煤礦綜采智能化開采技術(shù)研究及應(yīng)用

劉強

摘要：針對煤礦開采量與使用量較大差異，導致煤礦資源開采損失的問題，展開煤礦綜采智能化開采技術(shù)研究。布置煤礦綜采工作面，在綜采面兩端各布置運輸巷與回風巷，根據(jù)煤礦區(qū)域的地質(zhì)條件，確定智能化綜采煤礦采動應(yīng)力分布。鉆進煤礦綜采工作面探查疏放孔，根據(jù)煤層底板等高線工作面推進方向，劃分綜合機械智能化開采范圍，計算工作面覆巖開采垮落帶高度。進行煤礦綜采智能化開采遠程控制，采用PLC邏輯控制作為開采計算核心，并對煤礦開采過程進行全方位監(jiān)測與控制，為煤礦開采智能化管理提供保障。采用實例分析，驗證了該開采技術(shù)的配采均衡性更高，能夠應(yīng)用于實際生活中。

關(guān)鍵詞：煤礦；綜采；智能化；開采技術(shù)；應(yīng)用

0? ?引言

當今社會，由于人們環(huán)保意識的提高和資源供應(yīng)逐漸緊張，越來越多的國家開始探索綠色能源技術(shù)。與此同時，為了給煤炭資源的合理化利用提供保障，煤炭能源業(yè)開始向綠色開采與科學開采發(fā)展[1]。

通常，煤礦區(qū)域內(nèi)的水文、瓦斯地質(zhì)條件較為復雜，受到煤礦工作面開采技術(shù)水平、智能化控制水平等條件制約，煤礦資源的開采推進長度較短，嚴重影響了礦壓控制難度。隨著煤礦開采強度的不斷增大，淺部煤炭資源儲量急劇減少，開采深度逐年增加[2]。為了開采更深層的煤炭資源，煤礦開采工作面的長度隨之增加，工作面動應(yīng)力分布更加復雜，加劇了礦壓控制難度。

煤礦開采普遍以長壁采煤法為主，開采工作面較長。就煤礦開采效率而言，長壁采煤法能夠在工作面推進之后及時處理采空區(qū)，煤礦資源運輸方式、支護形式、采空區(qū)處理方法，在煤層無傾角處更具優(yōu)勢[3]。但煤層普遍為大傾角工作面，以此種方法開采容易突出礦區(qū)的瓦斯，從而造成較大的開采事故。

高效回采技術(shù)、沿空留巷技術(shù)、協(xié)同錨護技術(shù)的應(yīng)用，為煤礦開采帶來了顯著的經(jīng)濟、社會效益，資源開采逐漸面向綠色、安全方面發(fā)展[4]。本文根據(jù)煤礦開采區(qū)域的傾角大小，分析煤層的推進方向，并布置多個綜采工作面，同時進行煤礦開采，提升開采效率。在配采均衡的條件下，設(shè)計了一種煤礦綜采智能化開采技術(shù)。

1? ?煤礦綜采智能化開采技術(shù)設(shè)計

1.1? ?布置煤礦綜采工作面

本文在煤礦開采的過程中，以開采穩(wěn)定性控制為主，在綜采面兩端各布置運輸巷與回風巷，確定智能化綜采煤礦采動應(yīng)力分布。本文根據(jù)工作面回采的數(shù)據(jù)，對煤層的動應(yīng)力分布進行分析。工作面應(yīng)力分布如圖1所示。

如圖1所示，工作面回采的煤巖支承壓力沿著回采方向，與工作面的支承壓力呈現(xiàn)相對空間位置關(guān)系[5]?？紤]到前支承壓力、圍巖支承壓力、壓力重分布等情況對工作面開采的影響，本文在開采過程中，以單、雙工作面交替布置的形式，使工作面保持一定的錯距進行煤礦開采。

工作面的長度布置為150～200m左右，每個工作面的間距在5m之內(nèi)，以架棚加強工作面開采的支護結(jié)構(gòu)[6]。每兩個單工作面之間，布置一個雙工作面，減少一條平巷、一個煤柱，從而提升煤炭開采效率。

1.2? ?鉆進煤礦綜采工作面探查疏放孔布設(shè)

單工作面布置在開采區(qū)域的同一翼，本文將煤層底板等高線工作面作為推進方向，并結(jié)合煤礦區(qū)域的地質(zhì)條件，將工作面配套設(shè)備進行配置。工作面部分設(shè)備配置如表1所示。其中，乳化液泵為現(xiàn)有設(shè)備，其他設(shè)備均為新購設(shè)備。新購設(shè)備是為了達到綜采工作阻力要求值，確保開采質(zhì)量。

為了確保工作面開采效果，本文劃分了綜合機械智能化開采范圍，將開采的上限標高提高至-290m水平，工作面傾斜長870m，使工作面可采存量增加。

在工作面鉆進多個鉆孔，鉆孔的密度為6.46個/km²。在工作面附近分布9個鉆孔，以控制含水層頂、底界面與基巖面[7]。在臨近工作面風巷的位置，布置39個探查疏放鉆孔，以便探查出開采區(qū)域的巖性結(jié)構(gòu)與巖層厚度，確保工作面開采效果。在工作面中部附近，計算工作面覆巖開采垮落帶高度，具體公式如下：

1.3? ?煤礦綜采智能化開采遠程控制

本文將智能化技術(shù)與開采技術(shù)融合，在煤礦資源開采的過程中，采用PLC邏輯控制作為開采計算核心，并對煤礦開采過程進行全方位監(jiān)測與控制，為煤礦開采提供智能化管理保障。

