峰峰集團薄煤層綜采自動化技術研究與應用實踐

張步勤 劉建立 呂樹澤

(冀中能源峰峰集團有限公司，河北省邯鄲市，056107)

1 概述

冀中能源峰峰集團地處河北省邯鄲市峰峰礦區，是以煤炭開采為主的國有大型企業，煤炭開采歷史悠久，目前本部現有11對礦井，2018年生產原煤1700萬t。峰峰礦區井田地質條件復雜，采深大、斷層多、水害、瓦斯突出等問題嚴重。近幾年，峰峰集團依靠科技進步，不斷探索和研究適合本地區的采掘機械化發展之路，在薄煤層開采技術研發和應用領域有了新突破，薄煤層綜采自動化、智能化技術一度達到了國內領先水平。

1.1 峰峰集團薄煤層綜采發展歷程

峰峰集團薄煤層資源儲量超過5000萬t，實際可采儲量逾3000萬t。自2004年，峰峰集團開始研究薄煤層綜采技術，2005年首先在新屯礦14459薄煤層工作面實際應用，之后在大淑村礦、大社礦、牛兒莊礦推廣應用。

2008年峰峰集團開始研究薄煤層綜采自動化技術，2009年上半年在辛安礦112上89工作面進行工業性試驗并取得成功，隨后在全集團公司推廣應用，2009年獲中國煤炭工業協會科學技術一等獎。

峰峰集團2011年就開始研究薄煤層綜采自動化遠程控制技術。2011年初首先在大力公司進行了工業性試驗。由于該礦薄煤層工作面條件復雜，頂板破碎、淋水嚴重，試驗被迫中斷；2011年10月在大社礦94702工作面進行試驗，并取得成功，實現了薄煤層工作面安全高效少人化開采，實現了歷史性突破，2013年獲中國煤炭工業協會科學技術二等獎。

1.2 峰峰集團薄煤層綜采裝備發展及應用

1.2.1 薄煤層綜采工作面設備配套及應用

采煤機選用MG456-WD型；支架選用ZY3000/08/19型(先導控制)；刮板輸送機選用SGZ730/264型，適用于煤厚1.3 m以上的較薄煤層。采煤隊平均在冊人員為98人，工作面單產3.6萬t，生產能力為35萬t/a左右，工效為10.7 t/工。

主要優點：以綜采替代高檔普采，提高了生產效率，降低工人勞動強度，改善了作業環境，實現了安全高效生產。該套裝備曾經在集團公司多個薄煤層工作面推廣應用。

主要問題：4#野青工作面煤厚1.1 m左右，且頂底板為石灰巖和粉砂巖，非常堅硬(f=12～14)，機組無法截割，經常發生支架被壓死事故，影響正常生產。

1.2.2薄煤層綜采自動化工作面配套設備及推廣應用

采煤機選用MG200/456-WD(或MG160/360-WD)型；支架選用ZY3300/07/13D型(電液控制)；刮板輸送機選用SGZ630/220型。采煤機遠距離遙控操作，支架自動跟機移動，成組推溜。該配套適用于煤厚1.2 m左右的薄煤層工作面開采，生產班共計5人作業，實現了少人值守，工作面單產3.6萬t，年產40萬t，工效達25 t/工。

1.2.3 薄煤層綜采自動化推廣應用情況

2008年初，峰峰集團開始在薄煤層綜采工作面研究應用電液控技術，并與天地瑪珂電液控制系統有限公司合作。2009年1月，首先在辛安礦112上89工作面進行工業性試驗，該工作面煤厚平均0.75 m，頂底板為炭質泥巖(f=4～6)，實際破巖0.5 m，采高保持在1.25 m，每天推進13 m左右，效果非常好。試驗成功后先后在大社礦、牛兒莊礦、新屯礦、大淑村礦推廣應用。

峰峰高瓦斯礦井中4#野青保護層普遍煤厚0.9～1.3 m，平均煤厚1.1 m，且頂底板堅硬，斷層多。隨著礦井開采深度加大，以前的裝備已不能完全適用于現有薄煤層工作面生產需要，急需升級換代。2017年，集團公司制定采煤裝備升級改造3年規劃，進一步優化三機配套，選用ZY4000/07/15D型兩柱掩護支架，配簡易電液控，成組操作，提高支架工作阻力，擴大支架使用范圍，統一型號；采煤機選用MG200/455-WD型，以提高機組截割功率，增強破巖能力；刮板輸送機選用SGZ630/400型，電機減速機垂直布置，便于割透三角煤，目前在大淑村礦、羊東礦推廣應用；

其中，九龍礦15449S薄煤層工作面(4#野青)，埋深達1000 m，煤厚平均1.0 m。支架工作阻力由原來的3500 kN升至6800 kN，選用ZY6800/08/15D型兩柱掩護支架，配簡易電液控，生產中炮崩破底0.5 m，礦壓大且出現底鼓，支架壓力表顯示最高達到80 MPa，來壓頻繁、持續時間長，經常造成壓架事故，正常情況下月進尺不到30 m。此種復雜條件嚴重制約了綜采自動化技術的有效發揮，亟需應用先進的電液控制技術。

