基于瓦斯體積分?jǐn)?shù)監(jiān)測(cè)的采煤機(jī)運(yùn)行速度動(dòng)態(tài)控制研究

石凱強(qiáng)

(汾西礦業(yè)正令煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西 孝義 032300)

煤炭開(kāi)采時(shí)煤壁以及采空區(qū)等均會(huì)不斷涌出瓦斯,當(dāng)回采空間內(nèi)瓦斯超限時(shí)容易誘發(fā)嚴(yán)重的安全事故[1-2]。為此,在高瓦斯煤層回采工作面煤炭開(kāi)采時(shí),采煤機(jī)上搭載有瓦斯傳感器,用以實(shí)現(xiàn)瓦斯超限斷電,提高煤炭開(kāi)采安全性。受井下空間狹小、通風(fēng)空間受限以及通風(fēng)風(fēng)量較小等多因素影響,采面風(fēng)排瓦斯能力受限。一般情況下,采面瓦斯涌出量與采煤機(jī)推進(jìn)速度有密切關(guān)聯(lián),為此眾多學(xué)者從采面煤炭開(kāi)采設(shè)計(jì)、采面瓦斯監(jiān)控、瓦斯涌出預(yù)測(cè)及預(yù)警等方面展開(kāi)研究[3-5]。以往的研究重點(diǎn)集中在高瓦斯智能化開(kāi)采、瓦斯監(jiān)控及瓦斯治理等方面,基于采面瓦斯體積分?jǐn)?shù)監(jiān)測(cè)對(duì)采煤機(jī)回采速度控制方面研究較少。為此,文中就以山西某礦3205綜采工作面回采為研究背景,將采面瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)接入采煤機(jī)運(yùn)行控制系統(tǒng)中,依據(jù)采面瓦斯體積分?jǐn)?shù)變化實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)運(yùn)行速度動(dòng)態(tài)控制,以期在保障煤炭回采安全前提下提升采煤機(jī)煤炭生產(chǎn)效率。

1 采煤機(jī)推進(jìn)速度與瓦斯體積分?jǐn)?shù)關(guān)系

1.1 工程概況

3205綜采工作面設(shè)計(jì)回采3號(hào)煤層,設(shè)計(jì)走向推進(jìn)長(zhǎng)度1 980 m、傾向長(zhǎng)度為150 m.采面回采范圍內(nèi)3號(hào)煤厚均值為1.6 m,煤層頂?shù)装鍘r性以粉砂巖、砂質(zhì)泥巖以及炭質(zhì)泥巖為主,煤層賦存較為穩(wěn)定,回采區(qū)域內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造不發(fā)育;3號(hào)煤層原始瓦斯含量為7.9～11.3 m3/t、瓦斯壓力為0.64～0.93 MPa,煤層透氣性較差且松軟。3205綜采工作面采用U型通風(fēng)方式,額定供風(fēng)量為950 m3/min,在采面回采前通過(guò)采用底抽巷穿層鉆孔、順層鉆孔方式對(duì)回采區(qū)域內(nèi)煤層進(jìn)行預(yù)抽,同時(shí)在回采期間通過(guò)埋管、高抽巷等方式減少采空區(qū)瓦斯涌出。

3205綜采工作面布置的主要開(kāi)采設(shè)備為MG2×200/930-WD1型采煤機(jī)、ZY4000/09/19D型液壓支架、SGZ-764/400型刮板輸送機(jī)等,并配備電液控制系統(tǒng)、巷道集控中心、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、三機(jī)智能控制系統(tǒng)等先進(jìn)的控制系統(tǒng),采面自動(dòng)化開(kāi)采水平較高。采面在回采期間,受煤層瓦斯涌出量影響明顯,采面及回風(fēng)巷瓦斯體積分?jǐn)?shù)均值可分別達(dá)到0.26%、0.52%,采面推進(jìn)速度緩慢,煤炭產(chǎn)量較低。

1.2 采煤機(jī)推進(jìn)速度與瓦斯體積分?jǐn)?shù)關(guān)系

3205綜采工作面回采過(guò)程中瓦斯體積分?jǐn)?shù)較高,影響采面生產(chǎn)效率以及煤炭產(chǎn)量,采面煤炭推進(jìn)速度與瓦斯涌出量有密切關(guān)聯(lián),因此有必要對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行速度進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié),使采面瓦斯體積分?jǐn)?shù)在合理、安全范圍內(nèi)。結(jié)合3205綜采工作面現(xiàn)場(chǎng)條件,在采面回風(fēng)上隅角、采煤機(jī)上均布置有瓦斯傳感器,在0～6 m/min范圍內(nèi)調(diào)節(jié)采煤機(jī)運(yùn)行速度。在其他參數(shù)保持不變的情況下,調(diào)整采煤機(jī)運(yùn)行速度,對(duì)回風(fēng)隅角以及采煤機(jī)所在位置的瓦斯體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),獲取回風(fēng)上隅角、采煤機(jī)位置瓦斯體積分?jǐn)?shù)隨采煤機(jī)運(yùn)行速度的關(guān)系曲線(xiàn)如圖1所示。

