綜放開采瓦斯安全聯(lián)動(dòng)控制技術(shù)研究

牛 磊，張學(xué)亮，劉 清，霍 棟，郝 躍

(1.北京天瑪智控科技股份有限公司，北京 101399；2.中煤華晉集團(tuán)有限公司 王家?guī)X煤礦，山西 運(yùn)城 043000；3.國家能源集團(tuán)新疆能源公司 烏東煤礦，新疆 烏魯木齊 830002)

0 引 言

綜放開采自20世紀(jì)80年代引入中國以來，因其具有開采效率高，適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，逐漸成為厚煤層的首選開采手段[1-2]。我國現(xiàn)階段已經(jīng)處于智能開采初級(jí)階段[3-4]，綜放開采逐步向自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展。在綜放開采放煤工藝的基礎(chǔ)上，發(fā)展形成了自動(dòng)化放煤工藝[5-7]。在高瓦斯綜放工作面，采煤機(jī)通常會(huì)搭載機(jī)載瓦斯傳感器，用于采煤機(jī)處瓦斯超限時(shí)斷電停機(jī)，除了采煤機(jī)處，放煤產(chǎn)生的瓦斯影響也不容忽視，研究表明，綜放工作面采放落煤造成的瓦斯涌出量可占總量的40%[8-9]，總體上從進(jìn)風(fēng)巷至回風(fēng)巷瓦斯體積分?jǐn)?shù)逐漸增大。綜放工作面瓦斯涌出量增加，容易造成工作面上隅角瓦斯超限，進(jìn)而影響綜放開采的順利進(jìn)行。

由于采煤機(jī)割煤產(chǎn)生的瓦斯與放煤產(chǎn)生的瓦斯經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行才能到上隅角處，加之放煤的不均衡性，對(duì)綜放工作面瓦斯體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行適度的預(yù)測(cè)，是對(duì)綜放工作面采煤機(jī)運(yùn)行和放煤準(zhǔn)確控制的前提。在瓦斯體積分?jǐn)?shù)預(yù)測(cè)方面，根據(jù)瓦斯體積分?jǐn)?shù)變化規(guī)律進(jìn)行預(yù)測(cè)的方法有時(shí)間序列模型[10]、商空間模型、灰色動(dòng)態(tài)模型[11]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[12]、馬爾科夫模型[13]，人工蜂群優(yōu)化算法[14]等，這些方法均利用實(shí)測(cè)瓦斯體積分?jǐn)?shù)的動(dòng)態(tài)變化特性，對(duì)采集到的瓦斯體積分?jǐn)?shù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，結(jié)合各方法的適用條件對(duì)瓦斯體積分?jǐn)?shù)變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，為預(yù)防瓦斯事故提供重要信息。在采煤工作面瓦斯體積分?jǐn)?shù)與采煤機(jī)控制方面，有學(xué)者研究給出了工作面在經(jīng)歷一個(gè)周期來壓過程中不同割煤速度與瓦斯體積分?jǐn)?shù)的擬合關(guān)系[15]；有學(xué)者研究指出上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)與采煤機(jī)割煤速度基本呈正相關(guān)關(guān)系、與采煤機(jī)距上隅角距離基本呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，調(diào)節(jié)采煤機(jī)割煤速度以降低工作面瓦斯體積分?jǐn)?shù)是可行的[16]；有學(xué)者利用ARMA模型預(yù)測(cè)5 min瓦斯體積分?jǐn)?shù)區(qū)間，結(jié)合瓦斯體積分?jǐn)?shù)序列的統(tǒng)計(jì)特征參數(shù)對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制[17]；有學(xué)者根據(jù)礦壓、瓦斯數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)了采煤機(jī)截割電機(jī)速度動(dòng)態(tài)控制方案[18-20]。上述研究表明，對(duì)綜放工作面瓦斯體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行適度預(yù)測(cè)并與采煤機(jī)、放煤控制進(jìn)行聯(lián)動(dòng)是可行的。

