CT200-2.6 智能成套一體化綜采機組的選型與應(yīng)用

向家雨，黃 瑩，張定堂，楊文明，楊元凱

鄭州煤礦機械集團股份有限公司 河南鄭州 450010

近 年來，隨著科技進步和管理水平的提升，我國煤礦智能化建設(shè)快速發(fā)展，已建成了 400 余個智能化開采工作面，取得了豐碩成果，但總體上還處于煤礦智能化建設(shè)的初級階段，仍面臨著不少問題與挑戰(zhàn)[1-5]。

我國綜采裝備成套一體化發(fā)展相對滯后，選型配套一般采用煤礦用戶牽頭多廠家參與的方式，采煤機、液壓支架、刮板輸送機、智能化控制系統(tǒng)等大多來自不同的廠家，由于通信協(xié)議不統(tǒng)一，數(shù)據(jù)開放有限，導(dǎo)致我國的智能化工作面大多通過簡單的硬件兼容和軟件集成實現(xiàn)控制，在單個設(shè)備或功能的智能控制基礎(chǔ)上增加了工作面所有設(shè)備的聯(lián)動過程，設(shè)備間的協(xié)同性、融合度和對復(fù)雜煤層賦存條件的適應(yīng)性有待加強，井下實際應(yīng)用過程中人工干預(yù)比較多[6-10]。而美國、日本、波蘭等國外公司早已形成了由單一集團提供成套裝備及智能化控制系統(tǒng)的能力，例如卡特、小松、法穆爾等公司在井工綜采方面均具有獨立成套供應(yīng)液壓支架、采煤機、刮板輸送機及自動控制系統(tǒng)的能力，通過合理配套和協(xié)同控制，將各設(shè)備的性能最大化發(fā)揮出來，平均單井單面年產(chǎn)量達 300～400 萬 t，全礦年人均產(chǎn)量接近 2 萬 t，遠超國內(nèi)同類水平[11-13]。

針對當前國內(nèi)煤炭行業(yè)發(fā)展面臨的裝備成套化水平低、智能化融合度不高、人工干預(yù)多的問題，結(jié)合山西某典型煤礦井下實際條件，進行了 CT200-2.6(機組年生產(chǎn)能力為 200 萬 t，最大采高為 2.6 m) 智能成套一體化綜采機組的選型設(shè)計，涵蓋工作面“三機”(液壓支架、采煤機和刮板輸送機)、順槽輔助運輸、供電供液及智能化控制系統(tǒng)等，并在井下進行了工業(yè)性驗證，取得了良好效果。

1 智能成套一體化綜采機組基本要求

1.1 三機選型設(shè)計基本要求

綜采工作面成套一體化機組主要由液壓支架、采煤機、刮板輸送機、順槽自移列車及智能化控制系統(tǒng)等組成，這些設(shè)備或系統(tǒng)的合理選型配套，是充分發(fā)揮工作面生產(chǎn)能力，實現(xiàn)安全、高產(chǎn)、高效生產(chǎn)的前提條件。

通過深入研究影響工作面開采的制約因素，形成了高效開采“三機”選型配套基本要求，除了“三機”滿足各自使用要求外，還需要“三機”之間實現(xiàn)合理配套并與井下實際條件相適應(yīng)，使過機間隙、臥底量、挑頂量、過煤高度、追機速度、行人空間、梁端距、側(cè)板搭接等關(guān)鍵指標達到最優(yōu)[14-17]。設(shè)備出廠前進行了地面“三機”選型配套驗證，如圖 1 所示。

圖1 地面“三機”選型配套驗證Fig. 1 Test for selection and matching of"three machine" on ground

