超大采高綜采智能開采技術(shù)研究與實踐

蘇龍慶 張中騰 翟霄龍

（1.兗礦能源集團股份有限公司濟寧二號煤礦，山東 濟寧 272000；2.兗礦能源集團股份有限公司鮑店煤礦，山東 鄒城 273500）

為進一步提升煤炭資源回收率與礦井生產(chǎn)技術(shù)水平，填補超大采高綜采智能開采技術(shù)的缺口，兗礦能源金雞灘煤礦進行了配套技術(shù)及裝置的研究開發(fā)與智能控制技術(shù)的應(yīng)用試驗[1-7]。

1 智能工作面配套設(shè)備

1.1 工作面液壓支架選型及智能耦合控制系統(tǒng)

1.1.1 超大采高液壓支架選型

工作面開采的2-2 上煤層厚度在5.6～8.2 m 之間，最大采高8.0 m，節(jié)理、裂隙不發(fā)育。基本頂屬Ⅱ～Ⅲ級，壓力顯現(xiàn)強烈；底板多為粉砂巖和泥巖，單向抗壓強度19.95 MPa，屬Ⅲ類較軟底板。為滿足工作面的正常運行，實現(xiàn)快速移架，選用ZY21000/38/82D 型液壓支架，如圖1。

圖1 ZY21000/38/82D 型兩柱掩護式支架（mm）

液壓支架采用大缸徑能量耗散抗沖擊立柱、三級協(xié)動護幫裝置等新結(jié)構(gòu)，開發(fā)了超大采高液壓支架與圍巖智能耦合控制技術(shù)，研發(fā)應(yīng)用了Q890、Q1150 新材料及焊接工藝、超大采高液壓支架三維動態(tài)優(yōu)化設(shè)計軟件，解決了超大采高液壓支架大尺度高動壓敏感結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和可靠性難題，液壓支架減重15%，有效提高支架移架速度和抗沖力能力。

1.1.2 液壓支架耦合控制系統(tǒng)

液壓支架配套SAC 型電液控制系統(tǒng)。SAC 液壓支架電液控制系統(tǒng)是集工作面控制系統(tǒng)、過濾系統(tǒng)、工作面數(shù)據(jù)集成及上傳系統(tǒng)為一體的對液壓支架實施多功能、高效率、自動化控制的成套設(shè)備，是一個多層次多計算機集成的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。

液壓支架配套電液控系統(tǒng)由電液換向閥、控制器、遙控器、礦用本安型紅外線接收器、發(fā)送器、礦用隔爆兼本質(zhì)安全型穩(wěn)壓電、隔離耦合器、連接器、礦用本安型信號轉(zhuǎn)換器等組成，具有全中文顯示，能夠?qū)崿F(xiàn)單架控制、成組控制、跟機自動化控制、閉鎖及緊急停止、故障顯示及報警、自動補壓、帶壓移架、礦壓監(jiān)測、工作面數(shù)據(jù)集成及上傳、數(shù)據(jù)分析及信息發(fā)布等功能，能夠最大限度地滿足采煤工作面自動化控制的需要。

1.2 采煤機選型及記憶截割控制系統(tǒng)

1.2.1 采煤機選型

根據(jù)已回采工作面情況和現(xiàn)有設(shè)備配置，采用7LS8 雙滾筒電牽引采煤機，裝機功率2925 kW，滾筒直徑4 m，滾筒截深0.86 m，重量210 t。

1.2.2 采煤機記憶截割控制系統(tǒng)

由采煤機位置編碼器、左右滾筒截割高度傳感器、機身傾角傳感器、傳感檢測及截割控制模塊等幾部分組成，實現(xiàn)工作面記憶截割為主、遠(yuǎn)程控制為輔的采煤方式?；诓擅簷C記憶截割為基礎(chǔ)，配置慣導(dǎo)系統(tǒng)，可對整體模式、全局參數(shù)、局部模式、局部參數(shù)進行修正，實現(xiàn)煤機實時狀態(tài)監(jiān)測、記憶割煤、遠(yuǎn)程控制和工作面自動找直等功能。采煤機主要傳感器配置如圖2。

圖2 采煤機主要傳感器配置

1.3 工作面運輸裝備選型及智能控制系統(tǒng)

1.3.1 運輸裝備選型

根據(jù)金雞灘礦千萬噸生產(chǎn)能力要求，研發(fā)了首套超大采高煤量變頻可彎曲SGZ1400/4800 型智能刮板運輸機，功率4800 kW，運輸能力6000 t/h，中部槽槽寬1400 mm，創(chuàng)新研制了高可靠性耐磨中部槽，采用Φ56 mm、Φ60 mm 防腐千萬噸級鏈傳動系統(tǒng)，轉(zhuǎn)載機采用SZZ1600/1200 型，破碎機采用PCM1200 型齒輥式大塊煤連續(xù)破碎裝置、帶可旋轉(zhuǎn)槽體的抗沖壓電纜槽，解決了有不連續(xù)大塊煤條件下超大采高工作面刮板運輸系統(tǒng)的智能自適應(yīng)、可靠、連續(xù)運行難題。

1.3.2 智能運輸裝備控制系統(tǒng)

刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機、破碎機采用智能變頻式可控制程序進行啟動，實現(xiàn)變頻器和電機自動劃分，主機、輔機之間配合工作，啟動過程中主機先運行，輔機跟隨變頻主機實施運轉(zhuǎn)，可以實現(xiàn)設(shè)備集中順序啟?？刂疲岣咴O(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性。工作面刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機、破碎機采用綜合在線檢測集中控制系統(tǒng)，針對“三機”設(shè)備動力部分散的情況，通過傳感器等設(shè)備實現(xiàn)運行數(shù)據(jù)在線工況檢測、預(yù)警停機等功能集中顯示，完成自動伸縮機尾鏈條張緊力控制，通過安裝專用壓力傳感設(shè)備，能夠很好地控制張緊程度，同時保持張緊的穩(wěn)定性。