筆者系統(tǒng)分析了綜放開采工作面瓦斯聯(lián)動(dòng)模型原理，基于SAM綜采自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)綜放工作面上隅角瓦斯與采煤機(jī)割煤、綜放開采后部放煤進(jìn)行關(guān)聯(lián)控制，通過在王家?guī)X煤礦12309綜放工作面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，驗(yàn)證了技術(shù)可靠性，相關(guān)研究可為綜放工作面自動(dòng)化放煤安全保障提供技術(shù)借鑒。

1 綜放開采瓦斯安全聯(lián)動(dòng)控制方案

綜放開采工藝包含割煤和放煤2部分工藝。割煤工藝是指采煤機(jī)割煤動(dòng)作及其與前部刮板輸送機(jī)、液壓支架相互配合而形成的回采過程；綜放工作面放煤工藝緊密配合割煤工藝，在采煤機(jī)割煤、綜放支架移架后，頂煤失去支承發(fā)生垮落，通過控制綜放支架后部放煤機(jī)構(gòu)的尾梁和插板動(dòng)作，可將頂煤放出，放出的頂煤由后部刮板輸送機(jī)運(yùn)出。

綜放開采割煤和放煤兩個(gè)過程中，都會(huì)產(chǎn)生較大的瓦斯涌出?，F(xiàn)有的綜放開采自動(dòng)化配套過程中，自動(dòng)化配套集成度不夠，在環(huán)境參數(shù)特別是瓦斯參數(shù)的融合與利用方面尚存在欠缺，根據(jù)國家相關(guān)政策要求，礦方瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)不能向第三方提供，更為系統(tǒng)的融合以及更高層次的自動(dòng)化開采設(shè)置了障礙。為此，項(xiàng)目單獨(dú)采購了符合要求的瓦斯傳感器，采用GJG 100 J激光甲烷傳感器(Modbus-RTU版本)4臺(tái)，安裝于綜放工作面，實(shí)現(xiàn)綜放工作面中后部和上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)的獨(dú)立監(jiān)測(cè)與采集，為預(yù)測(cè)分析和聯(lián)動(dòng)控制創(chuàng)造條件。

根據(jù)綜放工作面瓦斯從進(jìn)風(fēng)巷至回風(fēng)巷瓦斯體積分?jǐn)?shù)逐漸增大的特點(diǎn)，通過在綜放工作面上隅角布設(shè)一定數(shù)量的瓦斯傳感器，實(shí)時(shí)采集綜放工作面上隅角的瓦斯體積分?jǐn)?shù)值，該瓦斯體積分?jǐn)?shù)值通過綜放工作面自動(dòng)化系統(tǒng)的綜合接入器(千兆網(wǎng)絡(luò))傳送到巷道電液控制系統(tǒng)主機(jī)，通過電液控制系統(tǒng)主機(jī)邏輯控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)瓦斯體積分?jǐn)?shù)的預(yù)測(cè)判斷并將瓦斯體積分?jǐn)?shù)值與采煤機(jī)割煤速度實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)，電液控制系統(tǒng)主機(jī)通過以太網(wǎng)將瓦斯體積分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)和邏輯判斷結(jié)果傳送到采煤機(jī)控制集控主機(jī)，采煤機(jī)控制集控主機(jī)依據(jù)綜放工作面瓦斯體積分?jǐn)?shù)高低的邏輯判斷結(jié)果進(jìn)行采煤機(jī)割煤速度的控制，最終實(shí)現(xiàn)綜放工作面上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)與采煤機(jī)的聯(lián)動(dòng)控制。