1.2 智能化控制系統(tǒng)設(shè)計基本要求

基于智能成套一體化設(shè)計思路，建立通信網(wǎng)絡(luò)、視頻監(jiān)視和遠程操作于一體的工作面集中監(jiān)控平臺，將采煤機控制系統(tǒng)、液壓支架電液控制系統(tǒng)、工作面運輸控制系統(tǒng)、“三機”控制系統(tǒng)、運輸巷帶式輸送機控制系統(tǒng)、智能供液系統(tǒng)、水過濾系統(tǒng)及供電系統(tǒng)有機結(jié)合，實現(xiàn)智能化控制為主、人工干預(yù)控制為輔的智能化生產(chǎn)模式，減輕工人勞動強度，達到礦井安全高效生產(chǎn)的目的。

2 礦井綜采工作面概況

該礦首采面為 3 號煤層 3102 工作面，工作面凈煤壁長度為 221 m，傾角為 6°～ 25°，走向長度約為916 m；煤層結(jié)構(gòu)比較簡單，平均厚度為 0.99～2.20 m，上接 0.3～0.4 m 厚的夾矸，再上為 0.2～0.3 m 厚的煤層，煤質(zhì)硬度f=1～3；頂板巖性主要為砂質(zhì)泥巖、泥巖，底板巖性主要為砂質(zhì)泥巖。該工作面為左工作面，兩巷沿頂破底開掘，機巷與風巷寬度均為 4.8 m，高度均為 2.7 m。

3 智能成套一體化綜采機組選型

3.1 液壓支架選型

液壓支架選型原則：支架工作高度與煤層厚度相適應(yīng)；支護強度與礦山壓力顯現(xiàn)狀態(tài)相匹配，保證支護安全[18]。

3.1.1 支架高度的確定

工作面采高確定的主要依據(jù)是煤層厚度 (包括煤層夾矸厚度)，同時考慮設(shè)備能力、尺寸、質(zhì)量、經(jīng)濟性等多方面因素，最終確定支架最大高度為 2.8 m，支架最小高度為 1.3 m，工作高度為 1.5～2.6 m。

3.1.2 支架支護強度的確定

采用山東科大法，通過分析煤層上方覆巖運動情況進行支護強度計算。

式中：p為支護強度，MPa；Hmax為最大開采高度，Hmax=2.8 m；γ1為頂板巖體平均容重，取γ1=2.6 t/m3；z為頂板動載荷系數(shù)，取z=1.5；β為附加阻力系數(shù)，取β=1.75；k為頂板巖石碎脹系數(shù)，取k=1.25；α為煤層傾角，取最大傾角α=25°。

考慮井下實際情況的不確定性，結(jié)合周邊礦井信息，選取支架支護強度不小于 0.80 MPa。

按 1.5 m 中心距，支架控頂長度約為 5.37 m，所以支架的工作阻力

式中：S為支架控頂面積，m2。

由于薄煤層支架在降至較低位置時支護效率有所下降，考慮最危險情況和井下一些不確定因素，支架應(yīng)有一定的富裕系數(shù)，鑒于此，支架的名義工作阻力應(yīng)選用 6 800 kN，液壓支架型號為 ZY6800/13/28D。

3.2 采煤機選型

正確選擇采煤機對采煤工作面的生產(chǎn)效率、能耗、安全等都具有重要影響，它不僅與煤層的厚度、傾角及煤的物理機械性質(zhì)、地質(zhì)條件等有關(guān)，還要考慮與支護設(shè)備、運輸設(shè)備之間的配套關(guān)系[19]。

3.2.1 滾筒直徑的確定

滾筒直徑

式中：δ為螺旋滾筒裝煤效率，對小直徑滾筒，δ=0.55。

根據(jù)計算結(jié)果并結(jié)合采煤機滾筒系列化標準，初步確定采煤機滾筒直徑為 1.4 m。

3.2.2 滾筒轉(zhuǎn)速的確定

采煤機滾筒轉(zhuǎn)速n的選擇要兼顧截煤及裝煤 2 種工藝，并適應(yīng)不同的煤質(zhì)情況?？紤]煤層存在夾矸，選取截割速度vj=3～4 m/s 來確定滾筒的轉(zhuǎn)速，

