中厚煤層23303 智能化工作面采煤工藝研究

張中騰 翟霄龍 蘇龍慶

（1.兗礦能源集團(tuán)股份有限公司鮑店煤礦，山東 鄒城 273500；2.兗礦能源集團(tuán)股份有限公司濟(jì)寧二號(hào)煤礦，山東 濟(jì)寧 272000）

我國(guó)中厚煤層有多種開采方式，綜合機(jī)械化采煤技術(shù)是[1]是主要方式之一。在工作面回采過(guò)程中保證三機(jī)等相關(guān)設(shè)備高效、穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)是實(shí)現(xiàn)煤炭資源高效、安全開采關(guān)鍵。國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者深入開展綜采設(shè)備智能化相關(guān)技術(shù)研究[2-4]，并取得了一定的研究成果。常態(tài)化運(yùn)行的智能綜采工作面在國(guó)內(nèi)不斷建設(shè)，達(dá)到了減人提效并提高產(chǎn)量的目的。以兗礦能源集團(tuán)股份有限公司轉(zhuǎn)龍灣煤礦23303 綜采工作面為工程實(shí)例，闡述該工作面智能化三機(jī)控制系統(tǒng)。

1 概況

兗礦能源鄂爾多斯能化轉(zhuǎn)龍灣煤礦是一座年產(chǎn)千萬(wàn)噸礦井。其中，23303 工作面為該礦井首個(gè)建成常態(tài)化運(yùn)行的智能綜采工作面，工作面長(zhǎng)度為295 m，推進(jìn)距離為2388 m。開采的23 煤層厚度為3.45 m，平均傾角3°，埋深平均200 m。23303 工作面頂板巖性為粉砂巖，底板巖性為泥質(zhì)砂巖。

23303 工作面內(nèi)主要設(shè)備配置見表1，包括工作面直線度檢測(cè)及智能控制系統(tǒng)、采煤機(jī)智能截割系統(tǒng)、刮板輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)及液壓支架智能化控制系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)智能化技術(shù)升級(jí)后的采煤機(jī)，達(dá)到了基于慣性導(dǎo)航技術(shù)的采煤機(jī)三維空間精確慣性定位測(cè)量智能化控制。刮板輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)具有自動(dòng)張緊、斷鏈監(jiān)測(cè)、驅(qū)動(dòng)部監(jiān)測(cè)、煤量監(jiān)測(cè)及智能控制等功能。液壓支架配備壓力、傾角及采高傳感器等一系列智能控制設(shè)備，滿足采煤機(jī)割煤過(guò)程中自動(dòng)跟機(jī)移架功能。23303工作面設(shè)備連接如圖1。

圖1 綜采工作面設(shè)備協(xié)同控制示意圖

表1 綜采工作面設(shè)備配置

2 綜采裝備智能化成套控制系統(tǒng)

2.1 工作面直線度檢測(cè)及智能控制系統(tǒng)

開展工作面直線度檢測(cè)的多種技術(shù)研究，理解基于慣性導(dǎo)航的采煤機(jī)運(yùn)行直線度檢測(cè)，通過(guò)電液控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓支架連續(xù)推進(jìn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)工作面直線度的智能找直控制系統(tǒng)。為滿足以上技術(shù)實(shí)現(xiàn)，首先保證系統(tǒng)行程精度；第二保證LASC 軌跡精度；第三保證直線度修正精度。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)不斷試驗(yàn)與修正得到：（1）通過(guò)啟用、不啟用邏輯閥執(zhí)行移架后對(duì)比行程值，排除地質(zhì)條件影響因素外，開啟邏輯閥后執(zhí)行移架后的行程值比不開啟時(shí)更接近控制器移架目標(biāo)行程，啟用邏輯閥能更好地控制移架動(dòng)作的執(zhí)行精度。（2）經(jīng)曲線精度測(cè)試證實(shí)，排除正常結(jié)構(gòu)因素導(dǎo)致的誤差外，LASC 曲線與實(shí)測(cè)曲線吻合，檢測(cè)精度cm 級(jí)。（3）成組推溜找直修正后，曲線橫向最大差值有效減少，找直效果良好。

2.2 采煤機(jī)智能截割系統(tǒng)