1.4 工作面供液設(shè)備選型及智能供液系統(tǒng)

1.4.1 供液設(shè)備選型

選用一套BRW630/37.5 型乳化液泵站，五泵二箱，三用兩備，最大輸出工作壓力37.5 MPa，正常工作壓力不小于30 MPa，公稱流量≥630 L/min，功率5×450 kW。選用一套BPW516/16 型噴霧泵站，該泵站由四臺泵兩個水箱組成，三臺泵工作，一臺泵備用，工作壓力16 MPa，公稱流量≥516 L/min，功率3×160 kW。

1.4.2 智能供液系統(tǒng)

智能供液技術(shù)是實現(xiàn)智能化開采重要組成部分，智能供液技術(shù)原理如圖3。在獲得采煤機、刮板輸送機和液壓支架自動跟機參數(shù)條件，通過計算液壓支架自動跟機移架動作時的流量需求，電液控制系統(tǒng)內(nèi)的程序能夠提前預(yù)知液壓支架的動作次序。當(dāng)工作面內(nèi)液壓支架執(zhí)行跟機自動移架動作之前，可以根據(jù)總流量需求函數(shù)轉(zhuǎn)為自動控制信號傳遞給綜采工作面智能供液系統(tǒng)，達到工作面液壓支架跟機移架動作時所需要供液壓力，自動供液系統(tǒng)將自動進行變頻調(diào)節(jié)，從而完成工作面液壓支架自動跟機移架等成套動作。

圖3 智能供液系統(tǒng)控制技術(shù)原理

2 超大采高綜采智能工作面集中控制系統(tǒng)

為實現(xiàn)超大采高綜采智能工作面設(shè)備的集中控制，加強綜采工作面設(shè)備的三機協(xié)同控制、設(shè)備聯(lián)動啟停功能，首先必須建立一套綜采工作面集控中心系統(tǒng)，使各設(shè)備之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息交互，所有設(shè)備執(zhí)行機組都可由集控中心統(tǒng)籌協(xié)調(diào)控制。

如圖4 所示，12-2 上104 綜采工作面采用SAC型電液控制系統(tǒng)和SAM 型自動化系統(tǒng)，建立一套以地面/順槽集控中心為核心，工作面視頻、以太網(wǎng)、“5G”網(wǎng)絡(luò)、音頻信號、遠(yuǎn)控為基礎(chǔ)的“遠(yuǎn)程遙控式”集中智能化控制系統(tǒng)，實現(xiàn)在井下監(jiān)控中心對液壓支架、采煤機、刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機、破碎機、開關(guān)等綜采設(shè)備進行遠(yuǎn)程操控、數(shù)據(jù)工況監(jiān)測及“一鍵啟?！钡裙δ?，并協(xié)調(diào)各設(shè)備的相互銜接，達到工作面智能化開采的目的。

圖4 工作面集控中心控制圖

3 工業(yè)性試驗

金雞灘煤礦12-2 上104 超大采高智能化示范采煤工作面，液壓支架配備電液控制系統(tǒng)，安裝人員接近保護系統(tǒng)，實現(xiàn)自動跟機移架、自動補液、自動反沖洗、移架報警、收伸護幫、自動推溜、成組程序化拉后溜；刮板輸送機具有斷鏈保護、自動控制和遠(yuǎn)程控制；采煤機具備運行工況及姿態(tài)檢測、機載無線遙控、記憶截割、“三角煤”機架協(xié)同控制割煤、故障診斷等功能；乳化液泵站可實現(xiàn)變頻恒壓供液，液位、油位、系統(tǒng)壓力、配液狀態(tài)、故障保護狀態(tài)、泵組油位、油壓、油溫等參數(shù)實時在線監(jiān)控分析等功能；可視化集控系統(tǒng)可實現(xiàn)液壓支架、刮板運輸機、轉(zhuǎn)載機、破碎機、乳化液泵站等設(shè)備數(shù)據(jù)實時在線監(jiān)測分析，具有跟機視頻功能。打造“以工作面自動控制為主，遠(yuǎn)程干預(yù)控制為輔”的智能開采新模式。

工作面自正常生產(chǎn)以來，經(jīng)過12 個月的生產(chǎn)驗證，工作面智能化常態(tài)運行，采煤機記憶截割率達到95%，支架自動跟機率達到95%，一直保持較高的生產(chǎn)效率。日平均產(chǎn)量7.9 萬t，正常生產(chǎn)中僅需工班長1 人、煤機司機1 人、電工1 人、支架操作工1 人、運輸機司機1 人、端頭維護工1 人，共計6 人，達到了減人提效的目的，實現(xiàn)了高產(chǎn)高效，智能化水平達到國內(nèi)領(lǐng)先水平。

4 結(jié)論

（1）超大采高配套設(shè)備及智能集中控制系統(tǒng)在金雞灘礦成功應(yīng)用，為相似地質(zhì)條件煤礦提供了重要的技術(shù)支持。

（2）金雞灘煤礦12-2 上104 綜采工作面是兗礦能源第一個超大采高一次采全高智能化工作面，工作面最高月產(chǎn)量202 萬t，具備年產(chǎn)量1000 萬t的生產(chǎn)能力，工作面內(nèi)人數(shù)減至7 人，成功達到了減員提效、保安全的目的。