式中：D為滾筒直徑，取D=1.4 m。

3.2.3 牽引速度的確定

牽引速度直接決定了采煤機的生產(chǎn)能力。采煤工藝采用端部斜切進刀方式，雙向割煤。采煤機平均落煤能力

式中：Qγ為工作面日產(chǎn)量，Qγ=4 000 t；K為采煤機平均日開機率，K=0.70；T1為綜采工作面日生產(chǎn)時間，T1=16 h；C為工作面回采率，C=95%。

采煤機平均割煤速度

式中：B為采煤機截深，B=0.8 m；Hc為平均采高，Hc=2.3 m；γ2為煤的容重，取γ2=1.34 t/m3。

采煤機最大割煤速度

式中：Kc為采煤機割煤不均衡系數(shù)，取Kc=1.4。

3.2.4 裝機功率的確定

采煤機的裝機功率

式中：Hw為采煤機截煤的單位能耗，取Hw=4.2 MJ/m3。

根據(jù)上述計算結(jié)果，考慮煤層夾矸比較嚴重，對照現(xiàn)有采煤機成熟機型技術(shù)參數(shù)，最終確定采煤機型號為 MG2×200/930-WD。

3.3 運輸設(shè)備選型

選擇刮板輸送機的主要原則是以采煤機最大生產(chǎn)能力為基數(shù)，保證采煤機截割的煤炭能及時運出去，同時保證設(shè)備的可靠性和耐久性，兼顧設(shè)備啟動、保護和控制性能[20]。

3.3.1 槽寬的確定

刮板輸送機輸送量

式中：A為中部槽上物料裝載斷面面積，m2；v為刮板輸送機鏈速，取v=1.1 m/s；ρ為物料堆積密度，取ρ=0.9 t/m3。

刮板輸送機中部槽上物料斷面如圖 2 所示，經(jīng)測量A≈0.29 m2，代入式 (9)，計算出刮板輸送機輸送量Q=1 034 t/h。

圖2 中部槽上最大物料斷面示意Fig. 2 Sketch of largest material section on middle trough

槽寬為 800 mm 的刮板輸送機運量約為 1 000 t/h，也能與所選采煤機相配套，因此確定運輸機的槽寬為800 mm。

3.3.2 功率的確定

刮板輸送機單位長度物料質(zhì)量

刮板鏈條單位長度質(zhì)量

式中：m1為單個刮板鏈總成質(zhì)量，m1=36.1 kg；m2為鏈條單位長度質(zhì)量，m2=23 kg/m；l為刮板間距，l=1.008 m。

刮板輸送機運行總阻力

式中：k1為刮板輸送機彎曲運行時附加阻力系數(shù)，取k1=1.2；k2為刮板鏈條繞上頭部、尾部鏈輪回轉(zhuǎn)時的附加阻力系數(shù)，取=1.21；Wzh為有載分支的基本運行阻力，Wzh=436.0 kN；WK為無載分支的基本運行阻力，WK=72.5 kN。

刮板輸送機電動機的等值功率Pd和設(shè)備功率Ps分別為

式中：Pmax為刮板輸送機滿載運行時電動機功率，Pmax=1 031.5 kW；Pmin為刮板輸送機空載運行時電動機功率，Pmin=215.6 kW。

根據(jù)以上參數(shù)，最終確定刮板輸送機型號為 SGZ 800/800。

轉(zhuǎn)載機、破碎機選型須滿足破碎機破碎能力≥1.1 倍轉(zhuǎn)載機運輸能力、轉(zhuǎn)載機運輸能力≥1.1 倍輸送機運輸能力，最終確定轉(zhuǎn)載機型號為 SZZ800/315，破碎機型號為 PLM2000，相應(yīng)轉(zhuǎn)載機自移系統(tǒng)型號為ZZ800，帶式輸送機自移機尾型號為 MZ1000。