對(duì)23303 工作面使用的MG900/2395-WD 采煤機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)改造，使其滿足采煤機(jī)智能截割和LASC 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的技術(shù)要求。采煤機(jī)實(shí)現(xiàn)以下各種功能：（1）基于慣性導(dǎo)航技術(shù)的采煤機(jī)三維空間精確慣性定位測(cè)量；（2）基于記憶截割的采煤機(jī)全工作面循環(huán)過(guò)程自動(dòng)化。

為了對(duì)采煤機(jī)三維姿態(tài)進(jìn)行精度檢測(cè)，在井下使用直尺測(cè)量的距離為線繩到運(yùn)輸機(jī)線槽煤壁方向擋板的距離，運(yùn)輸機(jī)線槽的兩個(gè)擋板距離為153 cm，線繩固定在支架方向的線槽擋板上，將實(shí)測(cè)距離減去153 cm，采用全站儀對(duì)水平距離和高程距離進(jìn)行測(cè)量，再與計(jì)算出的理論曲線值比較，水平測(cè)量結(jié)果和高程測(cè)量結(jié)果分別如圖2 和圖3。

如圖2 和圖3 所示，將LASC 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)記錄的水平和高程數(shù)據(jù)同人工測(cè)量水平和高程數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，通過(guò)LASC 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)采煤機(jī)三維坐標(biāo)中水平和高程的測(cè)量，獲得了采煤機(jī)在三維空間內(nèi)的姿態(tài)。由于采煤機(jī)本身在三維空間內(nèi)的實(shí)際位置很難測(cè)量，采用全站儀進(jìn)行輔助對(duì)比，但全站儀測(cè)量結(jié)果也存在一定誤差，因此采用兩種測(cè)量方式取平均差值，水平方向平均差值約34 mm，高程平均差值12 mm，滿足項(xiàng)目采煤機(jī)三維定位誤差小于10 cm 的要求。

圖2 水平測(cè)量結(jié)果

圖3 高程測(cè)量結(jié)果

2.3 綜采工作面刮板輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)

23303 工作面選用SGZ1000/3×1000 智能化刮板輸送機(jī)，該輸送機(jī)能實(shí)現(xiàn)以下功能：（1）智能啟動(dòng)控制功能。在啟動(dòng)之初先張緊底部的鏈條，之后機(jī)頭機(jī)尾電機(jī)同時(shí)啟動(dòng)，鏈條速度從零開始慢慢加速最后達(dá)到設(shè)定速度。（2）功率協(xié)調(diào)控制功能。根據(jù)負(fù)載自動(dòng)分配機(jī)頭和機(jī)尾的驅(qū)動(dòng)功率，使機(jī)頭尾電機(jī)隨負(fù)載的變化準(zhǔn)確自動(dòng)平衡分配功率。（3）鏈條自動(dòng)保護(hù)功能。設(shè)備開始運(yùn)行時(shí)自動(dòng)張緊鏈條，設(shè)備停止運(yùn)行時(shí)能自動(dòng)松開鏈條，釋放應(yīng)力和鏈條張力，從而保證設(shè)備正常運(yùn)行。

刮板輸送機(jī)的機(jī)頭動(dòng)力部和機(jī)尾動(dòng)力部?jī)膳_(tái)電機(jī)均由兩臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)。在變頻器的驅(qū)動(dòng)下，可以設(shè)定電機(jī)的加速曲線使得電機(jī)的速度逐步升高。如圖4 所示，刮板輸送機(jī)的兩臺(tái)電機(jī)平穩(wěn)啟動(dòng)，降低了對(duì)供電系統(tǒng)的沖擊，也降低對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的沖擊，從而達(dá)到了軟啟動(dòng)目的。

智能控制刮板輸送機(jī)采用了中電壓、大功率防爆變頻調(diào)速技術(shù)，并具有機(jī)頭尾動(dòng)態(tài)功率協(xié)調(diào)、鏈速實(shí)時(shí)多參數(shù)混合邏輯控制調(diào)整、鏈條張緊力動(dòng)態(tài)控制、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與專家系統(tǒng)等特性。智能刮板輸送機(jī)通過(guò)改變運(yùn)行速度進(jìn)而調(diào)節(jié)輸送能力，刮板運(yùn)輸機(jī)可以用最少的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)達(dá)到設(shè)定的運(yùn)輸能力，顯著降低刮板運(yùn)輸機(jī)能耗的同時(shí)延長(zhǎng)刮板輸送機(jī)的壽命。