2 綜放開采瓦斯安全聯(lián)動(dòng)控制策略

項(xiàng)目采用的綜采自動(dòng)化系統(tǒng)為SAM型，通過對(duì)綜采自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行瓦斯體積分?jǐn)?shù)預(yù)測(cè)模型分析并進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，預(yù)留瓦斯傳感器數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)瓦斯體積分?jǐn)?shù)傳感器數(shù)據(jù)接入與預(yù)測(cè)分析，為綜放開采瓦斯體積分?jǐn)?shù)與采煤機(jī)等安全聯(lián)動(dòng)控制提供條件。

2.1 瓦斯體積分?jǐn)?shù)預(yù)測(cè)分析

礦井瓦斯體積分?jǐn)?shù)預(yù)測(cè)采用以時(shí)間序列為基礎(chǔ)進(jìn)行，預(yù)測(cè)未來一段時(shí)間的瓦斯體積分?jǐn)?shù)或區(qū)間值，綜放工作面瓦斯體積分?jǐn)?shù)預(yù)測(cè)需要綜合考慮采煤機(jī)運(yùn)行控制特點(diǎn)和放煤控制特點(diǎn)，運(yùn)用自回歸滑動(dòng)平均模型，通過預(yù)測(cè)工作面風(fēng)流特別是上隅角的瓦斯體積分?jǐn)?shù)關(guān)聯(lián)控制采煤機(jī)運(yùn)行速度和綜放工作面放煤動(dòng)作。

根據(jù)自回歸滑動(dòng)平均模型，若xt取值不僅與其前n步的各個(gè)取值xt-1，xt-2，…，xt-n有關(guān)，而且與前m步的各個(gè)干擾αt-1，αt-2，…，αt-m有關(guān)(n、m=1,2，…)，得到最一般的ARMA模型：

xt=φ1xt-1+φ2xt-2+…+φnxt-n-
θ1αt-1-θ2αt-2-…-θmαt-m+αt

(1)

上述公式表示了n階自回歸m階滑動(dòng)平均模型，記為ARMA(n，m)；{αt}為白噪聲序列，φi(i=1,2，…，n)、θj(j=1,2，…，m)分別為模型參數(shù)。對(duì)于時(shí)間序列{xt}(t=1,2，…，n)建立ARMA(n，m)模型，當(dāng)模型階次n，m給定時(shí)，利用后移算子B有：

φ(B)xt=θ(B)αt

(2)

如果時(shí)間序列xt可逆，則有：

θ-1(B)φ(B)xt=αt

(3)

令：

γ(B)=θ-1(B)

(4)

εT=φ(B)xt

(5)

φ(B)的階次為m，確定γ(B)的階次為p，p

γ(B)εT=αt

(6)

針對(duì)瓦斯預(yù)測(cè)，需要考慮一定時(shí)間歷史數(shù)據(jù)的時(shí)間序列，為得到后續(xù)一段時(shí)間內(nèi)的變化趨勢(shì)，需采取動(dòng)態(tài)修正的預(yù)測(cè)模式，同時(shí)要充分考慮誤差傳遞的可能，每一次預(yù)測(cè)完成后，評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)誤差，選取預(yù)測(cè)誤差最小的參數(shù)，或誤差較小的二次模型參數(shù)重構(gòu)模型，以當(dāng)前新數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，重新建立模型，并對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果取平均，可修正預(yù)測(cè)結(jié)果，一方面使得預(yù)測(cè)向誤差減小的方向運(yùn)行，另一方面使得預(yù)測(cè)結(jié)果更加符合實(shí)際趨勢(shì)。

由于自回歸滑動(dòng)平均模型在預(yù)測(cè)時(shí)會(huì)產(chǎn)生誤差，因此，需要及時(shí)修正，以提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。根據(jù)綜放工作面的開采實(shí)際，綜合現(xiàn)有瓦斯傳感器響應(yīng)時(shí)間，確定自回歸滑動(dòng)平均模型預(yù)測(cè)以30 s為周期[17]對(duì)未來5 min進(jìn)行區(qū)間預(yù)測(cè)，選定模型預(yù)測(cè)結(jié)果包含未來5 min瓦斯體積分?jǐn)?shù)，樣本參數(shù)置信區(qū)間定為95%。選模型預(yù)測(cè)結(jié)果的上限值作為綜放工作面采煤機(jī)控制和放煤控制的關(guān)聯(lián)因素。

