集團(tuán)第1 套全自動(dòng)化刨煤機(jī)成套設(shè)備于2001 年1 月在小青礦W1E- 703 進(jìn)行井下工業(yè)性試驗(yàn)并取得成功,又分別于2002、2006、2007 年分別引進(jìn)了第2 套、第3 套、第4 套自動(dòng)化刨煤機(jī)。 截至2019 年末,小青礦累計(jì)已完成20 余個(gè)刨煤工作面的回采,累計(jì)生產(chǎn)原煤1 000 多萬(wàn)t,并同時(shí)在鐵煤集團(tuán)的曉南礦、大興礦等得到成功應(yīng)用,標(biāo)志著全自動(dòng)刨煤機(jī)在鐵煤集團(tuán)的應(yīng)用逐漸走向成熟。 但進(jìn)口刨煤機(jī)適宜采高為1.3 ~1.8 m。 隨著1.3 m 及以上煤層逐漸枯竭,大量1 m 以下薄煤層刨煤機(jī)自動(dòng)化開(kāi)采成為鐵煤集團(tuán)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。 針對(duì)1 m 以下薄煤層開(kāi)采困難這一難題,以大興礦N1E902 工作面為試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng),經(jīng)過(guò)各專(zhuān)業(yè)協(xié)同攻關(guān),形成了一套包括技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)、適刨性評(píng)價(jià)、工作面關(guān)鍵設(shè)備改進(jìn)、工藝優(yōu)化等1.0 m 以下薄煤層刨煤機(jī)智能化開(kāi)采成套技術(shù)。
薄煤層開(kāi)采制約的瓶頸在于作業(yè)空間狹小,只有盡可能縮小刨煤設(shè)備體積,優(yōu)化配套尺寸,增大作業(yè)空間,才能滿足行人、操作、檢修需要[14-15]。 新研制了適應(yīng)1 m 以下薄煤層的ZY4800/06/16.5 緊湊型綜采液壓支架,最大有效支撐高度1.65 m,最小高度0.6 m,伸縮比較大,能夠適應(yīng)薄煤層厚度的變化;其平衡千斤頂雙向鎖由掩護(hù)梁改至頂梁立柱柱窩后側(cè),既便于檢修,又提高安全系數(shù);支架立柱進(jìn)回液由2 進(jìn)2 回設(shè)計(jì)為1 進(jìn)1 回,減少管路和電磁閥接頭;推移缸連接管由2 500 mm 縮至1 400 mm,噴霧主管由1 500 mm 縮至650 mm,方便檢修作業(yè),運(yùn)輸機(jī)電纜槽上方高度增加40 mm,有效避免了支架頂梁擠壓刮板輸送機(jī)情形發(fā)生,如圖2 所示。
圖2 ZY4800/06/16.5 緊湊型綜采液壓支架Fig.2 The ZY4800/06/16.5 compact fully-mechanized mining hydraulic support
鐵煤集團(tuán)厚1.3 m 以上煤層開(kāi)采電纜槽一般高度170 mm,電纜槽內(nèi)鋪設(shè)多種型號(hào)動(dòng)力電纜、信號(hào)電纜及冷水管等。 優(yōu)化改進(jìn)了刮板輸送機(jī)中部槽配套附件,將擴(kuò)音電話及急停開(kāi)關(guān)由側(cè)方改到電纜槽下方,?20 的擴(kuò)音電話電源線及?25 的環(huán)形供液進(jìn)回液膠管2 根管線不再?gòu)碾娎|槽里面穿過(guò),有效利用了電纜槽下方空間;此外,電纜槽內(nèi)只鋪設(shè)信號(hào)電纜,冷卻水管吊掛在外。 新研制電纜槽高70 mm,其他電纜不通過(guò)工作面,大幅減少了設(shè)備占用空間,如圖3 所示。
圖3 輕薄型刮板輸送機(jī)電纜槽優(yōu)化設(shè)計(jì)Fig.3 Optimization design of cable trough of light and thin scraper conveyor