3.4 智能化控制系統(tǒng)設(shè)計

3.4.1 智能化控制系統(tǒng)設(shè)計原則

在“三機”選型的基礎(chǔ)上進行成套一體化的智能控制系統(tǒng)設(shè)計，自上而下構(gòu)建基于綜采機組的智能控制系統(tǒng)。依照“易用性，可靠性，智能化”的設(shè)計原則，使控制系統(tǒng)具備快捷兼容、靈活配置、穩(wěn)定可靠的特點，來規(guī)劃智能軟件功能。

(1) 標準數(shù)據(jù)編碼 對煤礦綜采工作面各設(shè)備進行標準化歸一定義，減少不同系統(tǒng)間對同一設(shè)備定義不一致的問題，形成綜采工作面設(shè)備數(shù)據(jù)字典，為系統(tǒng)應(yīng)用提供統(tǒng)一化數(shù)據(jù)支撐。

(2) 統(tǒng)一通信協(xié)議 通過兼容硬件和適配協(xié)議，對現(xiàn)場各種如 Modbus/TCP、Modbus/RTU 及諸多自定義協(xié)議向標準化 EIP 轉(zhuǎn)化，并將該部分通過“操作系統(tǒng)軟件設(shè)計器”將軟件適配接入工作前置。采用易用化手段，達到可現(xiàn)場靈活配置的目的。

(3) 完全開放數(shù)據(jù) 采用分布式控制系統(tǒng)架構(gòu)(見圖 3)，將系統(tǒng)分布于多個計算單元中，各計算單元共享數(shù)據(jù)，互為備份，相互驗證，具備系統(tǒng)冗余、故障診斷、系統(tǒng)自愈等特點，降低中心節(jié)點負荷，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和系統(tǒng)擴展性。

圖3 分布式控制系統(tǒng)架構(gòu)Fig. 3 Architecture of distributed control system

3.4.2 智能化控制系統(tǒng)配置

根據(jù)智能成套一體化控制系統(tǒng)設(shè)計思路，針對性研發(fā)支架電液、采煤機、運輸三機 (刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機、破碎機)、智能供液、電氣、帶式輸送機、順槽自移列車控制系統(tǒng)，并適配人員定位、自動調(diào)直、語音通信、視頻監(jiān)控、井下集控中心、地面分控中心、智能礦山 APP 等系統(tǒng)來進行工作面的監(jiān)測控制，實現(xiàn)穩(wěn)定高效的“無人化、少人化”智能開采。

支架電液控制系統(tǒng)通過配置控制器、壓力傳感器、傾角傳感器、位移傳感器、紅外線發(fā)射及接收器、定位標簽等，實現(xiàn)支架動作控制、礦壓監(jiān)測及分析、自動跟機、自動補壓、姿態(tài)監(jiān)測、人員定位等功能；采煤機控制系統(tǒng)通過配置位置編碼器、傾角、采高、電流、速度等傳感器，每截割一刀，系統(tǒng)記錄采煤機在每個位置的滾筒高度并連接成線，在截割下一刀時，采煤機按該曲線及相應(yīng)參數(shù)進行自動截割，當煤層狀態(tài)變化時還可隨時進行人工干預(yù)，保證運行穩(wěn)定；運輸三機控制系統(tǒng)通過配置的煤量掃描儀、伸縮機尾、電流、油溫、油位、鏈條張力傳感器，實現(xiàn)運輸機根據(jù)煤量智能調(diào)速及鏈條自動張緊等功能；智能供液系統(tǒng)通過實時監(jiān)測系統(tǒng)流量及壓力需求，自動調(diào)整泵站的開啟數(shù)量和運行參數(shù)，實現(xiàn)恒壓供液，節(jié)約能源；電氣控制系統(tǒng)通過實時監(jiān)測系統(tǒng)的電力需求，自動調(diào)整供電參數(shù)，節(jié)約電能并保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行；帶式輸送機控制系統(tǒng)通過實時監(jiān)測輸送帶跑偏、打滑、堆煤、撕裂、超溫、煙霧等信息，實現(xiàn)故障預(yù)警、急停、診斷等功能；順槽自移列車控制系統(tǒng)通過列車姿態(tài)和巷道狀態(tài)的感知，實現(xiàn)一鍵自移、自動調(diào)偏、自適應(yīng)戧頂?shù)裙δ堋?/p>