總之，目前電液自動控制技術是峰峰集團推廣應用最廣泛、最適宜的技術。通過優化設計，在煤厚1.2 m左右的薄煤層工作面實現了少人作業，實現了礦井安全高效生產。

2 智能綜采自動化薄煤層工作面技術研究及應用實踐

薄煤層智能綜采自動化技術由峰峰集團和天地瑪珂電液控制系統有限公司合作研究，于2011年12月在大社礦94702作面投入使用，該工作面煤厚平均1.3 m，賦存條件較好，生產單班3人作業，實現了薄煤工作面少人值守，工作面單產達10萬t以上，工作面效率達33.4 t/工，使得薄煤層綜采實現了遠程自動化控制、工作面少人值守，為峰峰集團薄煤層綜采工作面實現無人值守遠程自動化開采積累了寶貴經驗。

2.1 智能薄煤層綜采自動化工作面設備配套

采煤機選用MG160/360-WD型；支架選用ZY3300/07/13D型(電液控制)；刮板輸送機選用SGZ630/220型。采煤機遠程或遠距離遙控操作，支架自動跟機移動，成組推溜。經優化設計后，三機配套參數見表1。

表1 三機配套參數

2.2 薄煤層綜采工作面遠程控制自動化關鍵技術

薄煤層綜采工作面遠程監控系統，主要采用先進的數字化控制技術，建立薄煤層綜采工作面遠程監控系統平臺，自動完成割煤、推溜、移架、裝煤、拖纜和運輸等生產流程，對關鍵設備和工況進行實時監控、對三機運行參數協調匹配、對三機故障保護和聯動，實現薄煤層綜采工作面無人化開采，確保井下生產高產、高效和安全生產。

(1)采煤機自動控制系統。采煤機作為工作面的核心設備，現在普遍具備交流變頻電牽引、系統參數顯示、參數記憶、負載保護和一定的故障診斷等基本的智能功能；在此基礎上對采煤機技術進行改造，增加煤巖識別、位置檢測和遠程控制和監測等功能。

(2)液壓支架電液控系統。電液控系統是工作面的關鍵控制環節。液壓支架電液控技術采用天地瑪珂電液控制系統有限公司公司PM32液壓支架電液控制系統，具有成組控制、鄰架控制和遠程控制等功能。

(3)刮板輸送機自動控制。實時檢測刮板輸送機鏈條張力、負載狀態，配合自動化控制中心實現負載匹配、主動過載保護和故障保護等功能。

(4)工作面視頻監視系統。采用支架內嵌式攝像機和LED照明，盡可能減少薄煤層作業空間的占用，解決工作面高質量圖像傳輸和線纜保護等問題，實現全煤壁連續監視和設備工況的實時監視。采用超低照度成像技術，實現工作面全長煤壁側無盲區視頻監控，對生產現場工況進行隨時瞭望和異常查看。工作面視頻監視系統如圖1所示。

(5)工作面自動化控制中心。采用工控機、組態軟件和數據接口等技術，對采煤機、支架電液控和刮板輸送機等設備上傳的數據進行處理，實現工作面關鍵設備的功能協調、參數匹配及故障保護連鎖控制等功能；對重要工況參數進行存儲，并建立數據庫便于后續分析和處理等。煤礦用隔爆型工業計算機基于X86構架，可以運行Windows XP或Linux系統，已經完全支持組態控制軟件，為靈活、方便地開發自動化集中控制系統提供了保障。

1-防爆LED燈；2-本安型攝像儀；3-防塵風罩；4-畫面分割切換器；5-隔爆型監視器圖1 視頻系統結構示意圖

(6)遠程操作臺。顯示設備運行參數，監視工作面工作狀況，人工調整及操作設備運行狀態。

2.3 主要研究成果

2.3.1 薄煤層綜采工作面實現無人化開采

建立工作面集中監控平臺，集采煤機自動化控制、液壓支架電液控制、低照度視頻監視、網路通信與數據通訊等系統為一體，確保各設備協調、連續、高效、安全運行，使工作面生產過程自動化、現場操作無人化,僅當設備檢修、維護時,工作人員才會到達工作面。

