基于滾筒采煤機薄煤層自動化開采技術分析

劉劍強

（山西平舒煤業有限公司， 山西 晉中 045400）

引言

我國薄煤層煤炭儲量較高，但產量偏低，主要是薄煤層綜采機械研制難度比較高，自動化水平低，導致煤炭企業生產效率和經濟效益低下。要想改善這一現狀，薄煤層自動化開采、裝備尺寸與功率、裝煤效果、高可靠性與適應性是需要著重考慮的問題[1]。

1 薄煤層工作面自動化開采系統的原理分析

1.1 薄煤層自動化控制系統

對于薄煤層自動化控制系統而言，巷道集控中心是整體研發的關鍵所在，通過集控中心進行遠程監控，煤層工作面內不留工作人員值守，自動化實現雙向割煤，從而在自動化控制模式下進行薄煤層工作面的開采作業。從結構組成來看，薄煤層自動化控制系統分為三大子系統，分別為采煤機自控系統、液壓支架控制系統以及刮板輸送機控制系統，如圖1所示。通過圖1可知，薄煤層工作面開采所用集控系統主要通過設備運行工況監測、“三機”聯動控制以及電液控制等方式進行遠程控制。

圖1 薄煤層自動化控制系統構成示意圖

在該自動化控制系統中，采煤機子系統模塊需要實現諸多功能，主要包括自動截割采高記憶聯想模式自我控制與修正、消除通信系統和系統總線受變頻器以及高壓動力的干擾、通信模塊安全隔離以及動態參數補償關鍵技術等等。在采煤作業面中部，煤炭開采在記憶截割模式下實現自動化目標，如果煤層厚度發生變化，自動截割采高記憶聯想模式下可通過自修正控制模型進行相應調整，保障自動化開采的精確性。倘若出現斷層等一些異常地質構造，控制人員可通過遠程人工干預調整薄煤層工作面自動化開采系統，以免自動截割操作出現失誤。此外，開采過程中上下端頭可能存在自動化開采難題，其解決方案主要是將機頭部分、機尾部分和跟機過程分為三個環節，每一環節都以關鍵點為標識，對機頭、機尾以及跟機移架實施自動控制，使之自動斜切入三角煤層，然后返刀并且清理底板浮煤，保障端頭部位自動化開采操作順利進行[2]。

1.2 液壓支架控制系統

液壓支架電液控制系統構成部分主要包括巷道集控中心電液控制單元以及遠程數據傳輸控制單元兩個部分，如下頁圖2所示。其中電液控制系統通常分為兩種設計模式，一種為“一控一”，另一種為“一控三”。“一控一”模式下每臺液壓支架都各自對應一臺支架控制器，而“一控三”模式下每一臺支架控制器對應三臺液壓支架，很顯然后者屬于比較經濟的一種配置模式。每個支架上電液換向閥組的配置數量通常為8～10個，控制動作分為刮板輸送機的推移、立柱升降、側護板伸縮、拉架以及平衡千斤頂的伸縮等等。此外還可結合實際需要額外加設伸縮梁[3]。

采煤機上配備位置檢測裝置以及紅外發射器，支架上配備有紅外接收傳感器，后者負責向支架控制器發送采煤機位置數據。支架控制器通過紅外信息傳輸的支持發出支架降架以及刮板輸送機推移等指令控制動作，液壓支架在此情況下實現自動跟機移架操作。通過采煤機、電液控制系統聯動跟機移架，整個開采工作面實現自動化控制[4]。

圖2 液壓支架電液控制系統構成示意圖

1.3 刮板輸送機自控系統

在薄煤層開采自控系統中，刮板輸送機子系統模塊主要功能是向巷道控制中心以及支架控制器傳遞關于運量、位置以及阻力等信息數據，如果存在煤量超標以及負荷過載問題，系統將會對采煤機割煤速度進行調整，同時調節支架跟機移架速度，以此來發揮刮板輸送機子系統的自控功能。與此同時，刮板輸送機上增加了中部槽自動調斜設備，可對刮板輸送機高度和姿態做出相應調節，以增強鏟裝效果，也可以避免中部槽不平整。

2 薄煤層工作面難題和解決方案

2.1 裝煤效果較差的解決方案

考慮到滾筒螺旋葉片相對有限的尺寸，滾筒采煤機在薄煤層工作面的裝煤效果較差。要想確保薄煤層開采作業的安全與高效性，首先要加強采煤機裝煤效果。現階段針對薄煤層工作面開采時自動裝煤難題的解決方法如下：一是引入雙向式高效裝煤裝置。將犁板(帶有螺旋角)加裝在采煤機搖臂下方，根據金屬和煤層摩擦角大小來合理設定采煤機前進方向和犁型裝置之間的夾角。在犁型裝煤裝置的協助下，加上滾筒截割煤層時產生的拋射效應，裝煤效果明顯提升。二是引入分段多輪推移刮板輸送機自動調斜控制設備。加裝中部槽自動調斜控制設備后，刮板輸送機固有鏟裝效果得到增強，其主要是通過調斜千斤頂對刮板輸送機高度和姿態實施控制。有文獻報道稱引入該裝置后滾筒采煤機裝煤效果提升量超過30%[5]。

2.2 綜采設備的尺寸和功率存在矛盾的解決方案

薄煤層內作業空間相對有限，所以薄煤層開采中各類綜采設備的尺寸和功率之間存在比較明顯的矛盾，這是設計研制綜采設備需要克服的一個重要難題。以液壓支架為例，可研發超大伸縮比、單進回液口雙伸縮立柱以及板式新結構的智能型支架，該支架對進回液原理以及立柱結構做了相應的改變，選擇活柱無上腔外進液口以及大弧度缸底的設計結構形式，立柱伸縮比進一步提升，有效解決了液壓支架阻力決定的最小高度下限問題，支架高度最低可降至0.45 m。以緊湊型插裝式多功能電液控制閥為基礎所研發的液壓支架電控系統，該系統下電液控制閥外形尺寸以及體積參數得到最優化控制，較常規液壓支架電控系統更有優勢，在薄煤層開采作業中應用更為廣泛。在刮板輸送機方面，以緊湊型扁平鏈以及鑄焊結構中部槽為主，既可保證結構強度，又可將槽幫高度從原來的250 mm降至150 mm。在滾筒采煤機設計中，以平行布設方式布置雙截割電動機，以縱橫布設的方式布置牽引電機和截割電機，保證了大功率以及矮機身的設計要求，機面高度大大降低，符合薄煤層開采作業需求。

2.3 低照度環境下防塵視頻監測設備防污染的改良

支架攝像頭實時采集綜采裝備信息，并將其傳輸至巷道控制中心，但是考慮到綜采面工作環境較為特殊，粉塵污染比較嚴重，所以低照度環境下保護防塵視頻監測設備不受污染也是當前需要著重考慮的一環。目前所采用的方案主要是為攝像鏡頭配備防塵風罩，并在風罩內部設計特殊風道，風流經過該風道后引起渦流負壓風幕，進而將鏡頭表面塵霧吸除，效果比較理想，結構示意如圖3所示[6]。

圖3 防塵風罩結構示意圖

3 結語

與普通中厚煤層和厚煤層相比，薄煤層綜采設備研制難度比較高，以改變立柱結構、提高裝煤效果、改變進回液原理、視頻監測設備防塵保護為主的一系列改善措施有效解決了薄煤層自動化開采中的相關問題。相信隨著煤礦機械設計與研發技術的不斷進步，基于滾筒采煤機的薄煤層自動化開采系統將會更趨于完善，穩定性與可靠性也將不斷提升。