超大采高綜采智能開采技術研究與實踐

蘇龍慶 張中騰 翟霄龍

（1.兗礦能源集團股份有限公司濟寧二號煤礦，山東 濟寧 272000；2.兗礦能源集團股份有限公司鮑店煤礦，山東 鄒城 273500）

為進一步提升煤炭資源回收率與礦井生產技術水平，填補超大采高綜采智能開采技術的缺口，兗礦能源金雞灘煤礦進行了配套技術及裝置的研究開發(fā)與智能控制技術的應用試驗[1-7]。

1 智能工作面配套設備

1.1 工作面液壓支架選型及智能耦合控制系統(tǒng)

1.1.1 超大采高液壓支架選型

工作面開采的2-2 上煤層厚度在5.6～8.2 m 之間，最大采高8.0 m，節(jié)理、裂隙不發(fā)育。基本頂屬Ⅱ～Ⅲ級，壓力顯現強烈；底板多為粉砂巖和泥巖，單向抗壓強度19.95 MPa，屬Ⅲ類較軟底板。為滿足工作面的正常運行，實現快速移架，選用ZY21000/38/82D 型液壓支架，如圖1。

圖1 ZY21000/38/82D 型兩柱掩護式支架（mm）

液壓支架采用大缸徑能量耗散抗沖擊立柱、三級協動護幫裝置等新結構，開發(fā)了超大采高液壓支架與圍巖智能耦合控制技術，研發(fā)應用了Q890、Q1150 新材料及焊接工藝、超大采高液壓支架三維動態(tài)優(yōu)化設計軟件，解決了超大采高液壓支架大尺度高動壓敏感結構穩(wěn)定性和可靠性難題，液壓支架減重15%，有效提高支架移架速度和抗沖力能力。

1.1.2 液壓支架耦合控制系統(tǒng)

液壓支架配套SAC 型電液控制系統(tǒng)。SAC 液壓支架電液控制系統(tǒng)是集工作面控制系統(tǒng)、過濾系統(tǒng)、工作面數據集成及上傳系統(tǒng)為一體的對液壓支架實施多功能、高效率、自動化控制的成套設備，是一個多層次多計算機集成的網絡控制系統(tǒng)。

液壓支架配套電液控系統(tǒng)由電液換向閥、控制器、遙控器、礦用本安型紅外線接收器、發(fā)送器、礦用隔爆兼本質安全型穩(wěn)壓電、隔離耦合器、連接器、礦用本安型信號轉換器等組成，具有全中文顯示，能夠實現單架控制、成組控制、跟機自動化控制、閉鎖及緊急停止、故障顯示及報警、自動補壓、帶壓移架、礦壓監(jiān)測、工作面數據集成及上傳、數據分析及信息發(fā)布等功能，能夠最大限度地滿足采煤工作面自動化控制的需要。

1.2 采煤機選型及記憶截割控制系統(tǒng)

1.2.1 采煤機選型

根據已回采工作面情況和現有設備配置，采用7LS8 雙滾筒電牽引采煤機，裝機功率2925 kW，滾筒直徑4 m，滾筒截深0.86 m，重量210 t。

1.2.2 采煤機記憶截割控制系統(tǒng)

由采煤機位置編碼器、左右滾筒截割高度傳感器、機身傾角傳感器、傳感檢測及截割控制模塊等幾部分組成，實現工作面記憶截割為主、遠程控制為輔的采煤方式。基于采煤機記憶截割為基礎，配置慣導系統(tǒng)，可對整體模式、全局參數、局部模式、局部參數進行修正，實現煤機實時狀態(tài)監(jiān)測、記憶割煤、遠程控制和工作面自動找直等功能。采煤機主要傳感器配置如圖2。

圖2 采煤機主要傳感器配置

1.3 工作面運輸裝備選型及智能控制系統(tǒng)

1.3.1 運輸裝備選型

根據金雞灘礦千萬噸生產能力要求，研發(fā)了首套超大采高煤量變頻可彎曲SGZ1400/4800 型智能刮板運輸機，功率4800 kW，運輸能力6000 t/h，中部槽槽寬1400 mm，創(chuàng)新研制了高可靠性耐磨中部槽，采用Φ56 mm、Φ60 mm 防腐千萬噸級鏈傳動系統(tǒng)，轉載機采用SZZ1600/1200 型，破碎機采用PCM1200 型齒輥式大塊煤連續(xù)破碎裝置、帶可旋轉槽體的抗沖壓電纜槽，解決了有不連續(xù)大塊煤條件下超大采高工作面刮板運輸系統(tǒng)的智能自適應、可靠、連續(xù)運行難題。

1.3.2 智能運輸裝備控制系統(tǒng)