2.3.2 薄煤層采煤機實現自動化控制

運用采煤機記憶截割、自主定位、移動通訊和遠程監控等技術，設計開發薄煤層采煤機滾筒自動調高、遠程通信與操作控制等功能，實現無人化工作面對采煤機的自動控制要求。

2.3.3 薄煤層綜采工作面全景動態視頻監視

組建完備的網絡視頻監視系統，遠程跟蹤監視支架各種動作、采煤機運行和辨識煤巖界限情況，為遠程控制采煤機和調整液壓支架提供視覺支持。

2.3.4 礦用攝像儀風幕式主動防塵

設計研發防塵風罩專利技術，利用壓縮空氣在鏡頭前形成氣幕屏障，直接隔離和阻斷粉塵，徹底避免煤塵對視頻攝像儀鏡頭的污染。

2.3.5 犁型裝煤裝置和電纜拖放裝置

設計采煤機煤巖裝載和刮板輸送機電纜收放裝置，改善了自動化運行效果，適應薄煤層無人化開采的需要。

2.4 經濟效益與社會效益

2.4.1 經濟效益

目前峰峰集團有7個礦井應用實施薄煤層綜采自動化技術，平均生產原煤210萬t/a，工作面單產最高達到10萬t，工效達到33 t/人，年實現經濟效益10億元以上。

2.4.2 社會效益

(1)改善了煤礦開采的安全現狀，工作面能夠無人或少人化生產，提高了安全生產本質化程度，促進了煤礦安全生產。

(2)采用先進的自動化控制技術，實現了采煤工作面生產過程的自動化和無人化，確保了安全、高效生產。

(3)保證了礦井正常銜接，提高了煤炭回收率，延長了礦井壽命。

2.5 項目的應用推廣價值

薄煤層綜采自動化技術的應用將對提升綜采設備自動化控制水平、提高煤炭采掘生產效率、實現高效無人化開采提供了新的有效途徑，對保障安全生產、改善作業環境，由勞動密集型向技術密集型轉變、促進煤炭資源開發的可持續發展具有重大的現實意義和長遠的戰略意義。

3 峰峰集團薄煤層智能化開采遇到的問題及解決方案探索

針對薄煤層綜采自動化中存在的問題，峰峰集團投入大量人力和資金，做了很多研究工作。在復雜地質條件下采煤工藝研究、工作面直線度控制、采煤機無線控制、采煤機電纜管路管理、工作面乳化泵站自動控制、工作面虛擬現實顯示、煤流集中控制等問題做了探索和研究，取得了一些成果，同時有些問題還亟待解決。

3.1 復雜地質條件下采煤機工藝研究

峰峰集團大部分礦井為了釋放中厚煤層地應力開采薄煤層，煤層厚度1～1.3 m，傾角15°左右，頂底板硬度大，斷層多，過斷層截割難度大，采煤機震動嚴重，設備故障率高，放炮松動更易造成設備損壞。

3.2 工作面直線精度控制

在大社礦自動化開采實踐過程中發現，工作面刮板輸送機與支架通過推移油缸位移傳感器檢測相對位置，只能保證刮板輸送機與支架之間的相對位置且精度不高，不能保證工作面直線度。工作面直線度控制不好，智能化開采就無法實現，必須人為參與控制。工作面刮板輸送機直線度控制是自動化、智能化開采的瓶頸之一。

3.3 采煤機無線控制技術

在煤層較薄、放炮多、電纜彎曲半徑小的工作面，采煤機控制信號通過有線傳輸，故障率極高，是實現工作面自動化的一個難題。采用載波通信受電網波動、變頻干擾，可靠性不高；采用WiFi通信，受金屬及空間影響控制距離有限、基站漫游時間長、容易出現控制數據丟包，并且控制輸出響應時間較長，不適用于系統控制。

峰峰集團正在探索使用泄漏通信技術，特制工作面采用高強度泄漏電纜，通過泄漏通信技術，解決基站漫游、無線通信距離受限、控制響應時間長的問題，解決采煤機自動控制通信問題。

3.4 采煤機電纜管路管理

薄煤層工作面高度受限，采煤機電纜管理是難題。峰峰集團與大連海事大學共同研究采煤機卷纜裝置。通過采煤機在工作面相對位置，變頻控制系統通過計算采煤機的距離，收放卷纜裝置，解決采煤機拖纜問題，避免電纜被擠的問題。

3.5 工作面乳化泵站自動控制

峰峰集團與浙江中煤機械科技有限公司合作開發了乳化泵站智能控制系統。乳化泵控制系統根據電液控制系統中液控閥操作指令和系統壓力雙重反饋，判斷工作面是否有用液需求，實現乳化泵站自動開停。該系統與凈水反滲透儲量裝置、乳化液自動配比裝系統聯合使用，實現乳化泵站高效、可靠運行，智能控制、無人值守。

3.6 工作面虛擬現實顯示

工作面截割過程中，粉塵較大，普通攝像頭無法看清滾筒位置。通過增強現實、虛擬現實顯示等技術，實現掘進工作面虛擬現實可視化，利用紅外技術識別截割發熱的截割部，融合到虛擬現實可視化圖像中，解決高粉塵環境監視問題。

3.7 煤流集中控制

針對后路帶式輸送機，近幾年峰峰集團推廣應用永磁電動滾筒+螺旋自清煤滾筒，減少傳動環節、減少故障點、避免因機頭機尾滾筒沾煤造成皮帶跑偏，加強皮帶機道管理，實現帶式輸送機無故障運行。結合帶式輸送機遠程集中控制系統，實現煤流后路運輸無人化。

4 總結

薄煤層綜采自動化、智能化技術研究應用，使薄煤層開采裝備技術達到國內領先水平，基本實現工作面無人(或少人)開采，為實現礦井本質安全高效生產，提高資源回收率探索出一條有效途徑。目前薄煤層綜采自動化裝備已在峰峰集團全面推廣應用，并取得了良好的經濟效益和社會效益，薄煤層綜采自動化技術值得在全國范圍內推廣應用。