2.2 采煤機(jī)及放煤控制關(guān)聯(lián)分析

綜放工作面采煤和放煤是瓦斯主要來源，對(duì)綜放工作面瓦斯聯(lián)動(dòng)控制主要是對(duì)采煤機(jī)速度和放煤動(dòng)作的控制。以采煤機(jī)控制原理為主進(jìn)行表述，放煤控制可參照。根據(jù)上述原則確定的采煤機(jī)控制規(guī)則見表1，表中取山西省規(guī)定瓦斯體積分?jǐn)?shù)0.8%作為控制值，不同的管理模式和要求，預(yù)警值可以適當(dāng)浮動(dòng)，但不應(yīng)超過1.0%(《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定值)，為便于系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)識(shí)別，設(shè)置了0、1、2三個(gè)報(bào)警級(jí)別，在軟件界面進(jìn)行提醒。

表1 基于瓦斯安全聯(lián)動(dòng)的采煤機(jī)控制策略

放煤過程的判斷與采煤機(jī)控制類似，但是考慮到放煤過程是以支架放煤口數(shù)量為基本單位，單純的放煤口開口大小并不能嚴(yán)格控制放煤煤量，因此綜合考慮決定以1臺(tái)支架的放煤口為單位，即最少開關(guān)1臺(tái)支架的放煤口來配合控制瓦斯體積分?jǐn)?shù)，基于瓦斯安全聯(lián)動(dòng)的放煤控制策略見表2。

表2 基于瓦斯安全聯(lián)動(dòng)的放煤控制策略

瓦斯與采煤機(jī)、放煤聯(lián)動(dòng)邏輯如圖1所示。需要說明的是，當(dāng)系統(tǒng)判定報(bào)警級(jí)別為0時(shí)，不執(zhí)行采煤機(jī)降速指令，采煤機(jī)可按照正常割煤速度運(yùn)行，放煤按智能判斷結(jié)果進(jìn)行，此時(shí)采煤機(jī)割煤和放煤的主要限制邊界為前部刮板輸送機(jī)和后部刮板輸送機(jī)的運(yùn)輸能力；當(dāng)報(bào)警級(jí)別為2時(shí)，立即下發(fā)采煤機(jī)停機(jī)指令，采煤機(jī)停止割煤；同時(shí)下發(fā)支架放煤口關(guān)閉指令，所有支架放煤口立即關(guān)閉。當(dāng)報(bào)警級(jí)別為1時(shí)，由于考慮的情況較為復(fù)雜，設(shè)定的基本邏輯是，先降低采煤機(jī)割煤速度，同時(shí)減少1個(gè)放煤口，當(dāng)放煤口數(shù)量只有1個(gè)時(shí)，則僅降低采煤機(jī)割煤速度。

圖1 瓦斯-采煤機(jī)-放煤聯(lián)動(dòng)控制邏輯Fig.1 Gas-shearer-discharge linkage control logic diagram

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

王家?guī)X煤礦12309綜放工作面位于123盤區(qū)西翼中部，走向長度1 320 m，寬度260 m，工作面回采2號(hào)煤層，煤層傾角2°～5°，可采儲(chǔ)量265.3萬 t。12309綜放工作面采用單一走向長壁采煤法，綜合機(jī)械化低位放頂煤采煤工藝，設(shè)計(jì)采用采煤機(jī)兩端頭斜切進(jìn)刀，煤機(jī)割煤一刀，放煤一次，按一刀一放正規(guī)循環(huán)作業(yè)，采高3.1 m，放煤高度3 m，循環(huán)進(jìn)度0.865 m，采用自然垮落法管理采空區(qū)頂板。12309綜放工作面配備MG620/1540-WD型變頻電牽引采煤機(jī)，配備150架綜放支架，基本支架選用ZFY12 000/23/34D型放頂煤電液控支架(支架中心距1.75 m)，搭配SGZ1000/2×1000型前、后部變頻刮板輸送機(jī)，SZZ1200/700型轉(zhuǎn)載機(jī)，DSJ-140/250/2×450型可伸縮帶式輸送機(jī)等設(shè)備，配備了SAC電液控制系統(tǒng)和SAM綜采自動(dòng)化系統(tǒng)。