由于端頭作業(yè)空間狹小,新研制了分別適應(yīng)上下平巷的ZT6200/18/32D 和ZT5200/18/32 窄矮型端頭支架,寬度僅為1.24 m,3 架總寬度3.96 m,運(yùn)輸巷寬5 m 即可滿足需要,縮小了巷道斷面,增強(qiáng)了端頭設(shè)備對(duì)狹小作業(yè)空間的適應(yīng)能力。 前后端頭支架動(dòng)作設(shè)計(jì)為智能化程序控制,階梯式推移改為一字水平梁,確保端頭架切頂線一致,既減小了控頂面積,又改善了端頭支護(hù)質(zhì)量。 經(jīng)測(cè)算,在縮小端頭設(shè)備體積的基礎(chǔ)上,運(yùn)輸巷斷面由原16.8 m2降至13.5 m2。
傳統(tǒng)運(yùn)輸機(jī)底座采用螺栓連接,造成機(jī)頭與底座間不能擺動(dòng),存在采煤作業(yè)時(shí)螺栓易折斷,設(shè)備連接搭接高度超限等問(wèn)題[16-18]。 研發(fā)了刮板輸送機(jī)機(jī)頭可旋轉(zhuǎn)式機(jī)頭搭接技術(shù),對(duì)機(jī)頭與底座的連接方式改成鉸接并可相對(duì)擺動(dòng)45°角,提高了設(shè)備的可靠性和適應(yīng)性,刮板輸送機(jī)頭與底座之間采用銷(xiāo)軸鉸接方式,將刮板輸送機(jī)頭的卸貨高度降低了100 mm,同時(shí)將機(jī)頭與轉(zhuǎn)載機(jī)尾之間搭接距離縮小為510 mm,減小了刨煤設(shè)備體積,優(yōu)化了設(shè)備配套尺寸,運(yùn)輸巷僅為2.6 m 高度即可滿足要求。 運(yùn)輸機(jī)頭在平面上旋轉(zhuǎn)角度增加到8°(刨煤機(jī)前置電機(jī)與轉(zhuǎn)載機(jī)之間限位8°),能夠適應(yīng)25°傾角煤層和150 m 以上旋轉(zhuǎn)開(kāi)采的需要。
圖4 可旋轉(zhuǎn)鉸接式刮板輸送機(jī)底座結(jié)構(gòu)示意Fig.4 Structure diagram of rotatable articulated conveyor base
傳統(tǒng)供電方式下,工作面電纜無(wú)法取消,2 臺(tái)高低速電機(jī)若干動(dòng)力電纜需從運(yùn)輸巷經(jīng)電纜槽向機(jī)尾供電。 為了節(jié)約電纜槽空間,研發(fā)了刨煤機(jī)與刮板輸送機(jī)頭尾分源供電同步控制技術(shù),采用分源供電方式,即同一設(shè)備電機(jī)采用不同電源、異地布置,但由于同一設(shè)備電機(jī)須達(dá)到同步方能正常運(yùn)行,還須采用集中控制方式。 在運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷2 組變電列車(chē)控制開(kāi)關(guān)之間經(jīng)工作面敷設(shè)控制電纜,實(shí)現(xiàn)動(dòng)力設(shè)備頭尾電機(jī)的同步啟停和同步保護(hù),然后在運(yùn)輸巷變電列車(chē)安裝集中控制設(shè)備,將控制系統(tǒng)引至集控臺(tái),用PROMOS 系統(tǒng)總線連接運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷2 臺(tái)刨煤機(jī)控制開(kāi)關(guān)和集控臺(tái),實(shí)現(xiàn)了由中央控制系統(tǒng)直接完成刨煤機(jī)機(jī)頭機(jī)尾電機(jī)同步啟停和同步保護(hù)。
分源供電同步控制系統(tǒng)使得工作面設(shè)備、電纜檢查維護(hù)變得十分方便,避免推移刮板輸送機(jī)、拉架對(duì)電纜造成傷害和系列電氣故障,保障了生產(chǎn);降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度,避免了狹小作業(yè)環(huán)境對(duì)工人造成人身傷害;刨煤機(jī)、刮板輸送機(jī)機(jī)尾電機(jī)供電質(zhì)量得到明顯改善。 作業(yè)空間狹窄難題得以解決,設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)條件得以改觀。 分源供電、同步控制、集中控制成套技術(shù)使1 m 以下薄煤層自動(dòng)化工作面回采成為現(xiàn)實(shí)。
