大同千萬噸礦井群特厚煤層高效綜放開采技術創新與實踐

王國法 劉俊峰

（天地科技股份有限公司，煤炭科學研究總院，100013）

0 引言

根據大型煤炭基地建設目標，我國將建成河南、魯西、神東、晉中、陜北、晉北、晉東、云貴、蒙東、兩淮、冀中、黃隴、寧東、新疆等14個大型煤炭基地，并在大型煤炭基地建設的基礎上培育大型煤炭企業。同煤集團采用大型煤炭基地跨地區、特大型礦井、安全高效集群開發模式，在大同、朔南、軒崗、內蒙古等礦區規劃建設了塔山、同忻、潘家窯、金莊、東周窯、鐵峰、麻家梁、梵王寺、北辛窯、白家溝、色連一號等11個大型千萬噸礦井[1～3]。

國家十三五規劃提出“加快推進煤炭無人開采技術研發和應用”，國家安全監管總局開展了“機械化換人、自動化減人”科技強安專項行動，國內現代化礦井實現綜采工作面的智能化，綜采工作面無人化生產是自動化時代的標志[4]。神華神東公司2008年在榆家梁煤礦建成第一個自動化綜采工作面；陜煤黃陵公司2014年建成了地面遠程操控采煤系統，實現“工作面內1人巡視，監控中心2人遠程干預”的常態化自動生產[4、5]。

相對中厚煤層綜采工作面智能化，放頂煤開采工作面頂煤賦存信息、實時垮落信息獲取困難導致放煤主要依靠人為操作；放煤工藝需要協同考慮采煤機速度、轉載機運量等，同時盡可能實現精準放煤，以提高工作面整體工效；工作面控制系統需要接入礦井災害預警系統、環境監測系統、煤質監測系統，并形成聯動。

1 大同千萬噸礦井群特厚煤層綜放開采綜述

基于同煤集團千萬噸礦井群安全高效可持續開發關鍵技術研究，提出了以煤炭開采為核心、以安全生產為前提、以環境保護為制約、以協調管理為手段的資源－人－環境－效益協調可持續開發，實現同煤集團千萬噸礦井群技術效益、環境效益、經濟效益、社會效益最大化。

1.1 塔山礦特厚煤層大采高綜放成套技術裝備研發及應用

從“十一五”開始，針對同煤礦區14～20 m特厚煤層就進行了大采高綜放成套技術與裝備的研發。

支架圍巖耦合關系是綜采技術的核心。首先，從液壓支架圍巖強度耦合理論出發，對于14～20 m特厚煤層綜放開采，割煤高度由3.5 m增加到4.5～5 m，一次采厚最大達到20 m。為確保煤炭安全、高效、高回收率開采，必須解決14～20 m特厚煤層大采高綜放開采支架圍巖關系與安全保障技術難題。在現場觀測和模擬實驗基礎上，建立了特厚煤層組合懸臂梁模型（見圖1），解釋了特厚煤層工作面來壓強度大、持續時間長的現象，得出了考慮基本頂巖層壓力、頂煤壓力以及傳遞基本頂載荷的塔山煤礦綜放液壓支架支護強度計算公式[6～8]。

圖1 大采高綜放支架-圍巖關系組合懸臂梁模型

Gz=(LZ1?HZ1+LZ2?HZ2+LZ3?HZ3)γ?g?L 式 中 ：LZ1、HZ1 、LZ2、HZ2、LZ3、HZ3分別為直接頂各巖層的長度和厚度。

L為計算長度。

Lm為基本頂Z1斷裂線到支架后部切頂線距離；

k：頂煤的傳遞系數。k≤1；與煤層硬度、頂煤厚度、夾矸條件、破碎程度等均有關系，此處取為0.5。

得出工作面所需的支護強度為：

支架工作阻力在工作面三機配套完成后，根據工作面控頂面積進行計算。

其次，從支架圍巖剛度和穩定性耦合理論出發，解決塔山8105工作面大采高綜放工作面直接面對頂煤，加大采高會帶來嚴重的前端冒落和煤壁片幫（見圖2）；一次放頂煤15 m，加劇了對液壓支架的沖擊，以及可能出現的頂板懸空造成支架受力不平衡而發生的失穩傾倒，都給大采高綜放工作面支護帶來了極大的風險和難度。

