深埋藏斷層發(fā)育采煤工作面自動化技術(shù)研究及應用實踐

呂瑞騰 查守華 張 蘇

（山東省天安礦業(yè)集團有限公司，山東 濟寧 273100）

1 工程概況

星村煤礦7302 工作面結(jié)構(gòu)復雜，埋深大，構(gòu)造多，各生產(chǎn)工序繁瑣，正常生產(chǎn)期間出勤人數(shù)超過30 人，工人勞動強度大，與現(xiàn)階段我國煤礦生產(chǎn)少人化、自動化趨勢嚴重不符。

2 自動化建設情況

2.1 建設情況

通過對7302 綜采工作面現(xiàn)有設備系統(tǒng)的改造，在應用過程中的不斷改進，在人工現(xiàn)場干預的情況下，前期實現(xiàn)記憶割煤、自動跟機移架、自動推移刮板輸送機、乳化液自動調(diào)配、設備一鍵啟停等功能[1]。后期通過不斷摸索完善，最終實現(xiàn)遠程操控工作面生產(chǎn)，根據(jù)實際生產(chǎn)條件，自動調(diào)整設備運轉(zhuǎn)參數(shù)，實現(xiàn)工作面部分工序的智能化生產(chǎn)。

2.2 五大系統(tǒng)建設

2.2.1 工作面監(jiān)控中心

工作面監(jiān)控中心是綜采自動化的大腦，擔負綜采工作面自動化的遠程集中監(jiān)控職責。工作面監(jiān)控中心布置在工作面集中控制臺，位于工作面進風順槽，超前工作面300 m 處，主要由主控計算機、操作臺、本安顯示器及交換機等組成。主控計算機是核心部件，負責回采工作面自動化系統(tǒng)井下主要控制職能。顯示器主要顯示液壓支架、刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機等主要設備運行狀況。操作臺是工作面遠程操控的主要執(zhí)行單位，7302 綜采工作面配備兩臺本安型操控臺，一臺負責液壓支架及乳化液泵站遠程控制，一臺負責采煤機及三機遠程控制。

2.2.2 監(jiān)測系統(tǒng)

監(jiān)測系統(tǒng)是自動化回采工作面的神經(jīng)，實時監(jiān)測7302 工作面主要設備運行情況。監(jiān)測系統(tǒng)主要包括：采煤機運行工況監(jiān)測，監(jiān)測采煤機運行速度、運行位置、軸承的溫度、截割高度、機身仰俯角等運行信息[2]；輸送機監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機工作的鏈速電流、工作電壓、功率、液壓系統(tǒng)壓力、郵箱溫度等輸送機運行狀態(tài)及設備完好狀況；液壓支架工況監(jiān)測，主要監(jiān)測各支架支撐高度、工作阻力、推移行程等參數(shù)[3]；乳化液泵站監(jiān)測系統(tǒng)，主要監(jiān)測泵站出口壓力、泵站油溫、油箱油位等參數(shù)；各類電器設備工況監(jiān)測，監(jiān)測工作面各類變壓器、組合開關(guān)運行負荷，包括漏電、斷相、過載保護完好情況。

2.2.3 信息傳輸系統(tǒng)

信息傳輸系統(tǒng)相當于自動化系統(tǒng)的血脈，是自動化回采工作面各設備進行信息交換的路徑。7302工作面信息傳輸系統(tǒng)由礦用隔爆兼本安型穩(wěn)壓電源、本安型網(wǎng)絡交換機、本安型綜合接入器、本安型光電轉(zhuǎn)換器、連接器、光纜等組成，通過礦用光纜連接，接入礦井工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，可實現(xiàn)地面實時監(jiān)測、遠程操控工作面設備運轉(zhuǎn)。

2.2.4 工作面視頻系統(tǒng)

工作面視頻系統(tǒng)是自動化回采的雙眼，由礦用本質(zhì)安全型攝像儀、礦用本質(zhì)安全型顯示器、礦用本安型操作臺、安裝電纜及附件等組成。工作面每3 個支架安裝1 臺礦用本質(zhì)安全型攝像儀，攝像儀分別安裝于支架頂梁及前梁上，實現(xiàn)采煤機、煤壁及人行通道的實時監(jiān)測。

2.2.5 電液控系統(tǒng)

電液控系統(tǒng)是實現(xiàn)液壓支架自動化操作的核心系統(tǒng)。系統(tǒng)元件主要包括電液控操作閥、壓力傳感器、行程傳感器、回液過濾站、高壓反沖洗過濾站、液壓過濾裝置及乳化液自動配比裝置等核心部件組成，其中電液控換向閥是主要執(zhí)行元件。

通過采煤機、三機、泵站控制系統(tǒng)、電液控制系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、語音通訊控制系統(tǒng)等具備檢測功能并開放相應的通訊接口、數(shù)據(jù)及遠程控制權(quán)限，實現(xiàn)了五大主要系統(tǒng)相互通訊，集成于監(jiān)控中心統(tǒng)一控制。

3 實踐成果及技術(shù)研究

3.1 實踐成果

3.1.1 記憶割煤

人工操作采煤機割一刀煤后，采煤機記憶截割路徑及主要截割參數(shù)，如煤層傾角、煤層厚度變化，并自動進行參數(shù)設置后，按照設置參數(shù)進行自動割煤。如工作煤層賦存條件或者截割工藝發(fā)生變化，可進行人工干預，修改采煤機運行參數(shù)，調(diào)整采高、煤機提剎刀角度、端頭斜切進刀距離等參數(shù)，干預內(nèi)容均可寫入記憶[3]。

