礦井綜采工作面智能開采系統建設與分析

劉 振,祁連光

(淮北礦業股份有限公司 許疃煤礦，安徽 淮北 235000)

21世紀以來，我國安全高效高端綜采技術與裝備研發突飛猛進，取得大批重要成果，推動煤炭行業機械化、自動化程度大幅提升，安全保障程度大幅提高，許多重點礦區連續實現億噸無死亡[1-3]。隨著我國經濟發展方式的轉變，煤炭行業也由粗放的生產方式向集約化、精細化方向轉型[4-5]，智能化開采成為煤炭安全高效開采的發展方向與必然趨勢。

我國智能化開采技術起步較晚，2007年才實現了電液控制系統的國產化。在國家高技術研究發展計劃(863計劃)、國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)及智能制造專項的支持下，先后研發了采掘裝備遠程遙控、自動化放煤、直線度控制、采煤機自動調高等技術[6-9]。通過智能協調工作面各設備自動運行，解決工作面裝備智能決策缺失難題，實現工作面智能化開采。

1 智能綜采工作面可行性分析

許疃煤礦礦井水文地質條件簡單，無陷落柱，工作面揭露斷層50條，為高瓦斯非突出礦井。主采82號煤層，煤層較穩定，分布連續，全區可采，煤層厚度1.30～5.30 m，平均3.30，煤層傾角3～18°，平均8°，煤層普氏系數f=0.45.煤塵爆炸指數為32.26%，屬易爆炸煤層。設計布置2～3個工作面。工作面走向長度1 570 m，傾向長度245 m.基本頂為細砂巖，厚度7.27～16.33 m.平均厚度11.84 m，煤層上方局部有直接頂(偽頂)為泥巖，厚度1.01～1.56 m，平均1.30 m.直接底為泥巖，厚度4.00～20.15 m，平均厚度8.9 m.未考慮權重下各評價因素間的工作面分類平均得分為77.6分，在考慮各因素權重下，由公式(1)求得該采煤工作面分類綜合評測結果為79.9分，類別為II類中等，各評價因素得分如表1所示，結果如圖1所示。

V1=[ω1ω2Lω20][r1r2Lr20]T

(1)

式中：[ω1ω2Lω20]為評價指標向量行向量；[r1r2Lr20]為評價指標權重向量列向量；兩者向量的積V1為工作面條件分類依據。

表1 許疃8224智能化采煤工作面分類評價指標量化值

1—煤層厚度;2—煤層傾角;3—煤層硬度;4—節理裂隙發育程度;5—煤層穩定性;6—直接頂穩定程度;7—基本頂板級別;8—底板穩定程度;9—褶曲影響程度;10—斷層影響程度;11—陷落柱影響程度;12—礦井瓦斯等級;13—煤層自燃傾向;14—水文地質復雜程度;15—煤塵爆炸傾向;16—工作面俯仰采角度;17—偽頂厚度;18—工作面走向長度;19—工作面傾斜寬度;20—可布置工作面數量

評價結果表明，該工作面煤層賦存條件一般，應采用薄煤層和中厚煤層智能化有人巡視無人操作模式進行智能化開采。煤層較軟且受72煤層開采影響，82煤粉末狀和碎塊狀為主節理發育，工作面斷層發育且高瓦斯，這些都會對工作面安全管理造成一定影響。

2 綜采工作面智能開采關鍵技術

2.1 智能開采系統

2.1.1 設備組成

智能開采系統設備在井下部分主要有液壓支架、超前支架、采煤機、刮板機、皮帶機、破碎機、轉載機、乳化泵、交換機、自動配比、工作面攝像系統，再經環網至調度室。自動化控制系統包括集控中心(包括支架監控、綜合監控及采機監控)、電液控系統，地面設備由主畫面、采煤機、泵站、趨勢查詢、報表查詢、報警查詢、網絡結構、事件查詢、退出系統以及開關等按鈕組成。