刮板輸送機、轉載機、破碎機采用智能變頻式可控制程序進行啟動，實現變頻器和電機自動劃分，主機、輔機之間配合工作，啟動過程中主機先運行，輔機跟隨變頻主機實施運轉，可以實現設備集中順序啟停控制，提高設備的可靠性和穩(wěn)定性。工作面刮板輸送機、轉載機、破碎機采用綜合在線檢測集中控制系統(tǒng)，針對“三機”設備動力部分散的情況，通過傳感器等設備實現運行數據在線工況檢測、預警停機等功能集中顯示，完成自動伸縮機尾鏈條張緊力控制，通過安裝專用壓力傳感設備，能夠很好地控制張緊程度，同時保持張緊的穩(wěn)定性。

1.4 工作面供液設備選型及智能供液系統(tǒng)

1.4.1 供液設備選型

選用一套BRW630/37.5 型乳化液泵站，五泵二箱，三用兩備，最大輸出工作壓力37.5 MPa，正常工作壓力不小于30 MPa，公稱流量≥630 L/min，功率5×450 kW。選用一套BPW516/16 型噴霧泵站，該泵站由四臺泵兩個水箱組成，三臺泵工作，一臺泵備用，工作壓力16 MPa，公稱流量≥516 L/min，功率3×160 kW。

1.4.2 智能供液系統(tǒng)

智能供液技術是實現智能化開采重要組成部分，智能供液技術原理如圖3。在獲得采煤機、刮板輸送機和液壓支架自動跟機參數條件，通過計算液壓支架自動跟機移架動作時的流量需求，電液控制系統(tǒng)內的程序能夠提前預知液壓支架的動作次序。當工作面內液壓支架執(zhí)行跟機自動移架動作之前，可以根據總流量需求函數轉為自動控制信號傳遞給綜采工作面智能供液系統(tǒng)，達到工作面液壓支架跟機移架動作時所需要供液壓力，自動供液系統(tǒng)將自動進行變頻調節(jié)，從而完成工作面液壓支架自動跟機移架等成套動作。

圖3 智能供液系統(tǒng)控制技術原理

2 超大采高綜采智能工作面集中控制系統(tǒng)

為實現超大采高綜采智能工作面設備的集中控制，加強綜采工作面設備的三機協同控制、設備聯動啟停功能，首先必須建立一套綜采工作面集控中心系統(tǒng)，使各設備之間實現數據信息交互，所有設備執(zhí)行機組都可由集控中心統(tǒng)籌協調控制。

如圖4 所示，12-2 上104 綜采工作面采用SAC型電液控制系統(tǒng)和SAM 型自動化系統(tǒng)，建立一套以地面/順槽集控中心為核心，工作面視頻、以太網、“5G”網絡、音頻信號、遠控為基礎的“遠程遙控式”集中智能化控制系統(tǒng)，實現在井下監(jiān)控中心對液壓支架、采煤機、刮板輸送機、轉載機、破碎機、開關等綜采設備進行遠程操控、數據工況監(jiān)測及“一鍵啟停”等功能，并協調各設備的相互銜接，達到工作面智能化開采的目的。

圖4 工作面集控中心控制圖

3 工業(yè)性試驗

金雞灘煤礦12-2 上104 超大采高智能化示范采煤工作面，液壓支架配備電液控制系統(tǒng)，安裝人員接近保護系統(tǒng)，實現自動跟機移架、自動補液、自動反沖洗、移架報警、收伸護幫、自動推溜、成組程序化拉后溜；刮板輸送機具有斷鏈保護、自動控制和遠程控制；采煤機具備運行工況及姿態(tài)檢測、機載無線遙控、記憶截割、“三角煤”機架協同控制割煤、故障診斷等功能；乳化液泵站可實現變頻恒壓供液，液位、油位、系統(tǒng)壓力、配液狀態(tài)、故障保護狀態(tài)、泵組油位、油壓、油溫等參數實時在線監(jiān)控分析等功能；可視化集控系統(tǒng)可實現液壓支架、刮板運輸機、轉載機、破碎機、乳化液泵站等設備數據實時在線監(jiān)測分析，具有跟機視頻功能。打造“以工作面自動控制為主，遠程干預控制為輔”的智能開采新模式。

工作面自正常生產以來，經過12 個月的生產驗證，工作面智能化常態(tài)運行，采煤機記憶截割率達到95%，支架自動跟機率達到95%，一直保持較高的生產效率。日平均產量7.9 萬t，正常生產中僅需工班長1 人、煤機司機1 人、電工1 人、支架操作工1 人、運輸機司機1 人、端頭維護工1 人，共計6 人，達到了減人提效的目的，實現了高產高效，智能化水平達到國內領先水平。

4 結論

（1）超大采高配套設備及智能集中控制系統(tǒng)在金雞灘礦成功應用，為相似地質條件煤礦提供了重要的技術支持。

（2）金雞灘煤礦12-2 上104 綜采工作面是兗礦能源第一個超大采高一次采全高智能化工作面，工作面最高月產量202 萬t，具備年產量1000 萬t的生產能力，工作面內人數減至7 人，成功達到了減員提效、保安全的目的。