綜采工作面智能開采技術(shù)研究及工程應(yīng)用

薄 帥

（西山煤電西銘礦，山西 太原 030052）

一直以來，煤炭開采效率、安全性和成本是煤礦企業(yè)關(guān)注的主要問題；同時(shí)，煤炭作為我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要?jiǎng)恿?，?shí)現(xiàn)煤炭的安全高效開采對于經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步具有重要意義。“智能化”是未來所有行業(yè)發(fā)展的趨勢，煤炭行業(yè)也不例外。實(shí)現(xiàn)煤礦綜采工作面的智能化開采旨在根據(jù)工作面的地質(zhì)條件、煤層條件以及瓦斯等情況，采用理論分析與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)對工作面煤層的智能化開采[1]。本文以實(shí)踐生產(chǎn)為例對智能化開采涉及到的“三機(jī)”配套選型和智能化集中控制進(jìn)行研究，并對實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行評(píng)估。

1 工程概況

本文以神華能源有限公司下屬的烏東煤礦開展研究，該工作面目前共包括有4 個(gè)回采工作面和4 個(gè)掘進(jìn)工作面。本文以其中B3+6 回采工作面為研究對象，分析智能開采技術(shù)在其中的應(yīng)用。B3+6 工作面的頂?shù)装逄卣魅绫? 所示。

表1 B3+6 回采工作面頂?shù)装逄卣?/p>

該工作面煤層傾角較大，屬于急傾斜工作面。目前，烏東煤礦采用綜合放頂煤開采工藝，對應(yīng)的采煤機(jī)截割高度為3 m，放頂煤高度為22 m，采煤機(jī)對應(yīng)的截割深度為0.8 m，該工藝對應(yīng)的放煤步距為0.8 m。在實(shí)際開采中工作面采用錨桿、金屬網(wǎng)以及鋼帶的方式對其頂板和兩幫進(jìn)行支護(hù)。綜合烏東煤礦的地質(zhì)條件和急傾斜工作面的特征，將烏東煤礦智能化開采技術(shù)的應(yīng)用基礎(chǔ)總結(jié)如下：

1）結(jié)合相似地質(zhì)條件煤層的應(yīng)用基礎(chǔ)，該工作面適用于智能化開采的最佳開采方式為水平分段放頂煤開采方式。

2）對于水平分段放頂煤開采方式而言，適用于該工作面的最佳放煤方式為間隔放煤、一刀一放[2]。

2 綜采工作面智能化開采技術(shù)研究

綜采工作面“三機(jī)”配套為實(shí)現(xiàn)智能化開采的基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)智能開采的直接手段為實(shí)現(xiàn)對綜采工作面的智能化集中控制。本節(jié)將從上述兩個(gè)方面對綜采工作面智能化開采技術(shù)進(jìn)行研究。

2.1 智能化綜采工作面的“三機(jī)”選型配套

“三機(jī)”為綜采工作面的采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)和液壓支架?！叭龣C(jī)”配套的合理性直接決定礦井的生產(chǎn)能力，其直接決定工作面能夠?qū)崿F(xiàn)智能化開采[3]。在綜合工作面地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，采區(qū)合理的開拓方案，配置最佳、最合理的“三機(jī)”，并結(jié)合智能化集中控制系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)對綜采工作面的智能化控制如表2 所示。

表2 B3+6 綜采工作面參數(shù)的確定

烏東煤礦采用綜合放頂煤開采工藝，并結(jié)合該煤礦的地質(zhì)條件，選用兩柱掩護(hù)式液壓支架為最佳。按照工作面液壓支架上方頂煤自重、覆層自重以及頂煤容重等，結(jié)合理論計(jì)算公式初步估算得出液壓支架的工作阻力為850.85 kN/m2；采用物理模擬試驗(yàn)所確定液壓支架的工作阻力為0.89 MPa。基于數(shù)值計(jì)算法得出：當(dāng)液壓支架工作阻力為0.9 MPa 時(shí)，不僅可以保證工作面的安全生產(chǎn)，而且還能節(jié)約生產(chǎn)成本。此外，綜合工作面實(shí)際情況，要求液壓支架的支護(hù)高度范圍為2 200 mm～4 000 mm；液壓支架中心距為1 750 mm。

