CT200-2.6 智能成套一體化綜采機組的選型與應用

向家雨，黃 瑩，張定堂，楊文明，楊元凱

鄭州煤礦機械集團股份有限公司 河南鄭州 450010

近 年來，隨著科技進步和管理水平的提升，我國煤礦智能化建設快速發展，已建成了 400 余個智能化開采工作面，取得了豐碩成果，但總體上還處于煤礦智能化建設的初級階段，仍面臨著不少問題與挑戰[1-5]。

我國綜采裝備成套一體化發展相對滯后，選型配套一般采用煤礦用戶牽頭多廠家參與的方式，采煤機、液壓支架、刮板輸送機、智能化控制系統等大多來自不同的廠家，由于通信協議不統一，數據開放有限，導致我國的智能化工作面大多通過簡單的硬件兼容和軟件集成實現控制，在單個設備或功能的智能控制基礎上增加了工作面所有設備的聯動過程，設備間的協同性、融合度和對復雜煤層賦存條件的適應性有待加強，井下實際應用過程中人工干預比較多[6-10]。而美國、日本、波蘭等國外公司早已形成了由單一集團提供成套裝備及智能化控制系統的能力，例如卡特、小松、法穆爾等公司在井工綜采方面均具有獨立成套供應液壓支架、采煤機、刮板輸送機及自動控制系統的能力，通過合理配套和協同控制，將各設備的性能最大化發揮出來，平均單井單面年產量達 300～400 萬 t，全礦年人均產量接近 2 萬 t，遠超國內同類水平[11-13]。

針對當前國內煤炭行業發展面臨的裝備成套化水平低、智能化融合度不高、人工干預多的問題，結合山西某典型煤礦井下實際條件，進行了 CT200-2.6(機組年生產能力為 200 萬 t，最大采高為 2.6 m) 智能成套一體化綜采機組的選型設計，涵蓋工作面“三機”(液壓支架、采煤機和刮板輸送機)、順槽輔助運輸、供電供液及智能化控制系統等，并在井下進行了工業性驗證，取得了良好效果。

1 智能成套一體化綜采機組基本要求

1.1 三機選型設計基本要求

綜采工作面成套一體化機組主要由液壓支架、采煤機、刮板輸送機、順槽自移列車及智能化控制系統等組成，這些設備或系統的合理選型配套，是充分發揮工作面生產能力，實現安全、高產、高效生產的前提條件。

通過深入研究影響工作面開采的制約因素，形成了高效開采“三機”選型配套基本要求，除了“三機”滿足各自使用要求外，還需要“三機”之間實現合理配套并與井下實際條件相適應，使過機間隙、臥底量、挑頂量、過煤高度、追機速度、行人空間、梁端距、側板搭接等關鍵指標達到最優[14-17]。設備出廠前進行了地面“三機”選型配套驗證，如圖 1 所示。

圖1 地面“三機”選型配套驗證Fig. 1 Test for selection and matching of"three machine" on ground

1.2 智能化控制系統設計基本要求

基于智能成套一體化設計思路，建立通信網絡、視頻監視和遠程操作于一體的工作面集中監控平臺，將采煤機控制系統、液壓支架電液控制系統、工作面運輸控制系統、“三機”控制系統、運輸巷帶式輸送機控制系統、智能供液系統、水過濾系統及供電系統有機結合，實現智能化控制為主、人工干預控制為輔的智能化生產模式，減輕工人勞動強度，達到礦井安全高效生產的目的。

2 礦井綜采工作面概況

該礦首采面為 3 號煤層 3102 工作面，工作面凈煤壁長度為 221 m，傾角為 6°～ 25°，走向長度約為916 m；煤層結構比較簡單，平均厚度為 0.99～2.20 m，上接 0.3～0.4 m 厚的夾矸，再上為 0.2～0.3 m 厚的煤層，煤質硬度f=1～3；頂板巖性主要為砂質泥巖、泥巖，底板巖性主要為砂質泥巖。該工作面為左工作面，兩巷沿頂破底開掘，機巷與風巷寬度均為 4.8 m，高度均為 2.7 m。

