綜采自動化智能無人化技術與應用

趙 軍

（大同煤礦集團同家梁礦安檢站，山西 大同 037003）

綜采自動化是指在煤礦采掘工程中的設備具有自動化控制和智能化操作功能，可以減少工作面操作人員數量，甚至可實現無人化開采。目前，全世界只有CAT 、JOY和Eickhoff等知名企業可以生產比較高端的自動化采掘設備。我國只能通過進口設備來完成綜采自動化煤礦采掘工程。下面是同煤集團同忻煤礦8201工作面進行綜采自動化采掘工程的具體情況。

1 工程概況

1.1 地質狀況的剖析

對8201工作面的位置、相鄰及井上下關系、煤層頂底板地質構造、水文地質、瓦斯及其他影響回采因素、工作面儲量及服務年限做了詳細的勘察、計算和剖析，儲量具體情況如表1。

1.2 采空區積水情況

8201工作面上覆有同家梁礦、永定莊礦侏羅系大同組煤層采空區，其中工作面736m對應上覆有同家梁礦404盤區采空區，736m至切眼上覆有永定莊礦309、402盤區采空區。工作面內石炭系3～5#層與上覆侏羅系14#層層間距135.6～176.0m。針對上覆采空區情況，施工了17個井下探放水孔，其中5201巷施工5個孔，2201巷施工16個。見空鉆孔17個，出水鉆孔5個，共計疏放上覆老空區水1.5萬m3。

1.3 奧陶、寒武系灰巖承壓水情況

根據山西省煤炭地質115勘察院編制的《大同煤礦集團同忻礦礦井水文地質類型劃分報告》附圖“寒武-奧陶系灰巖頂界及水位等值線圖”，8201工作面奧陶系灰巖埋藏深度471.57（1106孔）～583.88m（1508孔），O1地層頂界標高719～741m，水位標高995～1011m，工作面全區帶壓。根據DT2孔抽水試驗，單位涌水量0.000932L/s·m。根據工作面周邊揭露奧灰鉆孔分析，奧灰含水層巖溶裂隙發育不均，富水性弱-中等。根據《煤礦防治水規定》附錄四中突水系數T=P/M計算，3～5#煤層突水系數0.023～0.057MPa/m，全區突水系數均小于0.06MP/m，為安全區。綜合論證，8201工作面具備安全開采條件。

表1 儲量計算參數表

2 采用的主要設備及其自動化控制

2.1 液壓支架

8201工作面選用由中央機場生產的128架液壓支架，其中中部支架的架型為四柱支撐掩護式正四連桿低位放頂煤支架，型號為ZF15000/27.5/42，數量為118架；過渡支架的架型為ZFG13000/27.5/42H型正四連桿過渡支架，數量為9架；端頭支架的架型為一組ZTZ20000/30/42放頂煤端頭支架，共采用2架。液壓支架采用液壓、電氣多渠道控制方法，可實現跟機移架、程控、鄰架和成組作業等多種自動運行方式。

2.2 采煤機

選用由Eickhoff公司生產的1715kW采煤機，其采高5240mm，臥底量370mm，牽引速度0～26.8m/min，牽引力0～869kN，截深800mm，完全符合8201工作面的使用條件，采用交流電牽引，變頻控制技術，有自動調高、自診故障、自動定位等自動化功能，還能夠完成對工作臺面和液壓支架的通訊和控制。

2.3 刮板運輸機

前后刮板運輸機都是由美國JOY公司生產的GXW74（Morley）運輸機，其運輸能力為3000t/h，裝載功率為2×1050kW，滿足8201工作面的生產要求，該運輸機具有皮帶自張緊、自診故障功能，還能夠完成對工作臺面的通訊和控制。

2.4 工作面自動控制系統

工作面自動控制系統是整個生產系統的控制中心，不僅要實時通訊和控制液壓支架、采煤機、運輸機等主要設備，還要對轉載機、破碎機、乳化液泵站以及其他輔助設備進行自動化控制，還能實現所有設備間的通信和人工干預調整等。

3 施工中面臨的問題及解決方案

（1）保證開采的連續性。經前期勘查，8201工作面煤層存在很大的不穩定性，夾有矸斷層，頂板易出現破碎現象，底板太軟，地壓的沖擊大，這些不確定因素都會造成工作面片幫、冒頂或輸送機跑偏、扎低以及液壓支架倒塌等狀況的發生，導致無法連續開采。井下作業環境的復雜性和受安全條件制約等多方面因素影響，是綜采自動化采收面臨難題之一，為防止此類事件的發生就要做好完善的準備調研工作，深入了解礦井信息，將一切不確定因素排除在計劃之外，以保證開采的連續性。

