現代化礦井智能升級案例及經濟性分析

連二堂

（長治市上黨區(qū)能源局， 山西 長治 047100）

0 引言

在現代工業(yè)高速發(fā)展的當下，煤炭資源在能源產業(yè)中仍然承擔著重要職責，新時期要求，智能化礦井建設也在如火如荼地進行著。為了能夠全面提升煤炭工業(yè)的開采效率降低開采成本，煤礦企業(yè)應立足于自身，不斷推動綜采工作面技術與設備的工業(yè)化、自動化、智能化改造，向新型現代化礦井建設的目標不斷前進，積極適應時代發(fā)展需求?；诖耍P者重點分析了綜采工作面智能化技術與設備的井下應用，經過對比發(fā)現產生了良好的效益，改善了傳統(tǒng)煤礦開采受限于人力而導致的開采效率較低、存在安全隱患等問題[1]。

隨著智能化技術和設備逐步在綜采工作面的應用，不但有效提高了開采效率和質量，同時還降低了開采風險和成本，為安全開采保駕護航，對于推動煤礦行業(yè)整體的現代化改造建設和智能化發(fā)展水平的提升意義重大[2]。

1 智能化采煤系統(tǒng)建設

煤礦工業(yè)發(fā)展的初期階段，由于經濟條件所限，工作面布置較為簡單，現代化水平較低。開采所使用的機械設備笨重且效率低下，多種因素造成開采系統(tǒng)缺乏穩(wěn)定性，不利于開采工作的高效展開。現階段，我國工業(yè)化發(fā)展迅猛，煤炭企業(yè)有必要開展智能化的建設工作，而實現工作面系統(tǒng)和設備的高效管理是智能化礦山建設的首要一步。

筆者針對現有的長壁式綜合機械化一次采全高的采煤工作面，通過智能化綜采系統(tǒng)將每個獨立的設備連接為一個整體，在集控中心對采煤設備進行統(tǒng)一操控和精準管理，做到整體的高度智能化運作[3-4]。智能化綜采系統(tǒng)結構如圖1 所示，主要包括礦井環(huán)網、井下巷道監(jiān)控設備及工作面各個系統(tǒng)。

圖1 智能化綜采系統(tǒng)結構

2 智能化采煤設備概述

建設智能化自動采煤集控系統(tǒng)可以實現綜合化自動采煤的目標，需要對各項設備及系統(tǒng)做到全天候監(jiān)測及自動控制，可以完成遠程開采任務的同時做到及時人工干預[5]。建成投產后，采煤工作面上的作業(yè)人員大幅減少，不但提高了開采效率，還提升了井下安全系數，保證安全高效開采。對此，主要智能化設備如表1 所示。

表1 綜采工作面主要設備選型及技術特征

2.1 智能化采煤機

智能化采煤機可以通過多傳感器融合感知、自主截割、數據遠程傳輸及監(jiān)測技術來實現智能化作業(yè)。結合煤層的硬度、夾矸、工作面采高等情況，筆者對工作面選用型號為MG450/1020-QWD 的電液控無鏈電牽引采煤機，其中無鏈電牽引采煤機是其核心構成，可以實現往復循環(huán)割煤，見圖2。采煤機主要技術參數如表2 所示。

表2 采煤機技術特征

圖2 采煤機智能割煤

為滿足本礦年產0.90 Mt/a 的生產任務，本工作面的日產量要保證在1 800 t 左右。采煤機的平均生產能力可用公式（1）計算：

式中：Qm為正常條件下采煤機平均生產能力，t/h；H為工作面煤層平均厚度，取3.04 m；B:采煤機滾筒截深，取0.8 m；vC為采煤機工作期間平均牽引速度，取3.1 m/min；γC為煤的容重，取1.4 t/m3；C為工作面采出率，取0.95。

由此可得采煤機平均生產能力Qm=60×3.04×0.8×3.10×1.40×0.95=602 t/h。

采煤機設計最大生產能力按公式（2）計算：

式中：Qmax為采煤機設計最大生產能力，t/h；K為采煤機割煤不均衡系數，取1.2。

由此可得采煤機最大生產能力Qmax=1.2×602=722 t/h。

2.2 液壓支架

隨著電液控制技術的日益穩(wěn)定，為實現井下液壓支架智能化控制、自動調直等技術對工作面的自動化放煤、移架、噴霧等作業(yè)，筆者對本工作面煤層選用的是ZZD8500/19/38 型液壓支架，總計6 部，具體參數如表3 所示。