利用梯形圖編程，將開采設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)進行采集與控制，并向設(shè)備發(fā)送開始、停止開采的遠程控制信號，形成智能化開采遠程控制環(huán)境。在綜采工作面上，根據(jù)工作面環(huán)境選擇刮板輸送機，并在遠程控制模塊計算出開采區(qū)域的重段運行阻力、空段運行阻力、總運輸阻力。重段運行阻力計算公式如下：

W_z=9.8（qω+q₀ω₀）Lcosβ±9.8（q+q₀）Lsinβ（3）

式（3）中，Wz為刮板輸送機重段運行阻力；q為工作面槽內(nèi)單位長度質(zhì)量；ω為煤礦資源在溜槽中的運行阻力系數(shù)；q0為刮板鏈單位長度質(zhì)量；ω0為刮板鏈的運行阻力系數(shù)；L為刮板鏈長度；β為煤層工作面傾角?？斩芜\行阻力計算公式如下：

W_k=9.8q₀L（ω₀cosβ±sinβ）（4）

式（4）中，Wk為刮板輸送機的空段運行阻力。總運輸阻力計算公式如下：

W₀=K₁K₂（W_z+W_k）（5）

式（5）中，W₀為刮板輸送機的總運輸阻力；K₁為曲段附加阻力系數(shù)；K₂為繞頭部、尾部鏈回轉(zhuǎn)附加阻力系數(shù)。

結(jié)合開采區(qū)域的重段運行阻力、空段運行阻力、總運輸阻力計算結(jié)構(gòu)，選擇安全的液壓支架、刮板機、采煤機，使其“三機”配套，避免煤礦資源開采利用率低的問題。

2? ?實例分析

2.1? ?礦區(qū)概況

為了驗證本文設(shè)計的智能化開采技術(shù)是否滿足配采均衡性需求，本文以M煤礦為例，對上述技術(shù)進行實例分析。

M煤礦綜采工作面整體為一單斜構(gòu)造，工作面中部受到斷層影響，存在1～8°的傾斜，平均煤深約為820m。工作面地質(zhì)構(gòu)造存在多個斷層，延展長度為100～400m，對回采的影響程度較大。

06工作面位于M煤礦的第11個開采區(qū)，能夠存儲的煤量約為1.665×10⁶t，回采煤層厚度最大約為3.4m，最小約為2.3m。在M煤礦開采過程中，本文選用巷道掘進開采的形式，在06綜采工作面上布置3條順槽，工作面巷道布置情況如圖2所示。

如圖2所示，在06綜采工作面上布置了上巷、中巷、下巷等巷道，巷寬分別為4.2m、4.2m、4.4m。為了確保06綜采工作面的有效開采，本文將相鄰的08工作面作為順槽，并以沿空留巷技術(shù)采掘接續(xù)，確保M煤礦的開采效果。使用采煤機進行開采，采煤機牽引速度為0～13.75m/min，滾筒直徑約為Ф2000mm，采高范圍為2200～3800mm，能夠滿足M煤礦開采需求。同時，采用液位傳感器，將M煤礦06工作面的開采數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測，確保煤礦智能化開采效果。

2.2? ?應(yīng)用結(jié)果

在上述條件下，本文按照煤礦生產(chǎn)能力布置出一大兩小共3個開采工作面。已知煤礦日生產(chǎn)能力為11800t/天（含掘進煤量），年生產(chǎn)能力為3.9×10⁶t/年。在煤礦開采條件、施工環(huán)境、地質(zhì)條件已知的情況下，使用本文設(shè)計的煤礦綜采智能化開采技術(shù)，對煤礦工作面進行智能化開采，取消晚班開采時段，將煤礦開采規(guī)劃在早班與中班中，取得的開采效果如表2所示。

如表2所示，本次工程以煤礦合理化開采為主要目標，對于提升主井均衡性具有重要作用。在煤礦開采的過程中，以早班、中班為主，取消了晚班的開采時間，為瓦斯治理贏得充分的時間。

在主井、1#煤倉、2#煤倉中，工作面呈南北方向布置。為了滿足煤礦開采規(guī)劃需求，工作面日生產(chǎn)量（開采煤量+掘進煤量）需要與主井提煤量保持一致。一水平的工作面寬150m，采高為2.8m；二水平的工作面寬300m，采高為2.8m。在其他條件均一致的情況下，使用本文設(shè)計的煤礦綜采智能化開采技術(shù)之后，工作面開采煤量+掘進煤量達到了11900t，主井提煤量為10900t。

由此可見，使用本文設(shè)計的開采技術(shù)之后，智能化控制效果更佳，能夠均衡煤礦的配采，從而提升煤礦綜采均衡性，為煤礦礦井開采取消夜班，治理瓦斯創(chuàng)造條件。

3? ?結(jié)束語

近些年來，能源結(jié)構(gòu)發(fā)生了重大調(diào)整，煤炭資源在能源結(jié)構(gòu)的占比逐年下降，但在短期內(nèi)仍然占據(jù)主導地位。在煤炭消費能源良好的發(fā)展勢頭下，煤炭資源開采方式逐漸向環(huán)保、節(jié)約、智能化的方向轉(zhuǎn)變。

為了避免煤礦開采資源的損失，提升資源開采效率，本文研究了煤礦綜采智能化開采技術(shù)研究及應(yīng)用這一課題。從工作面布置、探查孔鉆進、開采遠程控制等方面進行優(yōu)化，使煤礦資源的開采更加智能，均衡了整個開采過程的配采均衡性，為煤礦資源的開采與使用提供理論支撐。

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