綜合液壓支架的選型結(jié)果和煤層條件，確定采煤機(jī)的最大截割高度為3.8 m，搖臂最大采高為3 933 mm；搖臂上切割深度為365 mm，搖臂下切割深度為564 mm，對應(yīng)的煤層截割深度為800 mm。所匹配的刮板輸送機(jī)的輸送能力為2 000 t/h，鏈條傳動(dòng)速度為1.15 m/s。

2.2 智能化工作面集中控制

綜采工作面的集中控制是實(shí)現(xiàn)其智能化開采的主要實(shí)施途徑。鑒于綜采工作面的環(huán)境相對惡劣、工作面設(shè)備相對分散且數(shù)量較多，要求工作面智能集中控制滿足安全性、穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性、可視化以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)性的要求[4]。工作面智能化集中控制系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 智能化集中控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

如圖1 所示，工作面智能化集中控制系統(tǒng)包括有地面監(jiān)控系統(tǒng)、順槽監(jiān)控系統(tǒng)以及工作面單機(jī)設(shè)備系統(tǒng)。其中，煤礦地面和地下通信主要采用固話通信系統(tǒng)和無線通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)；為進(jìn)一步保證工作面生產(chǎn)的安全性，預(yù)防動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生所以配置動(dòng)力災(zāi)害微震監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。本節(jié)重點(diǎn)對工作面的液壓支架和采煤機(jī)的智能化工藝進(jìn)行研究。

采煤機(jī)的智能化工藝指的是采煤機(jī)可根據(jù)煤層變化進(jìn)行記憶切割，包括對實(shí)時(shí)工況的采集、采煤機(jī)姿態(tài)的采集以及故障的定位等。此外，采煤機(jī)智能化工藝在實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A(chǔ)上實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，在監(jiān)控室實(shí)時(shí)掌握采煤機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和生產(chǎn)情況。上述功能的實(shí)現(xiàn)需要為其配置采高傳感器、傾角傳感器以及數(shù)據(jù)傳輸處理模塊等。

所謂液壓支架的智能化工藝指的是，結(jié)合采煤機(jī)的智能化工藝實(shí)現(xiàn)液壓支架的自動(dòng)移架和遠(yuǎn)程控制。解決傳統(tǒng)人工手動(dòng)控制危險(xiǎn)系數(shù)高、自動(dòng)化水平以及效率低的問題。液壓支架的自動(dòng)移架如圖2 所示。

圖2 液壓支架自動(dòng)移架方式

3 智能化開采技術(shù)的工程化應(yīng)用

智能化開采技術(shù)在煤礦開采中應(yīng)用的最直接體現(xiàn)為地面的調(diào)度監(jiān)控大屏，基于地面監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)時(shí)掌握工作面采煤機(jī)、液壓支架以及刮板輸送等各類設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和故障信息；實(shí)現(xiàn)地面與地下的實(shí)時(shí)通信，提高通信的準(zhǔn)確率和實(shí)效性；實(shí)現(xiàn)對地面設(shè)備的一鍵遠(yuǎn)程啟動(dòng)和控制[5]。采煤機(jī)和液壓支架的監(jiān)控畫面如圖3 所示。

圖3 智能化工作面監(jiān)控畫面

在實(shí)際應(yīng)用中基于采煤機(jī)的記憶切割和人工遠(yuǎn)程干預(yù)的控制方式，實(shí)現(xiàn)綜采工作面的少人化開采。具體如下：智能化開采技術(shù)應(yīng)用后回采工作面的人數(shù)由12 人減少為4 人；現(xiàn)場設(shè)備的故障率降低為1%，同時(shí)故障定位速度快且準(zhǔn)確，排故效率提升。最直接的體現(xiàn)為工作面每月的生產(chǎn)能力提升32%。

4 結(jié)語

煤礦綜采工作面的開采效率和安全性是企業(yè)關(guān)注的主要指標(biāo)。目前，智能化開采為煤礦生產(chǎn)的發(fā)展趨勢。煤礦綜采工作面智能化開采技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要綜合現(xiàn)場采煤機(jī)、液壓支架以及刮板輸送的智能化控制工藝，結(jié)合煤礦地質(zhì)條件和煤層條件為其選擇最佳的開采工藝。實(shí)踐表明，智能化開采技術(shù)在綜采工作面的應(yīng)用可降低工作面人員數(shù)量，降低設(shè)備故障率，提升故障定位精度和排故效率；最終達(dá)到提升工作面生產(chǎn)能力的目的。