礦井回采工作面智能化技術應用分析

杜國凱

（山西焦煤汾西礦業（集團）雙柳煤礦， 山西 柳林 033300）

引言

隨著煤炭開采設備及開采技術等的不斷提升，礦井采掘作業面機械化程度大幅提高，現階段回采工作面、掘進巷道綜合機械化程度分別可達到90%、30%。隨著煤炭開采自動化、智能化技術發展及應用，煤炭開采效率得以進一步提升，但是受到煤層賦存條件、機電設備可靠性及通風等因素制約，煤炭資源開采時仍面臨作業環境惡劣、安全保障能力不足、煤炭回采效率不高等問題。智能化是提高煤炭開采效率及作業人員安全保障能力的重要舉措，通過智能化可實現回采工作面少人化甚至無人化[1-7]。

本文以山西某礦70302 回采工作面開采為工程背景，對回采工作面智能化技術建設及應用情況進行分析，以期為其他礦井智能化技術應用提供經驗參考。

1 工程概況

山西某礦采用斜井+立井開拓方式，現開采第一水平，采深為360 m。70302 工作面設計推進長度1 205 m、傾斜長度280 m，開采7 號煤層，煤厚平均為5.75 m，傾角3°～7°。7 號煤層頂板為泥巖、砂質泥巖，底板為黏土巖。回采工作面采用綜合機械化放頂煤開采工藝，使用的主要設備型號見表1。為提升回采工作面煤炭開采效率、降低勞動強度并改善作業環境，70302 工作面擬采用智能化開采技術，本文就對回采工作面使用的智能化技術進行分析探討。

表1 煤炭開采設備型號規格

2 回采工作面智能化控制方案

針對70302 工作面實際情況，對回采工作面智能化控制系統進行設計，具體如圖1 所示。在回采工作面采用的智能化控制系統中，采煤機、配套液壓支架及運輸設備均以自動控制為主、人工干預為輔。

圖1 回采工作面智能化控制系統結構

2.1 回采工作面通信系統構建

在70302 工作面基于以太網構建智能化信息通信平臺，該平臺具備流量優先級100 Mbit/s 寬度管理、虛擬互聯網等功能。良好的通信系統可實現信息的實時傳遞，確保煤炭開采設備自主運行。在回采工作面構建的通信系統具體如下頁圖2 所示，系統可分井下、地面兩個部分，回采工作面采煤機、液壓支架、刮板輸送機、乳化液泵站等設備的運行參數及控制信息等通過光電轉換器、交換機、綜合接入器、通信光纜等匯總到地面服務器，地面調度中心可實時掌握回采工作面開采情況并可實現遠程控制。

圖2 智能化工作面通信系統

2.2 回采工作面可視化監控

通過在回采工作面構建可視化監控系統，從而實時、直觀掌握采煤機、液壓支架等設備位置、姿態等。構建的可視化監控系統為基于數字網絡的高清視頻系統，具體可視化視頻監控具備功能為：視頻監測，當采煤機、液壓支架或者刮板輸送機等遇到復雜工作環境需要調整時，可通過視頻監測掌握直觀的設備情況，以便為后續遠程操控提供可靠信息；目標設備智能跟蹤、攝像頭自動清洗及補光；視頻監控畫面自動拼接。

2.3 采煤機記憶截割及遠程控制

在采煤機上隨機布置位置傳感器、采高傳感器，通過獲取到的信息來實現采煤機位置自主定位，并利用記憶截割功能實現采煤機智能化控制。依據70302 工作面開采的7 號煤層實際情況，使用采煤機前、后滾筒分別截割底煤、頂煤開采工藝。通過獲取采煤機行走數據參數，可自動獲取采煤機割煤刀數、運行軌跡、割煤時間及跟機狀態等信息。采煤機運行參數也會通過構建的智能通信系統傳輸給地面監控中心，地面監控中心可對采煤機運行遠程監控。

70302 工作面采煤機截割高度為3.0 m，采煤機在推進過程中采高基本不變。通過分析采煤機以往運行參數、煤層頂底板巖性及回采工作面前方地質參數，確定采煤機在不同推進距離時的截割深度、推進速度。在采煤機上布置的紅外傳感器可探測液壓支架頂梁、支撐擋板位置，避免采煤機截割部與液壓支架出現干涉問題。采煤機記憶截割控制流程，如圖3所示。

圖3 采煤機記憶截割控制流程

2.4 液壓支架自動跟機運行

對采煤機、液壓支架上布置的紅外發射器、接收器信息進行處理，實現液壓支架全自動跟機控制。具體液壓支架自動運行控制包括液壓支架跟機噴霧、跟機推溜、跟機移架等功能，并可實現轉載機機尾自動移動，實現液壓支架運行自動控制。同時液壓支架運行參數可通過通信系統傳輸給地面監控中心、設備列車，當發現液壓支架運行參數出現故障或者支架運行動作不到位時，可通過人工干預調整液壓支架運行。

2.5 煤矸智能識別

以往7 號煤層開采時采用人工識別煤矸，自動化程度低且作業人員工作環境差。為實現自動化放煤，在70302 工作面智能化控制系統中采用煤矸智能識別系統，該系統可對放煤過程中煤矸進行智能識別感知，基于識別結果對放煤過程進行控制，從而實現遠程自動放煤。

3 應用效果分析

通過在70302 工作面采用智能化開采技術后，采煤機割煤、液壓支架移架等自動化控制，煤矸智能識別可實現遠程自動放煤，從而達到提高煤炭開采效率、降低開采原煤中矸石量，為回采工作面煤炭安全高效開采創造良好條件。

70302 工作面采用智能化開采技術后，單個開采循環耗時由135 min 縮短至65 min，每班開采循環由3 次提升至6 次，回采工作面煤炭日產量已顯著提升，推進速度達到4.8 m/d。采用智能化開采技術后，回采工作面作業人員減少18 人，減少人力資源成本投入約900 萬元/年。同時由于采用智能識矸技術，可實現回采工作面放煤遠程控制，回采工作面回采時放煤率提高1%、原煤中矸石含量降低約2%，預計年可產生經濟效益約750 萬元。

4 結語

以山西某礦70302 工作面煤炭回采為工程研究對象，對回采工作面智能化開采技術應用實踐進行分析。回采工作面采用智能化開采技術后，采煤設備自動化程度得以提升，提升煤炭開采設備工作效率并減少作業人員數量。在70302 工作面現場應用后，回采工作面推進速度由3.2 m/d 提升至4.8 m/d，回采工作面作業人員數量減少18 人、可節約人力資源投入約900 萬元/年；同時回采工作面放煤率較以往提升1%、原煤含矸率降低2%，年可直接創造效益約750 萬元。