3 智能成套一體化綜采機組選型

3.1 液壓支架選型

液壓支架選型原則：支架工作高度與煤層厚度相適應；支護強度與礦山壓力顯現狀態相匹配，保證支護安全[18]。

3.1.1 支架高度的確定

工作面采高確定的主要依據是煤層厚度 (包括煤層夾矸厚度)，同時考慮設備能力、尺寸、質量、經濟性等多方面因素，最終確定支架最大高度為 2.8 m，支架最小高度為 1.3 m，工作高度為 1.5～2.6 m。

3.1.2 支架支護強度的確定

采用山東科大法，通過分析煤層上方覆巖運動情況進行支護強度計算。

式中：p為支護強度，MPa；Hmax為最大開采高度，Hmax=2.8 m；γ1為頂板巖體平均容重，取γ1=2.6 t/m3；z為頂板動載荷系數，取z=1.5；β為附加阻力系數，取β=1.75；k為頂板巖石碎脹系數，取k=1.25；α為煤層傾角，取最大傾角α=25°。

考慮井下實際情況的不確定性，結合周邊礦井信息，選取支架支護強度不小于 0.80 MPa。

按 1.5 m 中心距，支架控頂長度約為 5.37 m，所以支架的工作阻力

式中：S為支架控頂面積，m2。

由于薄煤層支架在降至較低位置時支護效率有所下降，考慮最危險情況和井下一些不確定因素，支架應有一定的富裕系數，鑒于此，支架的名義工作阻力應選用 6 800 kN，液壓支架型號為 ZY6800/13/28D。

3.2 采煤機選型

正確選擇采煤機對采煤工作面的生產效率、能耗、安全等都具有重要影響，它不僅與煤層的厚度、傾角及煤的物理機械性質、地質條件等有關，還要考慮與支護設備、運輸設備之間的配套關系[19]。