支架電液、采煤機、運輸三機、智能供液、電氣、帶式輸送機、順槽自移列車控制系統(tǒng)通過井下環(huán)網(wǎng)接入井下集控中心和地面分控中心，實現(xiàn)各系統(tǒng)的互聯(lián)互通，進而實現(xiàn)各系統(tǒng)的深度協(xié)同。通過支架紅外傳感器和采煤機編碼器雙重定位，準確判斷采煤機的實時位置和速度，控制支架姿態(tài)調(diào)整和跟機移架，實現(xiàn)支架與采煤機的協(xié)同動作；通過采煤機速度和采高數(shù)據(jù)計算割煤量，進而根據(jù)刮板輸送機、帶式輸送機存煤量和電動機負荷進行采煤機速度和運量的自動調(diào)整，實現(xiàn)采煤機、刮板輸送機、帶式輸送機的協(xié)同動作；通過推進刀數(shù)和截深數(shù)據(jù)，自動控制順槽自移列車移動，實現(xiàn)與工作面的協(xié)同推進。

4 應(yīng)用情況

該礦 3 號煤層 3102 智能化綜采工作面“三機”及智能化控制系統(tǒng)均由同一廠家研發(fā)制造，通過成套一體化裝備的合理選型配套，以及統(tǒng)一的控制平臺、標準的通信協(xié)議、完全開放的數(shù)據(jù)構(gòu)建一體化控制系統(tǒng)，成功實現(xiàn)了多設(shè)備的深度協(xié)同控制，并進行了井下工業(yè)性驗證 (見圖 4)，取得了良好效果。工作面主要配套設(shè)備如表 1 所列，軟件與控制系統(tǒng)配置如表 2所列。

表1 3 號煤層 3102 工作面主要配套設(shè)備Tab.1 Main matching equipments on work face 3102 of No.3 coal seam

表2 3 號煤層 3102 工作面智能化系統(tǒng)配置Tab.2 Configuration of intelligent system on work face 3102 of No.3 coal seam

圖4 井下工業(yè)性驗證Fig. 4 Underground industrial test

3 號煤層 3102 工作面于 2021 年 6 月完成井下安裝和智能化系統(tǒng)調(diào)試，7 月初開始穩(wěn)定高效開采。根據(jù)生產(chǎn)統(tǒng)計，工作面日均推進 12 刀，最高單日推進達 17 刀，最高月產(chǎn)接近 15 萬 t，實現(xiàn)了工作面的高產(chǎn)高效。

通過紅外傳感器和采煤機位置編碼器的雙重定位，準確判斷采煤機位置和速度，配合多樣性的跟機策略和移架補償技術(shù)，工作面液壓支架自動跟機率達95%。通過實時檢測并存儲采煤機俯仰采角、采煤機行走方向工作面傾角、滾筒高度及下切深度，根據(jù)存儲數(shù)據(jù)的自動運行，實現(xiàn)自動導(dǎo)航，自動調(diào)高，配置復(fù)雜工藝程序，采煤機記憶截割率達 90%，大幅減少了工人的勞動強度。原生產(chǎn)班每班約有 25 人，智能化設(shè)備投入后，單班出勤 8 人即可滿足生產(chǎn)要求，大幅減少了用人環(huán)節(jié)和人員數(shù)量，實現(xiàn)了減人增效的目的，取得了顯著的經(jīng)濟和社會效益。

5 結(jié)語

結(jié)合山西某典型煤礦井下實際條件進行了 CT 200-2.6 智能成套一體化綜采機組的選型設(shè)計，成功實現(xiàn)了煤礦的減人增效，取得了顯著的經(jīng)濟和社會效益。下一步將進行智能成套一體化機組的系列化工作，這對推動我國煤礦智能工作面的建設(shè)、保障煤礦安全、促進煤炭資源可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。