3.1.2 自動跟機移架推溜

實現(xiàn)單架或成組自動控制功能，可以按照事先設定的參數(shù)，既能實現(xiàn)單個支架的“推、降、移、升”動作的自動控制功能，也可進行成組自動移架、成組自動推溜、成組自動伸收前梁、成組自動伸收伸縮梁等功能。

3.1.3 綜采設備遠程監(jiān)控

刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機、破碎機、膠帶輸送機、泵站系統(tǒng)的工作狀態(tài)遠程監(jiān)測監(jiān)控、常見故障診斷預警、“一鍵”啟停及設備聯(lián)動閉鎖控制。能夠在監(jiān)控中心對綜采設備數(shù)據(jù)集成、處理、故障診斷，并且當工作面自動化控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，各子系統(tǒng)不受工作面控制系統(tǒng)控制，能夠保證在檢修和工作面控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，各子系統(tǒng)能單獨運行，確保生產(chǎn)不受影響。

3.2 技術(shù)研究

3.2.1 關(guān)鍵參數(shù)確定

（1）端頭斜切進刀。傳統(tǒng)人工跟機推移刮板輸送機，支架工、采煤機司機相互配合完成端頭斜切進刀，操作靈活，可根據(jù)實際情況進行調(diào)整。自動化采煤，一旦設定參數(shù)，即按照設定參數(shù)進行。端頭斜切進刀長度過長，影響效率，進刀長度過短，會導致刮板輸送連接部位及采煤機搖臂鉸接機構(gòu)受力損壞[4]。根據(jù)7302 工作面煤層賦存情況及設備配套情況，通過不斷摸索，最終確定端頭斜切進刀段等于刮板輸送機最大可彎曲長度1.5 倍，定為30 m。7302 自動化工作面進刀示意圖如圖1。

圖1 7302 自動化工作面進刀示意圖（m）

（2）自動跟機移架、推溜參數(shù)確定。跟機移架滯后采煤機距離過小，煤機和支架相互干擾，處理不當甚至會出現(xiàn)煤機割支架，移架滯后割煤距離過遠，不利于頂板管理[5]。綜合考慮刮板輸送機最大彎曲角度、煤機運行速度及頂板情況，最終自動化操作系統(tǒng)設置滯后采煤機20 m 推移刮板輸送機，移架滯后采煤機后滾筒3 架，成組移架，每組拉移6 架，頂板破碎區(qū)域人工干預，緊跟采煤機前滾筒移架，單個移架。

3.2.2 采煤自動化難點探究

（1）頂板破碎區(qū)段自動拉移支架難點探索。頂板破碎區(qū)域頂板拉移是現(xiàn)階段自動化回采工作面難點，一直未得到有效解決。如設定支架初撐力為升架動作關(guān)鍵參數(shù)，因頂板破碎，支架頂梁接頂不實，在未達到初撐力前，會一直執(zhí)行升架動作，導致與相鄰支架咬架、擠架，大面頂板破碎區(qū)域還會出現(xiàn)歪架、倒架。通過實際使用過程中的摸索，最終通過將支架支撐高度與初撐力兩項關(guān)鍵參數(shù)作為支架升架動作中止參數(shù)，根據(jù)不同頂板狀況設置兩參數(shù)優(yōu)先級，頂板破碎區(qū)域?qū)⑸芨叨茸鳛樯芙K止動作的參數(shù)，頂板完整區(qū)域?qū)⒅Ъ艹鯎瘟ψ鳛橹兄股軇幼麝P(guān)鍵參數(shù)，頂板破碎區(qū)支架自動化操作問題得到一定程度解決。

（2）記憶割煤難點探索。采煤機割煤自動化是通過記錄已割煤區(qū)域煤層賦存條件，設定采高、傾角等關(guān)鍵參數(shù)，對于傾角變化較大煤層，或是工作面通過構(gòu)造時，采煤機煤巖識別功能還未實現(xiàn)，如按照設定參數(shù)進行記憶割煤，會出現(xiàn)割頂?shù)装鍘r石。通過對回采工作面兩順槽進行全面測量，構(gòu)造發(fā)育、煤層傾角變化區(qū)段增加測點密度，通過實際測量，構(gòu)建工作面煤層三維賦存圖，提前輸入煤機截割控制系統(tǒng)，煤機根據(jù)煤層賦存情況，實時調(diào)整提剎刀角度，無需進行煤巖識別，解決了因煤層傾角變化，割頂割底的問題。

4 結(jié)語

星村煤礦7302 工作面生產(chǎn)實現(xiàn)割煤、移架、推移刮板輸送機、拉移轉(zhuǎn)載機等主要生產(chǎn)工序自動化，工作面參與生產(chǎn)人數(shù)已由原來的30 人左右降至16 人以下，工人勞動效率提高一倍以上。通過設定合理升架中止動作參數(shù)，初步解決頂板破碎區(qū)域自動拉移支架難題；通過繪制工作面煤層賦存三維立體圖，設定采煤機合理運行參數(shù)，解決記憶割煤煤巖識別問題、采煤機割頂、割底難題。