唐口煤礦智能化放頂煤工作面升級改造技術研究

山東唐口煤業有限公司 山東濟寧 272005

智能化開采是煤礦安全高效開采的發展方向與必然趨勢[1]。隨著煤炭開采技術的發展與進步，工作面智能化開采技術已進入大規模推廣應用階段。為了加快推動智能化開采技術的應用步伐，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，將煤炭智能化開采列為重點研究方向；山東省要求全省沖擊地壓礦井采掘工作面必須在 2019 年底實現智能化。唐口煤礦于 2018 年底開始智能化工作面設備升級改造工作布置，將 6308 工作面作為首個智能化工作面，對現有的采煤機、液壓支架、刮板輸送機、轉載機、供液系統等綜機裝備進行升級改造，要求采煤機具有記憶截割功能，液壓支架采用電液控制系統，工作面配套自動化控制系統。通過升級改造，將人工手動操作工作面改造為智能化放頂煤工作面，改造的內容及相關經驗可供類似條件礦區參考。

1 煤層地質條件

唐口煤礦 630 采區埋深為 687～1 105 m，采區南北長 1.8～3.5 km，東西寬 0.7～2.7 km，面積約 6.7 km2，儲量為 5 142.9 萬 t。采區共布置 10 個綜放工作面，6301、6302 工作面斜長約 150 m，6303～6310 工作面斜長約 200 m。為了避免孤島開采，將 6308 工作面作為首采面。

采區主采 3 (3上)煤層，煤層平均厚約 7.51 m，合并區平均厚 9.3 m。采區煤層傾角為 2°～9°。煤層直接頂為泥巖，平均厚 3.68 m，抗壓強度平均約為 30 MPa，屬不穩定頂板。基本頂為中砂巖，平均厚 8.47 m，抗壓強度平均約為 50 MPa，屬較穩定基本頂。直接底為泥巖，平均厚 2.13 m，抗壓強度平均為 30 MPa，屬不穩定底板；基本底為細砂巖，平均厚 13.2 m，抗壓強度平均約為 50 MPa，屬較穩定底板。

2 智能化工作面升級改造主要內容

2.1 工作面配套設備

6308 工作面長度為 182 m，采用 ZF15600/24/45G型大采高放頂煤液壓支架進行放頂煤開采。工作面共布置 102 架 ZF15600/24/45G 放頂煤中部支架、6 架ZFG16000/24/43H 型過渡支架，配套 MG750/1800-WD 電牽引滾筒式采煤機、SGZ1000/2×1000 前后部刮板輸送機和 SZZ1200/525 型轉載機。配套設備主要型號與參數如表 1 所列，工作面“三機”配套如圖 1所示。

表1 工作面設備選型Tab.1 Model selection of equipments on working face

2.2 智能化工作面升級改造

2.2.1 工作面自動化控制系統

圖1 工作面“三機”配套Fig.1 Matching of three kinds of equipment on working face

唐口煤礦要實現“工作面自動控制為主，監控中心遠程干預控制為輔”的自動化生產模式，達到“無人操作，有人巡視”的智能化生產目的。要實現工作面智能化開采，必須建設工作面井下監控中心。井下監控中心是整個工作面協調控制的大腦，主要由礦用隔爆兼本安型監控主機、礦用本安型顯示器和礦用本安型操作臺、交換機、電源等設備組成，如圖 2 所示。井下監控中心具有一鍵啟停功能，同時具備對采煤機、液壓支架、工作面運輸設備、泵站系統、帶式輸送機等設備工況監測與遠程控制功能。工作面液壓支架、采煤機、刮板輸送機、轉載機的視頻信息和監控信號均通過工作面工業以太網傳到井下監控中心，在監控中心實現遠程操作。為了保證視頻圖像和控制信號的實時傳輸，采用千兆光纖，傳輸速率應不低于100 Mb/s。

圖2 井下監控中心Fig.2 Underground monitoring center

2.2.2 工作面視頻系統

由于目前煤巖識別技術還不成熟，工作面智能化開采主要通過視頻遠程監控，實現工作面“無人操作，有人巡視”的智能化開采。工作面視頻系統包括礦用本安型攝像儀、礦用本安型顯示器、礦用本安型操作臺、安裝電纜及附件等組成。

如圖 3 所示，工作面視頻通過工業以太網進行傳輸[2]。工作面視頻監控系統包括液壓支架視頻系統與采煤機視頻系統[3]。為節約成本，每 6 個支架配備 3臺礦用本安型攝像儀，安裝在液壓支架頂梁上，1 臺拍攝方向與工作面平行，其余 2 臺朝向煤壁。采煤機視頻系統具備對工作面煤壁的無死角覆蓋監控，視頻系統傳輸延遲不超過 500 ms。工作面視頻要求具備低照度、寬動態、強光抑制、紅外補光、水霧及煤塵穿透功能，云臺攝像儀云臺水平旋轉角度范圍不小于180°，光學變焦不小于 4 倍，最低像素不低于 1 080 P，水平廣角不低于 90°，同時具有跟隨采煤機自動切換視頻畫面的功能，以實現實時監控。

圖3 工作面視頻系統Fig.3 Video surveillance system on working face

在井下監控中心配備 2 臺礦用本安型顯示器，進行工作面視頻顯示，跟隨采煤機自動切換視頻圖像。為了更好地監測，在刮板運輸機機頭和機尾、轉載點、帶式輸送機機頭處各安裝 1 臺礦用本安型攝像儀，實時監控。