圖5 工作面無(wú)人值守集中控制技術(shù)Fig.5 The unattended centralized control technology in working face
在支架內(nèi)部操作空間方面,由于PMC-R 電液閥組布置在頂梁下方,尺寸271.5 mm×340 mm×140 mm,占用架前較大有效空間,將電液控制器前移,由常規(guī)螺栓固定方式設(shè)計(jì)為滑道銷(xiāo)軸固定,并新研制抽屜式布置控制閥組,將其位置向支架內(nèi)部移動(dòng)200 mm,當(dāng)檢修電液控制器時(shí),可把電液控制器由原位置向架前拉出500 mm,由此大幅增加了行人和檢修空間,如圖6 所示。 在架前作業(yè)空間方面,新研制了檔位可調(diào)節(jié)式推移框架,共有4 個(gè)檔位,檔位間距100 mm,實(shí)現(xiàn)了架前空間可自由調(diào)節(jié)。通過(guò)調(diào)整支架急停按鈕位置,向架前方向移動(dòng)移250 m,簡(jiǎn)化了側(cè)護(hù)千斤頂閥及抬柱高壓管路,進(jìn)一步改造多通塊,由常規(guī)直立布置改成水平布置,增大了行人作業(yè)空間;此外,拆除多空塊上彎頭,將控制器至單向閥連接管由500 mm 至1 000 mm,調(diào)整固定銷(xiāo)位置,拉大相對(duì)刮板輸送機(jī)距離,實(shí)現(xiàn)架前空間增大100 mm。
圖6 抽屜式控制閥組布置現(xiàn)場(chǎng)Fig.6 Field layout of drawer type control valve group
上述新研制的核心設(shè)備充分有效利用了作業(yè)空間,實(shí)現(xiàn)了支架內(nèi)和架前空間的最大化,包括可伸縮式布置控制閥組、可調(diào)節(jié)式布置推移空間、閥鎖外露式布置、集成塊式聯(lián)結(jié)管路裝置等特點(diǎn),達(dá)到了減少支架設(shè)備設(shè)施占用空間和降低工作面液壓支架支護(hù)高度的目的。 經(jīng)過(guò)系列改造后,支架在采高0.8 m時(shí)完全滿足對(duì)行人和設(shè)備要求,采高0.9 m 時(shí)有效作業(yè)面積0.70 m2(1.2 m×0.9 m×0.77 m),接近原1.2 m 采高作業(yè)面積,支架、刮板輸送機(jī)間距達(dá)200 mm,對(duì)煤層起伏及煤厚變化的適應(yīng)性增強(qiáng)。
薄煤層由于受到頂?shù)装宓摹皧A持”作用,不利于煤層的刨落,經(jīng)過(guò)對(duì)已開(kāi)采數(shù)10 個(gè)工作面刨刀消耗量進(jìn)行分析[19]。 根據(jù)刨刀消耗量與刨深呈的指數(shù)曲線關(guān)系,實(shí)現(xiàn)雙向穿梭式割煤,上行最大刨深為195 mm,最大速度1.92 m/s;下行最大刨深70 mm,最大速度0.96 m/s,實(shí)現(xiàn)刨深、刨速根據(jù)煤層厚度自適應(yīng)實(shí)時(shí)調(diào)整,刨煤厚度、刨深分別與刨刀消耗量關(guān)系如圖7 所示。
圖7 刨煤厚度、刨深分別與刨刀消耗量關(guān)系Fig.7 Relationship between thickness and depth of planer and consumption of planer