2.1.2 綜采支架選型

1) 支架選擇。8224綜采工作面走向1 570 m，煤厚1.3～5.3 m，平均煤厚3.30 m，賦存穩定；煤層傾角3～18°，平均8°，直接頂為細砂巖，工作面的基本頂為Ⅱ級、直接頂為Ⅱ類，適宜采用掩護式液壓支架或支撐掩護式液壓支架。

根據8222綜采工作面實際回采情況，預測了8224綜采工作面的基本回采情況：根據該面的煤層賦存條件及集團公司液壓支架的使用現狀，工作面支架選用ZZ10000/18/36D型液壓支架，支架額定初撐力7 760 kN，額定工作阻力10 000 kN，額定支護強度1.30 MPa，支撐高度1.8～3.6 m，底板比壓2.54 MPa，本工作面直接底板為泥巖，其單向抗壓強度為5.2～16 MPa，大于支架的底座前端比壓2.54 MPa.

2) 液壓支架適用性分析。從表2可以看出，該支架基本滿足8224綜采工作面的使用要求，從安全技術、經濟效益考慮，8224綜采工作面采用ZZ10000/18/36D支撐掩護式液壓支架，可以滿足支護設計要求。工作面的初撐力及工作阻力計算根據工作面的頂板平均數值取得，隨著工作面的推進，頂板發生變化時，要及時調整工作面的采高，確保工作面正常回采。

表2 工作面條件與支架適應性條件對比

2.2 智能開采系統配置

2.2.1 采煤機控制系統

MG500/1180-WD-CAN型電牽引智能化采煤機是為了適應綜采工作面自動化開采技術的發展，滿足煤礦高產高效需求而開發研制的新一代雙滾筒采煤機，如圖2所示。

圖2 智能化采煤機

采煤機控制系統功能包括：①支持工作面集控；②采煤機具有遠程監、控功能；③采煤機具有記憶截割功能；④采煤機自動截割三角煤功能；⑤具有煤機位置精準系統；⑥具有瓦斯聯動限速功能；⑦具有刮板、轉載等負載限速聯動功能；⑧具有語音播報功能、端頭數字顯示功能；⑨采煤機控制系統參數均可配置功能。

2.2.2 液壓支架

1) 液壓支架自動控制系統介紹。液壓支架電液控系統是實現綜采工作面自動化開采的重要組成部分，通過集成機、電、液領域的尖端技術，實現對工作面液壓支架的多種模式控制，提高工作效率，改善生產條件，達到煤礦安全、高產高效采煤的目的。其主要功能有：本架控制、鄰架控制、隔架控制、成組控制、急停閉鎖、程序自動更新、自動跟機、礦壓監測分析和自動補壓。

2) 電液控制系統組成。整個電液控系統由20功能主閥、支架控制器、位移傳感器、壓力傳感器、隔爆兼本安型直流電源、電源耦合器(ZDYZ-JA)、架間耦合器(ZDYZ-JB)、驅動器、紅外接收器、紅外發射器、遙控器、無線接收模塊組成。

3) 自動供液系統。自動供液系統由清水過濾站、乳化泵、清水泵、高壓反沖洗、回液過濾站、乳化液自動配比系統等組成，可實現以下功能：監測泵箱液位，溫度、乳化液濃度；自動配置乳化液濃度，使乳化液濃度在3%～5%之間；根據液位，自動對泵箱進行補液；監測高壓過濾站進出口的壓力，如壓力差超過5個兆帕(可調)，則進行高壓自動沖洗；根據分析高壓進出口的壓力，結合泵箱液位的變化和支架動作的特性，對爆管進行提示；根據液位，防止泵站吸空。

2.2.3 設備集控中心

工作面順槽監控中心是整個自動化工作面的核心，其中視頻解碼器接井下工作面視頻，千兆交換機接井下環網，再接視頻主機；自動化主機接工作面控制器、自動化遠程控制系統、KTC101控制。系統包括：集控操作臺、視頻主機、數據處理主機(客戶端、采煤機、刮板機、轉載機、破碎機、膠帶機、泵站、供電系統等的數據采集系統)、交換機等功能單元組成。