圖1 瓦斯體積分?jǐn)?shù)隨采煤機(jī)運(yùn)行速度關(guān)系曲線(xiàn)

在煤炭開(kāi)采期間,回風(fēng)上隅角及采煤機(jī)位置瓦斯體積分?jǐn)?shù)與采煤機(jī)運(yùn)行速度整體上呈正相關(guān)變化趨勢(shì)。

現(xiàn)場(chǎng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn),回風(fēng)上隅角以及采煤機(jī)位置瓦斯體積分?jǐn)?shù)較其他位置高,同時(shí)采煤機(jī)位置瓦斯體積分?jǐn)?shù)較回風(fēng)隅角處低,因此在實(shí)際回采期間應(yīng)將回風(fēng)上隅角位置作為瓦斯體積分?jǐn)?shù)監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)。

在保持其他參數(shù)不變的情況下,采煤機(jī)運(yùn)行速度分別控制在2 m/min、3 m/min、4 m/min、5 m/min、6 m/min,通過(guò)瓦斯傳感器對(duì)采面中部至回風(fēng)上隅角位置的瓦斯體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè),具體結(jié)果如圖2所示。

圖2 上隅角瓦斯與采煤機(jī)距回風(fēng)上隅角距離關(guān)系曲線(xiàn)

在3205綜采工作面回采期間,回風(fēng)上隅角位置瓦斯體積分?jǐn)?shù)與采煤機(jī)距回風(fēng)隅角距離呈負(fù)相關(guān)變化趨勢(shì),上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)峰值一般出現(xiàn)在采煤機(jī)回采至回風(fēng)上隅角位置。

在保持采煤機(jī)位置不變的情況下,回風(fēng)上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)與采煤機(jī)運(yùn)行速度呈正相關(guān)變化趨勢(shì)。

采面瓦斯體積分?jǐn)?shù)受采煤機(jī)運(yùn)行速度變化影響,可通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)采煤機(jī)運(yùn)行速度達(dá)到控制采面瓦斯體積分?jǐn)?shù)的目的;反之依據(jù)瓦斯體積分?jǐn)?shù)對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié),可確保采面瓦斯體積分?jǐn)?shù)始終保持在允許范圍內(nèi)。

2 采煤機(jī)運(yùn)行速度動(dòng)態(tài)控制研究

在采面回風(fēng)上隅角、采煤機(jī)、采面進(jìn)風(fēng)隅角、采面中部等位置均安裝監(jiān)測(cè)精度及可靠性較高的GJG 100J瓦斯傳感器,同時(shí)將瓦斯傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至采面巷道集控中心。結(jié)合采煤機(jī)姿態(tài)、位置監(jiān)控系統(tǒng)獲取采煤機(jī)與回風(fēng)上隅角間距離,通過(guò)獲取的瓦斯體積分?jǐn)?shù)對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行速度進(jìn)行遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié),確保采面瓦斯體積分?jǐn)?shù)始終在允許范圍內(nèi),具體動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)如圖3所示[6-8]。

圖3 速度動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)架構(gòu)

采煤機(jī)運(yùn)行速度動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)通過(guò)獲取采面上部、中部、下部以及采煤機(jī)位置的瓦斯體積分?jǐn)?shù)調(diào)節(jié)運(yùn)行速度,合理確定瓦斯體積分?jǐn)?shù)閾值是該系統(tǒng)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。當(dāng)設(shè)定瓦斯體積分?jǐn)?shù)閾值過(guò)大時(shí),容易導(dǎo)致采面瓦斯體積分?jǐn)?shù)超限;設(shè)定閾值過(guò)小時(shí)則會(huì)制約煤炭開(kāi)采效率。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)需求以及采面瓦斯體積分?jǐn)?shù)超限相關(guān)規(guī)定,具體設(shè)定的瓦斯體積分?jǐn)?shù)閾值為:低位0.3%、中位0.5%、高位0.7%.