3.2.1 滾筒直徑的確定

滾筒直徑

式中：δ為螺旋滾筒裝煤效率，對小直徑滾筒，δ=0.55。

根據計算結果并結合采煤機滾筒系列化標準，初步確定采煤機滾筒直徑為 1.4 m。

3.2.2 滾筒轉速的確定

采煤機滾筒轉速n的選擇要兼顧截煤及裝煤 2 種工藝，并適應不同的煤質情況?？紤]煤層存在夾矸，選取截割速度vj=3～4 m/s 來確定滾筒的轉速，

式中：D為滾筒直徑，取D=1.4 m。

3.2.3 牽引速度的確定

牽引速度直接決定了采煤機的生產能力。采煤工藝采用端部斜切進刀方式，雙向割煤。采煤機平均落煤能力

式中：Qγ為工作面日產量，Qγ=4 000 t；K為采煤機平均日開機率，K=0.70；T1為綜采工作面日生產時間，T1=16 h；C為工作面回采率，C=95%。

采煤機平均割煤速度

式中：B為采煤機截深，B=0.8 m；Hc為平均采高，Hc=2.3 m；γ2為煤的容重，取γ2=1.34 t/m3。

采煤機最大割煤速度

式中：Kc為采煤機割煤不均衡系數，取Kc=1.4。

3.2.4 裝機功率的確定

采煤機的裝機功率

式中：Hw為采煤機截煤的單位能耗，取Hw=4.2 MJ/m3。

根據上述計算結果，考慮煤層夾矸比較嚴重，對照現有采煤機成熟機型技術參數，最終確定采煤機型號為 MG2×200/930-WD。

3.3 運輸設備選型

選擇刮板輸送機的主要原則是以采煤機最大生產能力為基數，保證采煤機截割的煤炭能及時運出去，同時保證設備的可靠性和耐久性，兼顧設備啟動、保護和控制性能[20]。

3.3.1 槽寬的確定

刮板輸送機輸送量

式中：A為中部槽上物料裝載斷面面積，m2；v為刮板輸送機鏈速，取v=1.1 m/s；ρ為物料堆積密度，取ρ=0.9 t/m3。

刮板輸送機中部槽上物料斷面如圖 2 所示，經測量A≈0.29 m2，代入式 (9)，計算出刮板輸送機輸送量Q=1 034 t/h。

圖2 中部槽上最大物料斷面示意Fig. 2 Sketch of largest material section on middle trough

槽寬為 800 mm 的刮板輸送機運量約為 1 000 t/h，也能與所選采煤機相配套，因此確定運輸機的槽寬為800 mm。

3.3.2 功率的確定

刮板輸送機單位長度物料質量

刮板鏈條單位長度質量

式中：m1為單個刮板鏈總成質量，m1=36.1 kg；m2為鏈條單位長度質量，m2=23 kg/m；l為刮板間距，l=1.008 m。

刮板輸送機運行總阻力

式中：k1為刮板輸送機彎曲運行時附加阻力系數，取k1=1.2；k2為刮板鏈條繞上頭部、尾部鏈輪回轉時的附加阻力系數，取=1.21；Wzh為有載分支的基本運行阻力，Wzh=436.0 kN；WK為無載分支的基本運行阻力，WK=72.5 kN。

刮板輸送機電動機的等值功率Pd和設備功率Ps分別為

式中：Pmax為刮板輸送機滿載運行時電動機功率，Pmax=1 031.5 kW；Pmin為刮板輸送機空載運行時電動機功率，Pmin=215.6 kW。

根據以上參數，最終確定刮板輸送機型號為 SGZ 800/800。

轉載機、破碎機選型須滿足破碎機破碎能力≥1.1 倍轉載機運輸能力、轉載機運輸能力≥1.1 倍輸送機運輸能力，最終確定轉載機型號為 SZZ800/315，破碎機型號為 PLM2000，相應轉載機自移系統型號為ZZ800，帶式輸送機自移機尾型號為 MZ1000。

3.4 智能化控制系統設計

3.4.1 智能化控制系統設計原則

在“三機”選型的基礎上進行成套一體化的智能控制系統設計，自上而下構建基于綜采機組的智能控制系統。依照“易用性，可靠性，智能化”的設計原則，使控制系統具備快捷兼容、靈活配置、穩定可靠的特點，來規劃智能軟件功能。

(1) 標準數據編碼 對煤礦綜采工作面各設備進行標準化歸一定義，減少不同系統間對同一設備定義不一致的問題，形成綜采工作面設備數據字典，為系統應用提供統一化數據支撐。

(2) 統一通信協議 通過兼容硬件和適配協議，對現場各種如 Modbus/TCP、Modbus/RTU 及諸多自定義協議向標準化 EIP 轉化，并將該部分通過“操作系統軟件設計器”將軟件適配接入工作前置。采用易用化手段，達到可現場靈活配置的目的。

(3) 完全開放數據 采用分布式控制系統架構(見圖 3)，將系統分布于多個計算單元中，各計算單元共享數據，互為備份，相互驗證，具備系統冗余、故障診斷、系統自愈等特點，降低中心節點負荷，提高系統穩定性和系統擴展性。

圖3 分布式控制系統架構Fig. 3 Architecture of distributed control system

3.4.2 智能化控制系統配置

根據智能成套一體化控制系統設計思路，針對性研發支架電液、采煤機、運輸三機 (刮板輸送機、轉載機、破碎機)、智能供液、電氣、帶式輸送機、順槽自移列車控制系統，并適配人員定位、自動調直、語音通信、視頻監控、井下集控中心、地面分控中心、智能礦山 APP 等系統來進行工作面的監測控制，實現穩定高效的“無人化、少人化”智能開采。