通過監控中心實現對采煤機工況監測與遠程自動控制；監控中心對液壓支架工況監測與遠程自動控制；監控中心對運輸設備狀態監測與集中自動化控制；監控中心對泵站系統狀態監測與集中自動化控制；能夠對采煤機、刮板機頭、刮板機尾、轉載點視頻實時監視；井上數據傳輸；綜采設備連鎖控制；一鍵啟停功能。

2.3 智能開采系統功能

2.3.1 采煤機

1) 采煤機遠程通訊技術。通過采煤機的控制電纜實現了煤機和巷道之間的通訊，并解決了以往的通訊不穩定和通訊回路易斷裂的情況；采煤機定位系統由硬件和軟件組成，其中硬件組成：在采煤機牽引部設計時加入了編碼器傳動機構，高精度多圈編碼器；軟件組成：通過自主研制的算法對編碼器的累積誤差進行補償；外部校準：通過采煤機參數設置進行編碼器的軟校準；自動截割三角煤：三角煤生產工藝程序化轉換。

2.3.2 設備故障檢測

液壓支架智能設備故障檢測，包括程序丟失，參數錯誤，輸入錯誤，輸出錯誤，通訊錯誤，人機交互錯誤和安全操作裝置故障等。采集數據故障檢測，超量程報警告等。

通過對設備的每臺減速器及電動機進行溫度、壓力、流量、位移、轉速等參數的檢測，并對這些參數進行分析處理，實現設備運行數據的實時顯示、報警、傳輸，同時對輸送機、轉載機、破碎機和相關泵站的實現集中順序啟停控制和工作面沿線的語音預警和對講功能，實現運輸機自動故障報警。

3 淮北礦業智能開采現狀及存在問題

3.1 淮北礦業智能開采現狀

淮北礦區經過60 a的高強度開采，本部煤炭資源趨于萎縮，采場逐步向深部復雜條件轉移，開采的困難程度和安全威脅越來越大，隨著煤礦從業人員短缺問題進一步加劇，企業高質量發展面臨著諸多挑戰。智能化開采順應煤炭行業發展趨勢，是實現“人少則安、無人則安”的必由之路，成為破解企業發展難題的戰略選擇。

淮北礦業集團智能化采煤以采煤機記憶截割、液壓支架自動跟機和可視化遠程監控為基礎，實現在地面調度指揮中心或井下智能化工作面集控中心對綜采設備的智能監測與集中控制，確保工作面智能化運行，實現工作面的連續、安全、高效開采。

3.2 存在問題

1) 智能水平有待提升。目前，在地質條件較好的采煤工作面基本能夠實現無人操作、有人巡視的常態化生產，但復雜地質條件下煤層都不如預想般理想，無法預知的圍巖活動和環境變化。

2) 配套傳感技術落后。采煤機記憶截割主要依靠采高傳感器來監測煤層厚度變化，但目前在用的采高傳感器不論是軸編碼器還是位移型油缸傳感器，均存在采煤機截割過程中因振動而引起監測數據誤差較大、不穩定等現象。

3) 專業技能人才不足。近幾年，煤炭企業人才流失嚴重，多數煤炭院校畢業生不愿意從事煤炭開采，造成生產一線專業技術人員力量不足。同時，精通智能技術和煤炭業務的混合型人才更是嚴重匱乏，導致煤礦智能化專業軟件適用性差，基層技術人員不能根據現場變化調整技術參數，對廠家技術人員過于依賴，智能化系統無法更好地適應現場安全生產。

4) 資金保障供應不力。智能化裝備生產成本普遍較高，前期一次性投入較大。智能化裝備精密程度較高，受井下粉塵、高溫、潮濕環境影響容易損壞，頻繁更換配件造成日常使用費用較高。

4 結 語

1) 提出煤礦智能化工作面開采模式劃分方法，建立煤礦智能化工作面綜采適應性評價指標體系，確定智能化工作面分類與分級評價指標量化值，并對許疃煤礦8224工作面智能化開采適應性進行了評價。

2) 對許疃煤礦8224工作面智能開采關鍵技術進行了研究。

3) 分析了淮北礦業智能開采現狀及存在問題，以確保后續工作面智能化運行，實現工作面的連續、安全、高效開采。