挖金灣礦智能化工作面建設實踐與技術應用

劉智敏 張曉東

（晉能控股煤業集團挖金灣煤業公司，山西 大同 037042）

1 工程概況

山4#層8102 工作面屬南翼首采工作面，北部與西延盤區主運大巷、輔運大巷、南回風巷相鄰，東部與南翼回風巷、南翼主運巷相接，西南部尚未開拓，地表無房屋及其他建筑。走向長1 464.8 m，傾斜長度為230.2 m，煤層厚度為2.90～4.05 m，平均厚度3.47 m，煤厚變化穩定，為近水平煤層，煤層底板突水系數0.016～0.017 MPa/m ＜0.06 MPa/m，為相對安全區，無沖擊地壓。8102 工作面為該礦首次智能化開采技術應用工作面。煤層頂底板情況見表1。

表1 煤層頂底板情況表

2 智能化工作面配套設備

結合8102 工作面煤層賦存地質條件、頂底板巖性等條件，采用大采高煤層人-機-環智能耦合高效綜采模式進行開采，對8102 智能化工作面設備配套選型，設備配套明細見表2?？刂葡到y選用SAM 綜采自動化集成系統、SAC 電液控制系統、SAP 集成供液控制系統和語音通信系統。

表2 8102 智能化工作面設備配套明細

3 智能化工作面建設

8102 智能化工作面由智能割煤、智能跟機、運輸系統“一鍵啟?！薄⒅悄芤曨l、智能噴霧降塵、智能集中供液、工作面照明、工作面語音、工作面智能安全監測等9 個子系統構成。工作面主要生產系統構架如圖1。

圖1 工作面主要生產系統構架示意圖

3.1 工業以太網結構

8102 智能工作面總控制網絡技術是構建一個統一開放具有100 M 工業以太網的工作面控制平臺，主要由綜合接入器、光電轉換器、路由交換機、雙路電源箱、4n 型護套連接器、光纜等組成。每6 架設置一臺綜合接入器，上傳視頻數據及電液控數據，每臺綜合接入器配一臺雙路電源箱，綜合接入器間采用護套連接器連接。設置兩對光電轉換器，每臺光電轉換器配一臺單路電源，光電轉換器間通過光纜連接，光電轉換器與綜合接入器通過護套連接器連接，形成環網。

3.2 智能視頻監控

8102 工作面采用KAB12-2 型礦用本質安全型攝像儀。攝像儀分開照射機道和煤壁，通過四芯線纜連入接入器，最后連入智能集控中心，在顯示器顯示工作面的實時影像。攝像儀具有紅外補光攝像功能，不僅能將采集到的實時圖像直接以以太網信號輸出，而且具有RS485 通訊功能，能實時、遠距離監測工作面的情況。每3 個支架安裝2 臺礦用本質安全型攝像儀，一個與工作面垂直照向煤壁，一個照向機道顯示運輸機，緊接著3 個支架安裝1 臺礦用本質安全型攝像儀，照向運輸機，顯示機道，每3 個攝像頭連接在一個綜合接入器，每6 個液壓支架安設一個綜合接入器。網絡攝像儀的視頻數據通過工業以太網網絡傳輸到視頻監視器顯示；順槽監控中心設置3 臺視頻監視器主機，每臺視頻監視器可以同時顯示4 路攝像儀畫面。視頻系統通過通信獲取采煤機運行位置和方向，實現在視頻顯示器上跟隨采煤機自動切換視頻攝像儀畫面。

4 智能化工作面關鍵開采技術

4.1 液壓支架自動跟機技術

8102 工作面采用機組雙向中部跟機割煤，溜頭25 個支架和溜尾25 個支架采用人工控制。在中部跟機自動割煤過程中，設置支架滯后滾筒7 架跟機移架（降架、移架、升架、打護幫板），設置10個支架提前收抽屜和一二級護幫；滯后滾筒18 架中部跟機推溜（當采煤機運行至25 架或者110 架時觸發）。當工作面出現地質構造區或者應力疊加區導致的頂板破碎時，應調整相應的中部跟機自動化參數，如升降柱時間、伸柱時間、允許帶壓擦頂移架、過渡壓力等，使之能更好地保證安全。服務生產中部跟機自動化參數配置見表3。

表3 8102 智能化工作面中部跟機自動化參數配置

4.2 集中供液技術

集中供液系統通過對進入工作面的水質凈化、軟化等使水質和水量達標，通過乳化液泵站加壓至標準壓力，輸送至工作面。另一趟凈水供液系統由凈化水處理系統通過對工作面水質凈化，噴霧泵加壓輸送至工作面，滿足工作面的噴霧及冷卻用水的要求。供液系統中的液位、乳化液濃度、壓差等傳感器收集數據，上傳至集控中心，并在集控顯示屏上顯示各個信息，集控中心通過自動控制功能實時監測系統的參數，自動、智能地保證供液滿足生產需求。

