沙曲一號煤礦智能化綜采工作面建設實踐

張樹軍，張 強

(華晉焦煤有限責任公司 沙曲一號煤礦， 山西 呂梁 033300)

目前，在我國已建有200多個智能化綜采工作面，智能化綜采工作面基本上達到“機械化換人、智能化減人”的目標[1-5]. 隨著智能化礦山的發展，綜采工作面從設計、設備制造和安裝調試及應用都有了很大的技術進步，綜采工作面的智能化改造正在推行[6]. 王國法等[7]展望了智能化綜采技術發展的重點方向，指出智慧煤礦是綜采智能化開采發展的未來趨勢。王峰[8]提出了以煤層、綜采裝備、決策及控制透明化為核心的基于透明工作面的智能化開采概念，為未來無人化開采奠定了堅實的基礎。郭浩[9]研究了綜采工作面超前支護智能控制方式，實現了對初撐力設定值及移動步距的預測，同時解決了裝備移架過程中支撐力的波動問題。

在煤礦綜采工作面智能無人化方面的研究進程，我國已經實現三機設備一鍵啟動與停止，雖未完全實現智能無人化，但是也為其發展提供了必要條件[10]. 本文以沙曲一號煤礦智能化綜采工作面為例，分析了智能化綜采工作面的建設過程和應用效果，并總結了智能化的發展目標和方向。

1 礦井概況

沙曲一號煤礦是山西焦煤集團華晉焦煤有限責任公司下屬主力礦井，屬煤與瓦斯雙突礦井。礦井核定生產能力450萬t/年，井田內含可采煤層7層，目前開采+400 m水平2#、3#、4#、5#煤層，煤種為低灰、低硫、特低磷、高發熱量、強黏結性的優質主焦煤。

礦井智能化建設以“安全、高效、綠色”為目標，運用物聯網、大數據、云計算、移動互聯等技術手段，構建具備“人、機、環”信息全面感知、自主融合、動態辨識、有效預警、協同控制的智能系統，實現按需生產和“人、財、物”高效流轉。通過綜合運用各種感知技術，更加全面、準確、實時地感知人、物和環境的信息；運用網絡、通信、集成等技術，實現人與人、人與物、物與物之間的信息交換以及系統互通；運用人工智能技術，實現生產調度指揮、資源預測、安全警示、突發事件處理等決策支持。

2 智能化綜采工作面建設過程

2.1 建設概況

圍繞“機械化換人，自動化減人，智能化少人”的建設思路，以減人、提效、增安為根本目標，以先進成熟、安全穩定、實用易用、可擴展開發為基本原則，大力推進智能化建設。先后建成4個智能化綜采工作面、地面智能乳化液集中供液站、萬兆工業環網等，智能化綜采工作面系統示意圖見圖1. 地面空壓機房、井下變電所、水泵房全部實現無人值守。

圖1 智能化綜采工作面系統圖

2018年7月啟動智能化綜采工作面建設，2019年11月完成5207智能化綜采工作面系統調試，建成首個智能化綜采工作面；后陸續建成2405、4502、5305等4個智能化綜采工作面。其中，5207、4502工作面為新購置成套設備；2405工作面為原有采煤機、液壓支架智能化升級改造，并增加了順槽集控中心、工作面視頻監控系統、地面遠程監控系統。

2.2 “智能化”程度

目前，井下綜采工作面全部實現了智能化開采，采煤機實現了全工藝段記憶自動割煤，自動割三角煤和斜切進刀工藝，自動清掃運輸機兩端頭浮煤；液壓支架實現自動跟機移架、推溜、收縮護幫板、噴霧等功能；實現了液壓支架初撐力自動補償功能、前梁姿態控制功能、中心距監測功能及精細推拉控制，壓力分析功能實現了對工作面來壓周期的預測，在順槽集控中心及地面監控中心實現對綜采設備“一鍵”啟停、單設備啟停以及對各設備進行遠程控制和視頻監控，并實現對工作面及順槽設備運行工況的監控。

監控系統原理見圖2.

激光陀螺慣性導航(90型)系統成功應用于自動化生產模式下工作面的三直兩平管理。在采煤機上配置了激光陀螺慣性導航(90型)系統，通過對采煤機行走路徑進行監測，傳輸至順槽集控中心進一步換算為刮板運輸機姿態和支架動作指令參數，配合液壓支架精準推溜管理系統，對推溜行程進行微調，實現推溜的精確控制，確保在各種條件下實現工作面常態化運行。在5207、2405兩個智能化工作面調試過程中不斷對慣導程序進行修正，解決了慣導在實際使用過程中一旦出現斷電，再次通電后需要耗時5分鐘重新尋北，采煤機才能正常行走的問題；并通過建立雙通信(WiFi無線通信和電纜內置銅芯線CAN總線通信)數據傳輸通道，解決了慣導數據傳輸過程中信號不穩定的問題，目前系統整體運行穩定。

圖2 地面監控系統圖

2.3 智能化與110工法的結合

作為煤與瓦斯突出礦井，在探索高突近距離煤層群大采高雙巷切頂成巷智能化無煤柱開采及瓦斯與火災共治關鍵技術過程中，采用爆破定向切縫，在局部范圍切斷工作面頂板應力傳遞，減弱巷道頂板壓力，使所留巷道圍巖能夠最大限度地發揮自身承載作用，減少巷道變形。留巷內通過推廣應用單元支架及配套氣動單軌吊運車，替代傳統單體液壓支柱支護及人工搬運作業，在減輕工人勞動強度的同時，更好地控制頂板下沉量，確保沿空留巷最佳效果。經過一系列采空區支護、整巷及封閉處理后，在4502工作面膠帶巷、軌道巷同時進行切頂卸壓留巷，在4502膠帶巷進行切頂留巷作為4503工作面膠帶巷，在4502軌道巷進行切頂留巷作為4501工作面軌道巷，一個工作面的回采同時保留了兩條巷道可以重復利用。切頂留巷還具有消除鄰近工作面應力集中、控制采空區頂板垮落路徑、實現均壓沉降，有利于下組煤開采等特點。