2.4 綜采工作面液壓支架智能化控制系統(tǒng)

工作面內(nèi)采煤機(jī)與液壓支架兩種關(guān)鍵設(shè)備之間相互配合作業(yè)才能將煤炭完全采出。在智能化工作面中，采煤機(jī)通過(guò)記憶截割技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)割煤，工作面內(nèi)液壓支架全部配備電液控制系統(tǒng)，整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程無(wú)須人員操作，完全由這兩套設(shè)備的控制系統(tǒng)自主完成。工作面液壓支架配備有采高、傾角、壓力及推移行程等多種傳感器，如圖5。

圖5 智能化液壓支架

液壓支架前移采用雙速控制閥控制推移千斤頂實(shí)現(xiàn)，可消除液壓支架與刮板輸送機(jī)銷孔間隙，確保液壓支架移架距離統(tǒng)一，從而避免采面多次移動(dòng)液壓支架后導(dǎo)致液壓支架、刮板輸送機(jī)彎曲問(wèn)題。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)算發(fā)現(xiàn)，通過(guò)使用雙速控制閥控后刮板輸送機(jī)推移控制精度提高50%以上，可滿足刮板輸送機(jī)平直度要求。采煤機(jī)位置通過(guò)煤機(jī)紅外發(fā)射器將信號(hào)傳遞到液壓支架紅外接收器中，并將定位數(shù)據(jù)傳輸給集控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后集控中心將控制指令發(fā)出給液壓支架控制模塊，實(shí)現(xiàn)液壓支架跟機(jī)、移架、噴霧、護(hù)幫等工作自動(dòng)化開展。液壓支架工由原來(lái)的3 人降為1 人。

3 結(jié)論

（1）轉(zhuǎn)龍灣煤礦23303 工作面通過(guò)完善的智能化開采設(shè)備配套，實(shí)現(xiàn)了煤礦智能化開采的常態(tài)化應(yīng)用，順利完成了單工作面年產(chǎn)能為1000 萬(wàn)t 生產(chǎn)目標(biāo)，生產(chǎn)操作人員由9 人減少至4 人。（2）通過(guò)對(duì)采煤機(jī)兩個(gè)搖臂采高傳感器零點(diǎn)和線性系數(shù)的準(zhǔn)確校準(zhǔn)，采煤機(jī)完全滿足記憶截割狀態(tài)下?lián)u臂自動(dòng)調(diào)整高度需求，并保證端點(diǎn)特別是前部運(yùn)輸機(jī)頭、機(jī)尾處精準(zhǔn)測(cè)量度，使采煤機(jī)在工作面內(nèi)安全平穩(wěn)運(yùn)行。（3）采煤機(jī)記憶截割系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)工作面機(jī)頭、機(jī)尾部程序自動(dòng)截割，簡(jiǎn)單快速操作控制，帶真彩顯示端頭站，遠(yuǎn)程顯示信息準(zhǔn)確，自動(dòng)截割端點(diǎn)位置定位精確，左右滾筒截割高度重復(fù)精度精確。（4）智能刮板運(yùn)輸機(jī)實(shí)現(xiàn)了鏈條自動(dòng)張緊、刮板速度實(shí)時(shí)智能調(diào)速等智能化相關(guān)功能，全面降低了刮板運(yùn)輸機(jī)的刮板磨損程度，減少了刮板運(yùn)輸機(jī)運(yùn)輸過(guò)程中電力資源損耗，提高設(shè)備可靠性的同時(shí)顯著提高生產(chǎn)效率，充分實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)、液壓支架、刮板運(yùn)輸機(jī)三種不同設(shè)備之間的同步控制。（5）基于LASC 慣性導(dǎo)航的工作面智能化找直系統(tǒng)，在實(shí)際智能化推進(jìn)過(guò)程中可有效實(shí)現(xiàn)工作面矯直，保持工作面曲線橫向最大差值在30 cm 范圍內(nèi)，同時(shí)通過(guò)邏輯閥實(shí)現(xiàn)液壓支架精確控制移架。