王家?guī)X煤礦為高瓦斯礦井，全礦井絕對(duì)瓦斯涌出總量為17.46 m3/min，其中，風(fēng)排絕對(duì)瓦斯涌出量9.94 m3/min，抽放量為7.52 m3/min；相對(duì)涌出量1.48 m3/ t?；夭晒ぷ髅孀畲蠼^對(duì)瓦斯涌出總量為8.29 m3/min，其中，風(fēng)排絕對(duì)瓦斯涌出量4.33 m3/min, 抽放量為3.96 m3/min。無煤與瓦斯突出情況，無瓦斯噴出情況。

在王家?guī)X煤礦12309綜放工作面進(jìn)行了瓦斯與采煤機(jī)關(guān)聯(lián)控制、瓦斯與放煤關(guān)聯(lián)控制應(yīng)用。在12309工作面117、129、141及150架位置分別安裝瓦斯傳感器，并接入所在支架的電液控制系統(tǒng)中，通過對(duì)綜放工作面運(yùn)行的SAC電液控制系統(tǒng)軟件、SAM綜采自動(dòng)化系統(tǒng)軟件進(jìn)行修改，同時(shí)開發(fā)了相應(yīng)的智能分析模塊，實(shí)現(xiàn)瓦斯傳感器數(shù)據(jù)接入、邏輯判斷與運(yùn)行控制，在對(duì)應(yīng)的軟件界面增加瓦斯與采煤機(jī)關(guān)聯(lián)控制顯示?，F(xiàn)場(chǎng)瓦斯與采煤機(jī)關(guān)聯(lián)控制系統(tǒng)界面如圖2所示。

圖2 瓦斯與采煤機(jī)關(guān)聯(lián)控制軟件界面Fig.2 Interface of gas and coal mining authority joint control software

由于瓦斯含量大，12309綜放工作面采煤機(jī)回采速度一般不超過7 m/min，通過試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)不采取關(guān)聯(lián)控制措施時(shí)，回采速度7 m/min時(shí)且同時(shí)開啟2個(gè)放煤口，則每8 h生產(chǎn)班出現(xiàn)瓦斯體積分?jǐn)?shù)接近0.8%(因管理限制，現(xiàn)場(chǎng)未測(cè)試超過0.8%)的次數(shù)達(dá)到10次，其中必須停機(jī)等待10 min以上至少2次；回采速度7 m/min時(shí)且同時(shí)開啟1個(gè)放煤口，則每8 h生產(chǎn)班出現(xiàn)瓦斯體積分?jǐn)?shù)接近0.8%的次數(shù)減少到5次，其中必須停機(jī)等待減少至1次，等待時(shí)間減少至5 min以內(nèi)；回采速度6 m/min時(shí)且同時(shí)開啟2個(gè)放煤口，則每8 h生產(chǎn)班出現(xiàn)瓦斯體積分?jǐn)?shù)接近0.8%的次數(shù)達(dá)到4次，其中必須停機(jī)等待1次；回采速度6 m/min時(shí)且同時(shí)開啟一個(gè)放煤口，則每8 h生產(chǎn)班出現(xiàn)瓦斯體積分?jǐn)?shù)接近0.8%的次數(shù)減少到2次，其中必須停機(jī)等待1次；回采速度5 m/min時(shí)且同時(shí)開啟兩個(gè)放煤口，則每8 h生產(chǎn)班出現(xiàn)瓦斯體積分?jǐn)?shù)接近0.8%的次數(shù)僅出現(xiàn)1次且未出現(xiàn)停機(jī)等待的情況；回采速度5 m/min以下時(shí)且同時(shí)開啟2個(gè)放煤口，則每8 h生產(chǎn)班出現(xiàn)瓦斯體積分?jǐn)?shù)接近0.8%的次數(shù)接近0。