2.2.3 液壓支架改造

液壓支架液壓系統改造主要是將原手動操縱閥改為電液控制換向閥，將手動反沖洗過濾器改為自動反沖洗過濾器，同時增加控制器、電源箱、隔離耦合器、壓力傳感器、紅外接收器和綜合接收器等液壓系統電液控制元部件[4]。總體設計原則是盡量不改變現有液控單向鎖、雙向鎖、噴霧閥等輔閥及其安裝位置，以減小液壓系統改造工作量。在原手動操縱閥的安裝位置安裝電液控制換向閥，如圖 4 所示。由于該支架有 26 個操作功能，考慮到左右立柱之間空間有限，將其分為 20 功能和 6 功能 2 個電液控制換向閥。20 功能控制閥進行立柱升降、拉架推刮板輸送機、伸收側護板、底調、護幫、伸縮梁和抬底、前噴霧等支架主體部分動作，6 功能控制閥進行伸收尾梁、插板、拉帶式輸送機和后噴霧支架后部動作，具體布置如圖 5 所示。

圖4 操縱閥安裝示意Fig.4 Installation sketch of control valve

圖5 操縱閥布置Fig.5 Layout of control valve

液壓系統改動量較大的是推移千斤頂。由于采用電液控制系統，需要在推移千斤頂中加裝環形磁鐵和行程傳感器[5]。如圖 6 所示，行程傳感器安裝在液壓缸中，長度與推移行程一致[6]。由于液壓支架推移步距為 960 mm，因而行程傳感器的長度也不小于 960 mm。為了安裝行程傳感器，需要在推移千斤頂的活塞桿上設置細長孔，為此對推移千斤頂進行改造。改造的基本原則是只改動推移千斤頂結構，不改動推移桿和底座等部件。

圖6 推移千斤頂加裝行程傳感器Fig.6 Installation of stroke sensor on push jack

推移千斤頂改造前、后結構如圖 7 所示。原推移千斤頂后端有φ82 mm 的圓孔用于裝配推移千斤頂固定銷軸。改造后取消了后端圓孔，在原圓孔處焊接 2個φ80 mm 的圓鋼，以代替原來的銷軸固定推移千斤頂，同時將千斤頂末端長度增加了 35 mm，以裝配行程傳感器。改造后的推移千斤頂外形結構基本不變，僅后端長度略有增加，與現有部件裝配不存在問題。

圖7 推移千斤頂結構示意Fig.7 Structural sketch of push jack

2.2.4 工作面供液系統改造

由于電液控制系統對乳化液清潔度要求較高，將工作面乳化液系統升級為智能型集成供液系統，如圖8 所示。選用 3 臺 BRW630/37.5 智能乳化泵，每臺乳化液泵均配備變頻一體機，配套 2 臺 7 000 L 乳化液箱和 2 臺供液站；選用 2 臺 BPW516/16 智能噴霧泵，配套 1 臺 7 000 L 水箱；配備自動反沖洗高壓過濾站、自動反沖洗清水過濾站、回液過渡站和反滲透水處理裝置[7]。泵站配套集成控制系統。智能型集成供液系統除了具備基本的供液功能外，還具備電磁卸載控制、乳化液泵站變頻和電磁卸載智能聯動控制、多級過濾、自動補液、乳化液自動配比、系統運行信息檢測與上傳等功能[8]，可以在井下監控中心進行啟、停控制，為工作面智能化開采創造條件。

圖8 智能集成供液系統Fig.8 Intelligent integrated oil supply system

2.2.5 其他設備改造

要實現智能化開采，還需要對采煤機進行改造。對現有采煤機的控制系統進行升級改造，以實現記憶截割和遠程控制。當工作面煤層條件沒有變化時，采煤機根據自動重復示范刀截割模式數據自動運行；當煤層條件發生變化時，人工遠程干預修正搖臂動作，遠程監控截割。人工干預修正值自動覆蓋原數據，用于采煤機下一刀截割，實現記憶截割和遠程控制。

對刮板輸送機控制系統進行改造，采用交流變頻器，實現軟啟動和智能調速控制[9]。增加了刮板輸送機自動伸縮機尾，增設刮板輸送機減速器溫度、壓力等傳感器，開放接口與通信協議，同時將刮板輸送機油溫與油壓等參數上傳到井下監控中心。購置KTC101 通信控制系統，對刮板輸送機、轉載機、破碎機、井下帶式輸送機進行啟停、閉鎖等控制，開放轉載機自移、刮板輸送機自移、井下帶式輸送機控制協議，并將上述設備運行狀態、電動機溫度、報警及故障等數據上傳到工作面智能化控制系統，實現井下監控中心對上述設備進行遠程監控。同時，對工作面超前支架和端頭支架的液壓系統進行改造，采用電液控制系統，實現遙控操作。

3 結語

通過對設備的升級改造，唐口煤礦大采高放頂煤工作面基本具備了智能化開采條件。但是上述改造僅僅實現了大采高放頂煤智能化工作面的基本功能，還有些問題有待解決。

(1)煤矸識別技術尚不成熟，唐口煤礦放頂煤操作主要采用時序控制加鍵盤控制，還需要人工進行放煤控制，放煤過程沒有實現智能化。

(2)唐口煤礦煤層地質條件復雜，智能化工作面升級改造時沒有采用工作面自動調直系統，工作面調直還需要人工介入，沒有實現智能化。

(3)煤巖識別技術尚不成熟，唐口煤礦采用采煤機記憶截割加遠程監控模式進行生產。由于唐口煤礦煤層條件復雜多變，記憶截割模式沒有得到充分應用。