1) 經濟效益。原柔模充填沿空留巷成本約為9 258元/m，通過技術工藝創新后，切頂卸壓沿空留巷單價4 879元/m，較之前每米節約成本4 379元。采用該工藝后與充填沿空留巷方式相比礦山壓力顯現減弱明顯，較原2#煤沿空留巷復用拉底費用4 200元/米可降低80%.

經測算，該項目在4502工作面創造直接經濟效益共計4 000萬元以上。

2) 社會效益。該項目改變了以往普遍采用的充填沿空留巷開采技術形式，改變了頂板巖層的傳力結構，解決了充填沿空留巷巷道變形嚴重、維護費用高、存在安全隱患等問題，同時填補突出礦井切頂卸壓無煤柱自成雙巷技術應用的空白，具有重大的社會效益。

4502智能化開采技術在前期兩個智能化工作面技術基礎上，對運輸機、轉載機控制進行了優化，運輸機、轉載機采用變頻調速，能夠實現刮板機斷鏈監測和保護功能，實現與采煤機載荷聯動；采煤機控制系統見圖3. 將滑靴式自移設備列車、兩端頭超前支護液壓支架、皮帶機自移機尾、轉載機邁步自移電控閥組接入智能化控制系統，實現集中控制、跟機挪移及遙控運行。留巷內應用單元支架及配套氣動單軌吊運車。雙巷切頂成巷技術結合智能化開采技術，降低了開采成本和勞動強度，提高了回采效率。

3 智能化綜采工作面應用效果

1) 安全可靠性提高。

工作面、運輸系統各轉載點、設備列車等實現全方位視頻監控，通過千兆網絡將監控數據傳輸給集控中心顯示。根據采煤機位置信息跟機視頻自動切換，為集控中心提供實時視頻畫面；集控中心實時監控工作面實際情況，即時進行遠程干預，提高了作業安全可靠性。

圖3 采煤機控制系統

2) 工作人員勞動強度降低。

工作面液壓支架實現自動跟機拉架、推溜、自動收護幫等聯動功能,通過傳感器感應采煤機位置和工藝,實現液壓支架的自動跟機作業；采煤機根據工藝段自動切割、頭尾自動割三角煤、自動斜切進刀，工作面人員由原來的操作人員完全變為巡視人員,現只需對個別支架進行人工干預。

3) 生產效率提高。

工作面應用智能化采煤技術，優化了采煤工藝，減少了設備停機率，提高了采煤工效，礦井于2021年1月執行取消采掘隊組夜班生產的規定，在平均每日減少4 h生產時間的情況下，2405、5305、4502工作面日循環產量繼續保證原班6刀煤。

4) 工作面作業人員減少。

工作面使用智能化智能控制系統進行采煤，可將整個綜采工作面操作人員由15人縮減至8人，其中：支架、采煤機巡檢工3人；順槽集控中心操作工2人；超前支護工3人。工作面作業人員明顯減少，優化了崗位配置。

5) 工作面作業環境改善。

液壓支架根據采煤機位置采用前滾筒3架、后滾筒6架自動跟機噴霧降塵，有效抑制了工作面煤塵，且人工干預操作時，可以選擇在跟機作業的上風側操作鄰架/隔架，作業環境有了很大的改善，減少了對人體的危害。

4 智能化發展目標及方向

1) 開展高度智能化開采技術的研究和探索，由協同控制加可視化干預向透明工作面加規劃開采的方式轉變。

2) 利用智能化大數據平臺建立工作面三維地質模型，利用采煤機的精度定位以及高靈敏度、高可靠性的傳感器，實現采煤機自動調整高度，工作面自動調直，向無人化開采不斷邁進。

3) 實現對開采信息的精準適時采集、高可靠網絡化傳輸、規范化信息集成、實時可視化展現、生產環節自動化運行，搭建智能感知、智能決策、自動執行的智能化企業體系平臺。

4) 加大智能化新技術、新裝備應用，全面提升煤礦智能化水平，保障煤礦安全生產，促進礦井高質量發展。

5 結 論

1) 在順槽集控中心及地面監控中心實現對綜采設備“一鍵”啟停、單設備啟停以及對各設備進行遠程控制和視頻監控，并實現對工作面及順槽設備運行工況的監控；采煤機全工藝段采用記憶割煤、自動割三角煤和斜切進刀工藝，通過配置激光陀螺慣性導航系統，實現推溜的精確控制。

2) 通過智能化與110工法的結合，消除鄰近工作面應力集中、控制采空區頂板垮落路徑、實現均壓沉降；智能化綜采工作面在提高作業安全可靠性、降低勞動強度、減員、提高生產效率等方面取得了一定成效。

3) 在智能化發展目標及方向方面，通過轉變開采方式，建立工作面三維地質模型，向無人化開采不斷邁進，實現信息開采的精準化、網絡傳輸的可靠化、信息集成的規范化，加強智能化新技術、新裝備應用。