通過應(yīng)用綜放開采瓦斯安全聯(lián)動(dòng)控制技術(shù)，12309綜放工作面根據(jù)實(shí)際情況，采煤機(jī)割煤速度穩(wěn)定在2.5～3.0 min/10架，即割煤速度5.83～7.00 m/min，實(shí)際采用同一時(shí)間放煤口開關(guān)數(shù)量不大于2個(gè)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際采用的跟機(jī)放煤工藝如圖3所示，通過一段時(shí)間運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了瓦斯與采煤機(jī)關(guān)聯(lián)控制、瓦斯與放煤關(guān)聯(lián)控制，綜合提升采放效率20%以上。

圖3 綜放工作面工藝運(yùn)行Fig.3 Process operation drawing of fully-mechanized top-coal caving face

4 結(jié) 論

1)給出了綜放開采工作面瓦斯聯(lián)動(dòng)控制方案，通過安裝符合要求的瓦斯傳感器，接入已有的綜放工作面液壓支架電液控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了瓦斯傳感器的數(shù)據(jù)采集與上傳。

2)給出了綜放開采工作面瓦斯聯(lián)動(dòng)控制方案，通過加裝瓦斯傳感器與綜采自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行連接；利用自回歸滑動(dòng)平均模型預(yù)測(cè)以30 s為周期對(duì)未來5 min進(jìn)行區(qū)間預(yù)測(cè)，以采煤機(jī)速度和放煤動(dòng)作與瓦斯進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制，形成瓦斯體積分?jǐn)?shù)0.8%作為控制值但不超過1.0%的聯(lián)動(dòng)控制邏輯，給出了控制策略和控制邏輯圖，同時(shí)劃定0、1、2三級(jí)預(yù)警利于軟件界面展示。當(dāng)系統(tǒng)判定報(bào)警級(jí)別為0時(shí)，不執(zhí)行采煤機(jī)降速指令，采煤機(jī)可按照正常割煤速度運(yùn)行，放煤按智能判斷結(jié)果進(jìn)行，此時(shí)采煤機(jī)割煤和放煤的主要限制邊界為前部刮板輸送機(jī)和后部刮板輸送機(jī)的運(yùn)輸能力；當(dāng)報(bào)警級(jí)別為2時(shí)，立即下發(fā)采煤機(jī)停機(jī)指令，采煤機(jī)停止割煤；同時(shí)下發(fā)支架放煤口關(guān)閉指令，所有支架放煤口立即關(guān)閉。當(dāng)報(bào)警級(jí)別為1時(shí)，由于考慮的情況較為復(fù)雜，設(shè)定的基本邏輯是，先降低采煤機(jī)割煤速度，同時(shí)減少1個(gè)放煤口，當(dāng)放煤口數(shù)量只有1個(gè)時(shí)，則僅降低采煤機(jī)割煤速度。

3)在王家?guī)X煤礦12309綜放工作面進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，分別在工作面117、129、141及150架液壓支架處安裝瓦斯傳感器，接入所在支架的電液控制系統(tǒng)中。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，采煤機(jī)割煤速度穩(wěn)定在5.83～7.00 m/min，實(shí)際采用同一時(shí)間放煤口開關(guān)數(shù)量不大于2個(gè)，實(shí)現(xiàn)了瓦斯與采煤機(jī)關(guān)聯(lián)控制、瓦斯與放煤關(guān)聯(lián)控制，綜合提升采放效率20%以上。