采煤機(jī)運(yùn)行速度動(dòng)態(tài)控制策略為:當(dāng)采面瓦斯體積分?jǐn)?shù)≤0.3%時(shí)(即小于低閾值時(shí)),可適當(dāng)增加采煤機(jī)運(yùn)行速度;當(dāng)采面瓦斯體積分?jǐn)?shù)在0.3%～0.5%區(qū)間時(shí)(即瓦斯體積分?jǐn)?shù)在低閾值至中閾值之間時(shí)),保持采煤機(jī)當(dāng)前運(yùn)行速度;當(dāng)采面瓦斯體積分?jǐn)?shù)在0.5%～0.7%區(qū)間時(shí)(即瓦斯體積分?jǐn)?shù)在中閾值至高閾值時(shí)),適當(dāng)降低采煤機(jī)運(yùn)行速度并發(fā)出一預(yù)警信息;當(dāng)采面瓦斯體積分?jǐn)?shù)≥0.7%時(shí)(即瓦斯體積分?jǐn)?shù)超過(guò)高閾值),采煤機(jī)立即停機(jī)并發(fā)出二預(yù)警信息。

3 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)分析

針對(duì)3205綜采工作面采面瓦斯體積分?jǐn)?shù)高導(dǎo)致回采速度慢、煤炭開(kāi)采效率低等問(wèn)題,提出并應(yīng)用基于瓦斯體積分?jǐn)?shù)監(jiān)測(cè)的采煤機(jī)運(yùn)行速度動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)。在3205綜采工作面進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)時(shí),根據(jù)上述研究成果以及采面現(xiàn)場(chǎng)情況確定采煤機(jī)運(yùn)行速度,具體運(yùn)行速度設(shè)定值如表1所示。同時(shí)在基于瓦斯體積分?jǐn)?shù)控制調(diào)節(jié)采煤機(jī)運(yùn)行速度的基礎(chǔ)上,通過(guò)采煤機(jī)姿態(tài)定位、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等實(shí)時(shí)獲取采煤機(jī)運(yùn)行位置,在靠近回風(fēng)上隅角位置時(shí)對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行速度進(jìn)行調(diào)整,具體控制策略為:當(dāng)采煤機(jī)與回風(fēng)上隅角間距在18 m以?xún)?nèi)時(shí),將采煤機(jī)運(yùn)行速度由6.0 m/min降至5.0 m/min,避免回風(fēng)上隅角瓦斯超限;當(dāng)采煤機(jī)與回風(fēng)上隅角間距在10 m以?xún)?nèi)時(shí),將采煤機(jī)運(yùn)行速度由5.0 m/min降至4 m/min,進(jìn)一步減少采面瓦斯涌出。

表1 瓦斯體積分?jǐn)?shù)與采煤機(jī)運(yùn)行速度對(duì)應(yīng)結(jié)果

3205綜采工作面于2022年6月10日完成采煤機(jī)運(yùn)行速度動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)備安裝及調(diào)試等工作。該系統(tǒng)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后,有效提升了采面煤炭生產(chǎn)連續(xù)性,采面推進(jìn)速度由4.8 m/d提升至6.4 m/d,煤炭產(chǎn)量增長(zhǎng)幅度超過(guò)33.3%.系統(tǒng)可依據(jù)瓦斯體積分?jǐn)?shù)動(dòng)態(tài)控制采煤機(jī)運(yùn)行速度,達(dá)到提高煤炭生產(chǎn)效率的目的。

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 為提高3205綜采工作面煤炭生產(chǎn)效率及安全保障能力,對(duì)采面回采期間瓦斯體積分?jǐn)?shù)與采煤機(jī)運(yùn)行速度進(jìn)行監(jiān)測(cè),發(fā)現(xiàn)采面瓦斯體積分?jǐn)?shù)與采煤機(jī)運(yùn)行速度呈正相關(guān)變化關(guān)系。為此提出基于瓦斯體積分?jǐn)?shù)監(jiān)測(cè)的采煤機(jī)運(yùn)行速度動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng),即依據(jù)采面瓦斯體積分?jǐn)?shù)動(dòng)態(tài)控制采煤機(jī)運(yùn)行速度,達(dá)到既實(shí)現(xiàn)煤炭連續(xù)回采又控制采面瓦斯涌出的目的。

2) 在采面上部、中部、下部及采煤機(jī)機(jī)身上均布置瓦斯傳感器,并將傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至巷道集控中心,設(shè)定瓦斯體積分?jǐn)?shù)閾值為:低位0.3%、中位0.5%、高位0.7%, 并具體給出采煤機(jī)運(yùn)行速度動(dòng)態(tài)控制策略。工程應(yīng)用表明,構(gòu)建的采煤機(jī)運(yùn)行速度動(dòng)態(tài)控制策略可依據(jù)采面瓦斯體積分?jǐn)?shù)動(dòng)態(tài)控制采煤機(jī)運(yùn)行速度,有助于保證高瓦斯礦井采煤工作面生產(chǎn)持續(xù)性且避免采面瓦斯超限。