創新研制世界首臺套工作阻力15 000 kN/最大高度5.2m的大采高放頂煤液壓支架（見圖3），發明了雙前連桿、雙后連桿穩定機構、強擾動式尾梁－插板放煤機構的大采高放頂煤液壓支架新架型結構。

圖3 ZF15000/28/52放頂煤液壓支架

第三，綜放開采擁有割煤和放煤兩套系統，工作面設備密集，千萬噸生產能力要求裝備功率增加、尺寸更大，如何使這些裝備與液壓支架配套實現穩定可靠運行，采放均衡生產同時又符合安全生產要求是成套裝備配套研究要解決的首要難題。完成了千萬噸綜放工作面設備總體配套（表1）。

表1 千萬噸綜放工作面設備列表

技術與裝備達到1 000萬t能力，總體性能穩定，工作可靠；工作面設備平均開機率92.1%；2011年全年8105工作面出煤量1 084.9萬t，具備了實現工作面年產1 000萬t的能力。平均日產3.03萬t，最高日產達到約5萬t；最高月產130萬t。

1.2 礦井群綜放技術與裝備的協同創新和應用

大同煤礦集團有限責任公司為主的晉北基地是我國特大型動力煤基地，同煤集團2016年煤炭產量超過1.2億噸，位居山西省第一名。大型煤炭基地建設的一個重要特色在于摒棄以往單一地區的開發模式，而實現跨區域、多礦區、特大型礦井、高產量的開發新模式，同時在煤炭開發的同時強調資源、安全、環境、經濟與社會效益和諧開發[9、10]。

首先，建立了千萬噸礦井群協調開采評價模型，其目標是基于客觀的礦井資源條件、管理水平、開采技術條件等，通過科學分析與評價，尋找系統存在的問題，并提出整改措施，從而使礦區實現資源、環境、計劃、經濟、健康協調發展。

其次，提出煤炭資源條件分類協調開采技術，即基于千萬噸礦井集群開發的優勢，將千萬噸礦井群按煤層賦存條件、開采技術條件與綜合管理條件進行分類開采，確定最優開采技術參數與開采方法，最大限度的采出煤炭資源，降低勞動強度，提高礦井效益。重點解決如下三個方面的問題：（1）特厚煤層頂煤冒放性分析。在傳統頂煤冒放性分類的基礎上，重點關注了放煤工藝、頂煤來壓特征的影響。（2）工作面合理機采高度的確定（見圖4）。從不同機采高度的頂煤回收率、煤壁片幫程度、工作阻力確定、回采工藝配合等方面進行個綜合分析研究。（3）提高回采率技術措施。通過研究頂煤冒放規律，分析頂煤塊度（見圖5）、放煤工藝、設備參數等對頂煤翻出率的影響，從設備、工藝、管理等方面提出了保證頂煤回收率的技術措施。

圖4 煤壁水平位移量對比曲線

圖5 不同塊度頂煤首末放出以及首放矸石速度時間

第三，提出了千萬噸礦井群工作面裝備系列型譜。采煤裝備體系建設的重要任務之一是研究建立采煤設備型譜。設備型譜：是設備采購規劃的核心內容，是用最少數目的不同規格設備構成的、列出企業已有的和將來要采購的全部設備并能滿足可預見到全部使用要求的設備系列。它是設備通用性和系列化兩種標準形式的結合與發展。就一種設備而言，其通用性是有限的，只能滿足一定范圍、一定條件下的使用要求。為了擴大某一類設備的適用范圍，就必須增加該類設備的規格品種構成設備系列。但是設備的規格品種又不可能無限制的擴展，就需要經過分析、比較和篩選，使其達到的規格品種最簡最優。以液壓支架為例給出了千萬噸礦井群支架型譜（見表2）