支架電液控制系統通過配置控制器、壓力傳感器、傾角傳感器、位移傳感器、紅外線發射及接收器、定位標簽等，實現支架動作控制、礦壓監測及分析、自動跟機、自動補壓、姿態監測、人員定位等功能；采煤機控制系統通過配置位置編碼器、傾角、采高、電流、速度等傳感器，每截割一刀，系統記錄采煤機在每個位置的滾筒高度并連接成線，在截割下一刀時，采煤機按該曲線及相應參數進行自動截割，當煤層狀態變化時還可隨時進行人工干預，保證運行穩定；運輸三機控制系統通過配置的煤量掃描儀、伸縮機尾、電流、油溫、油位、鏈條張力傳感器，實現運輸機根據煤量智能調速及鏈條自動張緊等功能；智能供液系統通過實時監測系統流量及壓力需求，自動調整泵站的開啟數量和運行參數，實現恒壓供液，節約能源；電氣控制系統通過實時監測系統的電力需求，自動調整供電參數，節約電能并保證系統穩定運行；帶式輸送機控制系統通過實時監測輸送帶跑偏、打滑、堆煤、撕裂、超溫、煙霧等信息，實現故障預警、急停、診斷等功能；順槽自移列車控制系統通過列車姿態和巷道狀態的感知，實現一鍵自移、自動調偏、自適應戧頂等功能。

支架電液、采煤機、運輸三機、智能供液、電氣、帶式輸送機、順槽自移列車控制系統通過井下環網接入井下集控中心和地面分控中心，實現各系統的互聯互通，進而實現各系統的深度協同。通過支架紅外傳感器和采煤機編碼器雙重定位，準確判斷采煤機的實時位置和速度，控制支架姿態調整和跟機移架，實現支架與采煤機的協同動作；通過采煤機速度和采高數據計算割煤量，進而根據刮板輸送機、帶式輸送機存煤量和電動機負荷進行采煤機速度和運量的自動調整，實現采煤機、刮板輸送機、帶式輸送機的協同動作；通過推進刀數和截深數據，自動控制順槽自移列車移動，實現與工作面的協同推進。

4 應用情況

該礦 3 號煤層 3102 智能化綜采工作面“三機”及智能化控制系統均由同一廠家研發制造，通過成套一體化裝備的合理選型配套，以及統一的控制平臺、標準的通信協議、完全開放的數據構建一體化控制系統，成功實現了多設備的深度協同控制，并進行了井下工業性驗證 (見圖 4)，取得了良好效果。工作面主要配套設備如表 1 所列，軟件與控制系統配置如表 2所列。

表1 3 號煤層 3102 工作面主要配套設備Tab.1 Main matching equipments on work face 3102 of No.3 coal seam

表2 3 號煤層 3102 工作面智能化系統配置Tab.2 Configuration of intelligent system on work face 3102 of No.3 coal seam

圖4 井下工業性驗證Fig. 4 Underground industrial test

3 號煤層 3102 工作面于 2021 年 6 月完成井下安裝和智能化系統調試，7 月初開始穩定高效開采。根據生產統計，工作面日均推進 12 刀，最高單日推進達 17 刀，最高月產接近 15 萬 t，實現了工作面的高產高效。

通過紅外傳感器和采煤機位置編碼器的雙重定位，準確判斷采煤機位置和速度，配合多樣性的跟機策略和移架補償技術，工作面液壓支架自動跟機率達95%。通過實時檢測并存儲采煤機俯仰采角、采煤機行走方向工作面傾角、滾筒高度及下切深度，根據存儲數據的自動運行，實現自動導航，自動調高，配置復雜工藝程序，采煤機記憶截割率達 90%，大幅減少了工人的勞動強度。原生產班每班約有 25 人，智能化設備投入后，單班出勤 8 人即可滿足生產要求，大幅減少了用人環節和人員數量，實現了減人增效的目的，取得了顯著的經濟和社會效益。

5 結語

結合山西某典型煤礦井下實際條件進行了 CT 200-2.6 智能成套一體化綜采機組的選型設計，成功實現了煤礦的減人增效，取得了顯著的經濟和社會效益。下一步將進行智能成套一體化機組的系列化工作，這對推動我國煤礦智能工作面的建設、保障煤礦安全、促進煤炭資源可持續發展具有重要意義。