4.3 智能防塵技術和照明、語音通訊技術

8102 智能化工作面綜合智能防塵技術通過液壓支架中部跟機噴霧結合采煤機的位置適當地調整液壓支架的噴霧距離和范圍，通過智能中部跟機噴霧可以著重對采煤機滾筒附近進行噴霧降塵。智能照明和工作面語音技術，皮帶巷每100 m 在皮帶架行人側安設一個KTK24 本安型語音通訊和皮帶急停裝置，同時具有拉線急停的功能，將各個語音通訊設備和各個皮帶保護傳感器數據傳輸到皮帶頭總控臺，實現皮帶的智能開機監測和故障報送。工作面將KTK1D 型塞瓦每15 m 一個固定在刮板輸送機液壓支架前擋煤板處，實現工作面的語音通訊及工作面三機和采煤機的急停閉鎖，工作面鋪設電壓為127 V 的礦用隔爆型燈管2 趟照明，一趟固定在液壓支架前腳踏板上方，每5 個支架安設一個防爆燈管，用于工作面煤壁和機道的照明，一趟固定在支架內部行人通道后上方，每3 個液壓支架安設一個防爆燈管，用于支架內部行人通道的照明。

5 智能化采煤工作面礦壓監測

壓力傳感器插入立柱測壓孔中，實時監測立柱下腔液體的壓力，并把連續變化的壓力信號變為電信號，傳輸至順槽控制中心，在顯示屏上顯示出來。當壓力不足時，可遠程手動或自動補充壓力使之支撐力達標。分析支架的工作阻力，8102 工作面初次垮落步距為13 m，基本頂初次來壓步距36 m，周期來壓步距24 m。工作面最大工作阻力監測情況如圖2。

圖2 8102 工作面最大工作阻力監測情況

據觀測可知，8102 工作面以24 m 周期來壓步距共經歷54 次周期來壓，見方前后液壓支架安全閥開啟支架數為25～52 個，安全閥開啟率最大為40.7%，最大工作阻力達42.7 MPa，影響范圍為225～258 m，顯著影響范圍228～248 m，期間礦壓顯現較大，工作面煤壁片幫較為嚴重，5102 巷底鼓量約為230～268 mm，對此后該公司智能化采煤工作面安全開采具有較高的研究價值。

6 智能化工作面建設評價

（1）智能化采煤工作面等級評價。將8102 工作面各評價因素映射為可計算的綜合評價值，采用百分制進行評判，通過判定集M 的大小來判斷評價樣本屬性的優劣。總體評分大于等于85 分為高級智能化采煤工作面，評分為85～75（含）分為中級智能化采煤工作面，評分為70～60 分為低級智能化采煤工作面。具體計算如公式（1）：

式中：M為智能化采煤工作面智能化程度評價得分；V1為智能化采煤工作面條件分類得分，V1得分小于10 分的按10 分進行計算；V2為智能化采煤工作面設備性能達標條件綜合評價得分；V3為智能化采煤工作面設備工況達標條件綜合評分得分；Rx為智能化工作面條件分類、設備性能達標條件、設備運行工況達標條件綜合評價權重，R1=0.1，R2=0.2，R3=0.7。

式中：Wk為智能化采煤工作面設備性能達標條件評價因素，1 ≤Wk≤14；rl為智能化采煤工作面設備性能達標條件評價因素權重，1 ≤rl≤14。

結合井下現場實踐效果進行賦值，M為80.585分，可知該礦8102 智能化工作面為中級智能化采煤工作面。

（2）智能化工作面需跟進建設方向。根據建設評價可知，8102 工作面在智能化建設方面還有以下不足，應針對性進行建設：① 采煤機在智能三角煤自動截割功能方面還需繼續探索優化；② 智能運輸子系統方面還應實現異物識別功能、人員違章識別功能，安設巡檢機器人等；③ 智能供液子系統還需加強建設單泵或多泵的單動與自動運行；④ 還需探索優化智能巡檢子系統功能、參數設定。

7 效益

8102 智能化工作面投入使用以來未發生較大機電事故，班均割煤3 刀的情況下采煤人數由原來的15 人逐步減少至9 人，自動化使用率達88%～95%，人員投入率減少40%，有效降低了員工勞動強度，年節約人工成本約169.29 萬元。從2021 年5 月8102 工作面調試生產以來，截至12 月底該智能化采煤工作面安全生產原煤近266 萬t，創造了單班割煤5430 t、單日割煤13 860 t 的最高紀錄，達到了高產高效的目的。