最后，提出以煤炭開采為核心、以安全生產為前提、以環境保護為制約、以協調管理為手段、滿足資源--人--環境--效益協調可持續開發、通過調整產業結構、大力推廣應用循環經濟的礦井群建設方案，有效解決了礦區優質資源開發可持續性差、礦井安全高效開采形勢嚴峻、礦區資源開發與生態環境保護不同步、煤炭技術經濟效益差等突出的問題。

2 智能化綜放技術創新

2.1 智能化綜采放頂煤技術特征

依據綜采工作面成套裝備控制系統在感知、決策和執行三要素方面的水平，智能化綜采放頂煤工作面，是指綜采放頂煤工作面采用了具有充分全面的感知、自學習和決策、自動執行功能的液壓支架、采煤機、刮板輸送機等機電一體化成套裝備和遠程智能化綜合控制系統，實現了工作面的智能遠程監控、安全高效開采。智能化綜采放頂煤工作面主要技術特征是:①液壓支架智能控制，液壓支架以電液控制系統為基礎，同時，具有支架與圍巖耦合監測控制、超前壓力預報、初撐和移架狀態自決策控制、姿態監測與智能決策控制、煤幫智能決策控制、記憶時序控制放煤、智能噴霧降塵控制等功能；②采煤機智能控制，采煤機具有位置監測精確定位、自學習智能軌跡規劃、基于智能決策或煤巖識別的滾筒自動調高、自動記憶割煤、防碰撞安全避險、故障自診斷等功能，并具有基于產量需求、輸送機設備負荷、工作面環境等信息的智能決策調速、采高自動控制、遠程可視化控制等功能；③工作面運輸設備具有電氣軟啟動、負載及運行狀態監測、系統運行參數在線監測、機尾自動張緊、故障診斷及與工作面控制系統的通信和自動控制功能；④工作面智能控制系統能實現工作面設備間的信息通信、自學習和智能決策遠程控制與工作面人工干預協同控制等[5]。

表2 同煤集團千萬噸礦井群型譜設備放頂煤液壓支架基本參數列表

2.2 建立智能放煤決策系統

智能放煤決策系統是智能化綜采房頂煤實現的核心環節。首先，對現場人工放煤進行大量測試，匯集人員、機器、環境等多方面的信息數據，包括對放煤時間、放煤輪數、放煤口數量以及人工放煤軌跡的測試，還包括對刮板機運行特性與承載能力的測試，進行礦壓規律及頂煤運移規律分析研究，通過測試，掌握了現有綜放面采放工藝、放煤模式、放煤經驗、設備運行特性等。

其次，在現場測試的基礎上，通過對各類信息的收集、篩選、分類、處理，建立了多源信息數據庫，并根據各類信息之間的時空關系、邏輯流程，搭建了智能放煤工藝執行流程（見圖6）。

圖6 智能放煤流程搭建

最終，根據智能放煤工藝執行流程，設計了分段多窗口時序控制放煤程序。基于三維地理信息系統的數據，實時獲取放煤口位置對應的煤層地理信息，結合實時礦壓數據、采煤機位置信息、合理確定不同放煤口的開啟順順序和開啟時間（見圖7）。

圖7 智能放煤決策模型

智能放煤決策模型解決何時何地放多少煤的問題，相當于放煤系統的指揮中樞。

2.3 建立基于多傳感器融合的智能放煤控制系統

同煤集團根據自身煤層地質條件，千萬噸礦井群建設均采用四柱支撐掩護式放頂煤液壓支架，其很好的適應了同煤礦區特厚煤層開采壓力大、頂煤放出量大的特點。在放煤過程中，出現頂煤架前冒落、煤壁片幫等，需要采取措施控制支架姿態，調整放煤時間和頻率。