自動(dòng)化控制系統(tǒng)根據(jù)工作面條件確定回采參數(shù),對(duì)設(shè)備動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制;PROMOS 系統(tǒng)對(duì)破碎機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、刮板輸送機(jī)、刨煤機(jī)工作面通訊、噴霧、冷卻進(jìn)行控制和監(jiān)測(cè);PMC-R 電液系統(tǒng)對(duì)液壓支架各種動(dòng)作進(jìn)行自動(dòng)控制;然后通過(guò)首創(chuàng)的“單向雙切”開(kāi)采工藝,根據(jù)刨深、刨速的自適應(yīng)調(diào)整實(shí)現(xiàn)落煤和裝煤,刨煤機(jī)“單向雙切”開(kāi)采工藝如圖8 所示,縮短了作業(yè)循環(huán)時(shí)間,簡(jiǎn)化了控制過(guò)程,提高了工作效率。
圖8 刨煤機(jī)“單向雙切”開(kāi)采工藝Fig.8 “One way double cutting” mining technology of coal plough
礦井同一煤層工作面由于位置、支護(hù)強(qiáng)度等不同,礦壓顯現(xiàn)程度存在顯著差異,煤壁裂隙越發(fā)育,煤層適刨性越高[20-21]。 實(shí)踐中,在保證支護(hù)安全前提下,適當(dāng)降低了支架工作阻力,增強(qiáng)了礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度,利用礦山壓力壓裂煤壁,增強(qiáng)了煤壁適刨性。 將“單向雙切”開(kāi)采工藝與礦壓顯現(xiàn)程度相結(jié)合,使得刨刀消耗量大幅降低,工作面產(chǎn)量卻大幅提高。
經(jīng)過(guò)對(duì)上述薄煤層無(wú)人智能化刨煤開(kāi)采關(guān)鍵工藝技術(shù)進(jìn)行集成創(chuàng)新,在鐵煤集團(tuán)大興礦N1E902刨煤工作面進(jìn)行了應(yīng)用,N1E902 工作面煤層厚度0.84~1.20 m,平均厚度0.90 m,煤層傾角7°。 工作面走向342 m,傾向200 m。
圖9 大興礦N1E902 工作面現(xiàn)場(chǎng)Fig.9 Site drawing of N1E902 working face of Daxing Mine
直接頂為泥質(zhì)膠結(jié)粉砂巖,厚度1.38 m,易冒落;基本頂為粗砂巖,厚度5.0 m,賦存較穩(wěn)定工作面煤層瓦斯絕對(duì)涌出量27.7 m3/min。 工作面采用ZY4800/06/16.5 緊湊型綜采液壓支架,回采作業(yè)采用“三八制”,即:由3 個(gè)生產(chǎn)班和1 個(gè)檢修班組成,正規(guī)循環(huán)作業(yè)。
N1E902 工作面開(kāi)始正常回采至結(jié)束,日進(jìn)尺最高10 m,產(chǎn)量3 000 t,平均日進(jìn)尺8 m,平均單產(chǎn)2 500 t/d,月產(chǎn)7.5 萬(wàn)t,刨刀消耗量10 個(gè)/萬(wàn)t,工作面設(shè)備使用狀況良好,實(shí)現(xiàn)了工作面智能化刨煤和高產(chǎn)、高效的目的。
1)研究提出了大功率刨煤機(jī)與窄矮型液壓支架配套的開(kāi)采技術(shù)方案,建立了包含煤層適刨性評(píng)價(jià),刨煤工藝、關(guān)鍵設(shè)備研制和智能化控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)以及安全保障措施等內(nèi)容的1.0 m 以下薄煤層智能化綜采技術(shù)模式。
2)研制了適應(yīng)1.0 m 以下刨煤機(jī)工作面的系列關(guān)鍵裝備,即液壓支架采用了大伸縮比立柱、可調(diào)節(jié)式推移空間、可伸縮式控制閥組、外露式閥鎖和管路集成塊式聯(lián)結(jié)等新技術(shù),刮板輸送機(jī)采用嵌入式懸掛布置的輕便式電纜槽和可旋轉(zhuǎn)式機(jī)頭搭接裝置,在提升系統(tǒng)功能的同時(shí),大幅優(yōu)化了作業(yè)空間。
3)研發(fā)了綜采工作面刨運(yùn)機(jī)組首尾分源供電、同步集成控制技術(shù),降低了采煤工作面供電電纜槽高度,為實(shí)現(xiàn)極薄煤層開(kāi)采提供了可能。