（2）設備種類繁多，相互信息傳遞存在一定難度。8201工作面系統龐大，各個元件之間關聯、配合復雜，所以對控制的準確性、順序性要求很高。設備檢測工作環境信息的能力有限，若設備不能構成閉環實時信息監控，不能獲取采掘工作中裝備突破巖層時的狀態，就很難完成設備配合的準確性和快速性；系統中高壓、高頻設備種類繁多，會產生很強的電磁干擾，對信號輸送影響很大，電纜隨設備運動產生位移和彎曲，也會對信號產生影響，所以造成了信號遠距離傳送困難；設備采購來自廠家不統一，設備間通訊協議和信號接口存在差異。為了解決這些問題，施工前必須做好信號調試工作，統一信號傳輸協議和電纜對接接口，施工中做好自動監控和人工干預工作，出現問題及時修正，保證施工的順利進行。

（3）雖然很多綜采設備都帶有自診故障功能，但自維修功能不完善。由于工況復雜，時常會引起設備的硬性損傷性故障，進口設備結構復雜，維修能力薄弱，設備損傷性故障會降低開采速度和開采效率。要想克服此類困難，必須使用業務能力較強的操作人員和維修人員，操作精準減少故障的發生，加強維修能力，減少維修時間，降低維修成本，間接提升采收速度和采收效率。

4 施工工藝

采煤機斜切進刀→割煤→移架→推前溜→放頂煤→拉后溜，此為一個正規循環，照此往復不斷割煤。采煤機采用雙向割煤法，從頭到尾或從尾到頭，采煤機沿牽引方向，升起前滾筒按設計采高割頂煤，后滾筒沿底板割底煤。

采煤機進刀采用在工作面兩端頭斜切割三角煤進刀法，其進刀工藝如下（詳見圖1）：

（1）采煤機割煤至頭部或尾部停機并拉回支架，反向牽引，同時調換兩滾筒上下位置，割掉端頭采煤機段底煤。

（2）采煤機后滾筒15m外溜子全部推移到位。

（3）采煤機割掉端頭段底煤后沿溜子彎曲段逐步斜切入煤壁，直至兩滾筒完全切入煤壁。

（4）將端頭溜子彎曲段全部推移到煤壁并移直，放頂煤，拉后部運輸機。

（5）采煤機再次反向牽引，同時對調兩滾筒上下位置，割掉機身段底煤和三角煤，采煤機割煤到端部。

（6）將采煤機再次反向牽引，來回2～3次，將三角段浮煤掃清之后，采煤機進入正常割煤至尾部或頭部。

圖1 斜切進刀方式示意圖

5 施工結果

（1）工作面長度：根據礦井盤區劃分及二盤區開采經驗，確定8201工作面傾向217.5m。8201工作面西部為盤區三條大巷故留設保護煤柱100m，確定工作面走向長度為2038m。

（2）采高：根據8201工作面采用SL-500型采煤機及ZF15000/27.5/42型低位放頂煤支架，綜合考慮支架高度確保工作面來壓期間立柱收縮后采煤機能夠正常通行，支架后擺梁上下擺動能夠滿足放頂煤要求以及采高對煤壁片幫的影響，確定工作面采高為3.9m。

（3）截深：8201工作面配套使用ZF15000/27.5/42型支架，推移千斤行程為0.96m，確定8201工作面截深為0.8m。

（4）綜放工作面放煤步距及停采前頂煤留設距離：根據二盤區已采工作面經驗確定，放煤步距為一刀一放，放煤步距為0.8m，初次放煤步距為20m，停采前不放煤的距離為30m。

（5）煤柱留設：8201工作面西部為盤區三條大巷故留設保護煤柱100m，北側為二盤區8202和8203采空區保護煤柱38m。

6 結語

完善和推廣綜采自動化開采系統，減少操作人員數量，提高生產效率和開采速度，是煤炭企業提高采收速度和采收率的重要方法。做好開采前的準備工作和工作面的信息調研，加強設備之間的通訊管理，提升操作人員和維修人員業務能力，使綜采自動化、智能化、少人化技術進一步發展，逐步解決技術難題，最終實現安全、智能、無人、高速開采。