首先開發了四柱放頂煤液壓支架姿態控制技術，基于支架-頂煤作用關系，根據其穩定性要求和安全防護要求，通過開發高可靠性、微功耗、無線角度傳感器、壓力傳感器監測支架頂-掩-尾角度、高度，結合壓力監測，得出各主要結構件間的扭曲度，實時掌握工作面每架液壓支架的整體傾斜和仰俯角度，通過對整個工作面支架姿態的檢測，可以根據數據的累計統計和實時檢測得出當前姿態的變化情況，通過調整液壓支架立柱和平衡千斤頂對液壓支架的姿態進行調整，實現頂梁和頂板大面積的支護、防止結構件損壞、預防倒架、咬架，通過自動調整使液壓支架始終處于良好姿態，實現了支架姿態和圍巖的最佳耦合關系[11～13]。

尤其在放煤前后及放煤過程中，支架圍巖相互作用力變化劇烈，分析判別四柱支架受力狀態、放煤狀態、角度狀態，從而通過電液控系統進行調整反饋，使支架在整體放煤過程中處于正常工況（見圖8）。

圖8 四柱放頂煤支架姿態控制系統

通過行程傳感器、角度傳感器控制液壓支架尾梁、插板千斤頂的工作狀態，精準控制放煤口開啟的大小和數量，實現放煤量的智能調節與控制，保證回收率和減低含矸率（見圖9）。

圖9 放煤機構精準控制

放煤控制系統，解決如何準確執行放煤指令的問題，相當于放煤系統的執行機構。2.4采放運一體化協同控制技術

首先，就整個綜放系統來講，開發了三級協同控制技術，從一級的采煤機控制系統、供電系統、電液控系統、運輸機控制系統、泵站控制系統、視頻監控系統到二級的順槽監測、集控系統，再到三級的調度室調度指揮中心，從而實現對綜放工作面設備的協調管理與集中控制。

其次，就采煤與放煤來說，依據運輸系統的負荷感知信息，在監控中心開發了煤流負荷均衡控制系統，根據運輸設備的運輸能力，實時調整割煤速度、放煤口數量、放煤口大小、放煤時間等參數，實現采煤、放煤、運能的自適應協同。（見圖10）

圖10 采放運煤流控制系統

基于千兆工業以太環網，采用先進統一的自動化控制網絡平臺、智能網管型環網交換機，利用環網冗余技術,保證在0.3秒快速恢復環網系統,提高了礦井自動化系統的可靠性。實現綜放工作面遠程控制，達到井上下實時監控，實現了井上一鍵啟停。

2.5 、安全監控及信息化建設

同忻礦建成了以千兆交換機為骨干的井下和地面兩個千兆環網，并將井上下監測監控子系統全部集成，基于“同網、同纜、同芯”傳輸技術，實現了數據、音頻、視頻的“三網合一”。