表3 ZZD8500/19/38 液壓支架技術特征

液壓支架支護強度根據公式（3）計算：

式中：p為支護強度，kN/m2；n為巖重倍數，以中等穩(wěn)定、中等堅固的巖石為界，取6；M為煤層最大高度，取3.6 m；γr為頂板巖石容重，取25 kN/m3。

由此可知液壓支架的支護強度為p=720 kN/m3=0.72 MPa。

2.3 可彎曲刮板輸送機

刮板運輸機組主要包括破碎機、轉載機和運輸機，通過智能調速、鏈條張力自動控制技術完成對煤塊的破碎、裝載和運輸。據此，筆者對本工作面刮板輸送機選用型號為SGZ800/2×400 的電液控可彎曲刮板輸送機，主要技術參數如表4 所示。

表4 刮板輸送機技術特征

一次采全高刮板輸送機輸送能力可用公式（4）—式（6）計算：

式中：Q運1為刮板輸送機運輸能力，t/h；QK1為輸送機裝載不均衡系數，1.5；K2：設備修正系數；Q運2為刮板輸送機最大運輸能力，t/h；ve、vc分別為刮板輸送機鏈速和采煤機平均割煤速度，方向相同時取“-”,相反取“+”；K3為煤層傾角及運輸方向的系數；K為能力富裕系數，取1.2。

由此可知：Q運1=1.5×［0.86/（0.86±4.76）］×0.9×602=167 t/h，Q運2=1.2×722=866 t/h。

3 智能化設備使用效果

通過實施礦井工作面智能化的改造與建設，本智能化工作面可實現日均產煤達0.3 萬t 的生產目標，最高可達0.6 萬t。此外，采煤機自動截割率大于92%，最高可達100%。液壓支架自動跟機率普遍大于96%，最高達98.97%，產生了以下良好效應。

3.1 經濟效應

綜采工作面經過智能化改造后，機械設備自動化水平顯著得到提升，勞動力得到充分釋放，生產效率得到改善。作業(yè)人員從原來每班需要15 人減至5 人，由此每年可節(jié)約出的人力成本達300 萬元左右。各個機械設備在智能系統(tǒng)的科學調度調配下，能夠有效解決空轉的問題，不但節(jié)約了能耗，還提高了機器的運轉效率。除此之外，設備在智能系統(tǒng)和工作人員的實時監(jiān)測之下，有故障發(fā)生時可以迅速做出反應，停止工作發(fā)出警報，從而減少了設備的故障發(fā)生率和維修成本，每年可節(jié)約維修成本約60 萬元。

3.2 規(guī)模效應

經過智能化設備的應用，礦井的產能和煤炭資源儲備大幅增加，極大地促進了企業(yè)建設煤炭集團的戰(zhàn)略部署。改造后，煤炭總產量可達到8000 萬t，礦井產量可達到1 100 萬t 以上。未來目標是將區(qū)域內分散的幾大礦區(qū)全部整合建成千萬噸級的高標準現代化集團，煤炭產量可達1 億t 以上。

3.3 安全效應

由于過去的條件限制，井下作業(yè)只能依賴人工，尤其高危區(qū)域，事故隱患極大。依托各項智能化設備和技術之后，危險或者重要的區(qū)域就可以實現無人化工作和管理，不但可以規(guī)避人為操作的失誤，減輕工作強度和難度，還極大減少了人員傷亡。各類事故發(fā)生率降低60%以上，安全隱患整改率達到95%以上，為長期的安全生產提供了硬件基礎。

3.4 管理效應

通過智能系統(tǒng)的應用，使煤礦的一體化管理能夠得以實現，借助平臺可以在三維圖中直觀、明了地獲取各類信息，并且對于資源和信息的調控能力大幅提升，礦井整體的管理水平和效率有了質的飛躍。

3.5 嫁接效應

為了能夠積極、快速掌握智能化設備的使用，通過“幫、傳、帶”的機制，借調有經驗、技術過硬的專業(yè)人才到井下進行現場教學指導，以提高技術水平和操作技能。此外，選派骨干進行學習進修，不僅可以化解人才斷層帶來的挑戰(zhàn)和壓力，還可以實現人才接續(xù)，做到硬件和軟件同步、協調發(fā)展，為現代化礦井的建設做到人員保障。

4 結語

智能化開采的重要性不言而喻，智能化設備和技術的系統(tǒng)運用對礦井的生產安全和生產效率有著至關重要的影響。在工業(yè)化發(fā)展愈加激烈的市場競爭中，要緊跟時代腳步，繼續(xù)加強對綜采工作面智能化應用的不斷深入研究和改進，為全面建成新型現代化、高標準礦井繼續(xù)奮進。