其主要組成部分包括：（1）基礎網絡平臺，通過寬帶光纖環網和現場總線以及商用數據庫、多媒體數據庫和實時數據庫實現信息的采集、傳輸、儲存、分析、決策、控制、發布和查詢；（2）礦山數據倉庫，實現從散亂數據到規范化的數據集成，建立規范的數據庫結構，消除礦山“信息孤島”和數據冗余，實現面向各種引用的快速檢索和轉送，實時數據庫必須實現各種事件的主動觸發并保證時效性；（3）礦山工業自動化系統，包括井下皮帶監控系統、礦山供電監控系統、礦井排水監控系統、主扇風機房監測系統、壓風機房監測系統等，通過系統集成平臺可以有效協同數據倉庫、監測監控系統、安全管理系統、生產系統和調度系統，實現自動控制和遠程控制，達到真正的管控一體化；（4）安全生產監測監控系統，包括有線通訊、無線移動通訊系統、礦井人員定位和井下移動設備定位系統、視頻監控系統、安全生產環境監測系統、水文監控系統、礦壓監測系統、火災監控系統、降雨量監測系統、地表巖移監測系統，通過它們向數據倉庫、安全管理、調度系統等提供實時信息，供決策支持系統使用；（5）三維地理信息與可視化集成平臺，基于統一的三維空間和時間坐標，將礦山中的所有信息可視化后，配置完整的屬性信息，建立真三維礦山地理信息模型，再利用GPS-GIS-RS技術和各種勘察、測量、采集手段獲取動態信息對模型和屬性進行實時修正，形成完整的三維時態地理信息系統、井上井下所有對象的透明管理和虛擬現實系統仿真；（6）安全風險預控管理系統，借助先進的三維地理信息系統，實現地面地下所有對象的隱患風險透明管理，大幅度地提高抗災能力和生產效率，在精細的風險管控體系下，以嚴格規范的管理、完善實用的方法、先進科學的技術真正實現人員無失誤、設備無故障、系統無缺陷、管理無漏洞的人、機、環境和管理高度融合的礦井風險預控管理目標；（7）生產技術管理系統，主要包括地測地理信息系統、采礦協同設計系統、智能化通防系統、輸配電地理信息系統、工業管網地理信息系統、機電設備管理系統等，完善生產技術管理系統有利于提高生產管理水平和生產效率；（8）調度指揮系統，實現安全監測監控、工業自動化、生產技術管理、以及安全風險管理強大集成，具備強大的決策分析、故障診斷功能和災變時期快速反應能力。

通過礦井信息化建設和安全監控聯動，將綜采放頂煤智能化系統并入礦井整體管理系統。

3 智能化綜放效果及研發方向

智能化綜放技術還有許多關鍵技術需要進一步提高。

3.1 放煤過程煤矸識別

目前已有了20余種煤巖分界傳感機理和系統,有天然γ射線、振動頻譜傳感系統，測力截齒、同位素、噪聲、紅外線、紫外線、超聲波、無線電波、雷達探測等，由于井下煤層和圍巖條件十分復雜，難以準確、可靠地判斷煤巖分界，都未成功地應用于實際。由于在頂煤放落過程中產生的聲波信號屬于非平穩信號，而且信號類型復雜、頻譜重疊，很難確定其所包含的信號成分的類型。需要研究煤巖界面數據的信號處理技術，進行煤巖數據的信號調理，去除信號噪聲，為煤巖界面模型計算提供可用的數據。選取先進合理的技術對信號進行特征提取，完成從模式空間到特征空間的轉換，為數據融合提供可靠而準確的特征級數據。

煤矸識別傳感器是實現智能放煤的關鍵部件。其在實驗室的工作性能基本能夠通過測試，缺點在于現場使用過程中的可靠性和分辨率減低過多。研制現場使用、的工作可靠、有一定分辨率的煤巖分界識別傳感器是智能放煤的主要工作內容之一。

使用神經網絡、模式識別等技術，建立數學模型進行煤巖界面的數據分析，采用多傳感器信息融合技術，進行計算模型的數據融合、模型融合和決策融合，最終實現綜采放頂煤工作面的煤巖識別。

由于每種傳感器都有其特定的適用范圍和精度，因此不可避免具有局限性。綜放工作面在放煤過程中將不同來源、不同模式、不同媒質、不同時間、不同表示形式的信息加以有機組合，最后得到放煤的含矸量。基于多傳感器信息融合的煤巖分界技術，避免了單傳感器工作的局限性，使識別系統更可靠。數據融合作為一門跨學科的綜合信息處理技術，能夠對煤巖界面狀態識別的提供理論支撐和技術保障。最后，針對煤巖界面識別的具體問題，選取符合放頂煤工藝的融合算法。

3.2 智能放煤控制機制及系統可靠性

智能放煤控制主要包括兩方面的內容，放煤工藝和放煤時間。放煤工藝解決如何放煤的問題，要求保證高回收率和提高放煤效率；放煤時間解決何時停止放煤和降低含矸率、提高煤質的問題。

目前放煤工藝的智能化主要是通過人工經驗或理論分析進行決策。實際開采中需要隨時判斷頂煤的運移規律、裂隙發育程度、塊度形成和變化軌跡，進行判別并影響決策。

放煤口何時關閉的智能決策也可以通過模糊決策，智能識別等多方案進行統籌解決。

整體智能放煤的機制和系統要根據不同的煤層地質條件、工作面條件、礦井生產條件進行智能條件，其對系統的可靠性和適應性提出了更高的要求。

3.3 采放協調智能控制系統自學習能力

目前的煤流控制系統，具備根據煤流調整采煤機速度和放煤速度的功能，但對于前后刮板輸送機的煤流監測不夠精確，對于采放的協同控制存在一定的滯后。只有通過對前后部刮板輸送機的煤流精確監測、對煤機速度、刮板式鏈速、放煤量、頂煤存量、放煤速度等進行統一的控制才能保證工作面采放的真正協調。

不同的條件，系統的設定很難統一，只有通過智能系統的自學習能力，系統的不斷迭代，才能實現工作面智能高效回采。

3.4 端頭及過渡段放煤及智能控制

綜放工作面的端頭和過渡段放煤是放頂煤開采的難點，對工作面安全生產、提高回收率意義重大。

通過采用放頂煤工作面交叉側卸、整體端頭支架結構形式，可以實現工作面過渡段和端頭段的放煤。智能放煤過程中，對端頭段、過渡段的放煤工藝設計、智能控制目前尚屬空白。需要進一步進行研究。

[1]王國法，吳興利，龐義輝．千萬噸礦井群安全高效可持續開發關鍵技術 [J]．煤炭工程，2015.47（10）:1～4，8．

[2]劉俊峰．綜放工作面加長對支護強度影響分析[J]．煤礦開采2010.15（6），29～31.

[3]王國法，劉俊峰，任懷偉．大采高放頂煤液壓支架圍巖耦合三維動態優化設計[J]．煤炭學報．2011.36（1），145～151.

[4]王國法.煤礦綜采自動化成套技術與裝備創新和發展[J].煤炭科學技術,2013,41(11):1～5.

[5]龐義輝，劉新華，馬英．千萬噸礦井群綜放智能化開采設備關鍵技術 [J]．煤炭科學技術，2015，43（8）：97～101．

[6]王國法，龐義輝，劉俊峰．特厚煤層大采高綜放開采機采高度的確定與影響[J]．煤炭學報．2012.37（11），1777～1782.

[7]孟二存．塔山煤礦綜放工作面設備配套及巷道尺寸確定[J]．煤礦開采，2008,13（3）：67-68．

[8]于斌，夏洪春，孟祥斌.特厚煤層綜放開采頂煤成拱機理及除拱對策[J]．煤炭學報，2016，41（7），1617～1623．

[9]于斌，朱帝杰，陳忠輝．基于隨機介質理論的綜放開采頂煤放出規律 [J]．煤炭學報，2017，42（6），1366～1371．

[10]王國法．綜采自動化智能化無人化成套技術與裝備發展方向[J]．煤炭科學技術，2014，42（9），30～34，39．

[11]侯剛.互聯網+液壓支架智能耦合控制系統設計與實現［J］．煤礦開采，2017，22(1):105～108.

[12]王天中，劉大同.特厚煤層四柱支撐掩護式放頂煤支架電液控制技術［J］．煤礦機械2017，38（4），125～126.

[13]馬英．綜放工作面自動化放頂煤系統研究[J]．煤炭科學技術，2013,41(11):22～24．