挖金灣礦智能化工作面建設實踐與技術(shù)應用

劉智敏 張曉東

（晉能控股煤業(yè)集團挖金灣煤業(yè)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(qū)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(wěn)定，為近水平煤層，煤層底板突水系數(shù)0.016～0.017 MPa/m ＜0.06 MPa/m，為相對安全區(qū)，無沖擊地壓。8102 工作面為該礦首次智能化開采技術(shù)應用工作面。煤層頂?shù)装迩闆r見表1。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r表

2 智能化工作面配套設備

結(jié)合8102 工作面煤層賦存地質(zhì)條件、頂?shù)装鍘r性等條件，采用大采高煤層人-機-環(huán)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(tǒng)選用SAM 綜采自動化集成系統(tǒng)、SAC 電液控制系統(tǒng)、SAP 集成供液控制系統(tǒng)和語音通信系統(tǒng)。

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(tǒng)“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(jiān)測等9 個子系統(tǒng)構(gòu)成。工作面主要生產(chǎn)系統(tǒng)構(gòu)架如圖1。

圖1 工作面主要生產(chǎn)系統(tǒng)構(gòu)架示意圖

3.1 工業(yè)以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)

8102 智能工作面總控制網(wǎng)絡技術(shù)是構(gòu)建一個統(tǒng)一開放具有100 M 工業(yè)以太網(wǎng)的工作面控制平臺，主要由綜合接入器、光電轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)及電液控數(shù)據(jù)，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(zhuǎn)換器，每臺光電轉(zhuǎn)換器配一臺單路電源，光電轉(zhuǎn)換器間通過光纜連接，光電轉(zhuǎn)換器與綜合接入器通過護套連接器連接，形成環(huán)網(wǎng)。

3.2 智能視頻監(jiān)控

8102 工作面采用KAB12-2 型礦用本質(zhì)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(wǎng)信號輸出，而且具有RS485 通訊功能，能實時、遠距離監(jiān)測工作面的情況。每3 個支架安裝2 臺礦用本質(zhì)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(zhì)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(wǎng)絡攝像儀的視頻數(shù)據(jù)通過工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡傳輸?shù)揭曨l監(jiān)視器顯示；順槽監(jiān)控中心設置3 臺視頻監(jiān)視器主機，每臺視頻監(jiān)視器可以同時顯示4 路攝像儀畫面。視頻系統(tǒng)通過通信獲取采煤機運行位置和方向，實現(xiàn)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(guān)鍵開采技術(shù)

4.1 液壓支架自動跟機技術(shù)

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(fā)）。當工作面出現(xiàn)地質(zhì)構(gòu)造區(qū)或者應力疊加區(qū)導致的頂板破碎時，應調(diào)整相應的中部跟機自動化參數(shù)，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(chǎn)中部跟機自動化參數(shù)配置見表3。

表3 8102 智能化工作面中部跟機自動化參數(shù)配置

4.2 集中供液技術(shù)

集中供液系統(tǒng)通過對進入工作面的水質(zhì)凈化、軟化等使水質(zhì)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(tǒng)由凈化水處理系統(tǒng)通過對工作面水質(zhì)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(tǒng)中的液位、乳化液濃度、壓差等傳感器收集數(shù)據(jù)，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(jiān)測系統(tǒng)的參數(shù)，自動、智能地保證供液滿足生產(chǎn)需求。

4.3 智能防塵技術(shù)和照明、語音通訊技術(shù)

8102 智能化工作面綜合智能防塵技術(shù)通過液壓支架中部跟機噴霧結(jié)合采煤機的位置適當?shù)卣{(diào)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(shù)，皮帶巷每100 m 在皮帶架行人側(cè)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(shù)據(jù)傳輸?shù)狡ь^總控臺，實現(xiàn)皮帶的智能開機監(jiān)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(xiàn)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(nèi)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(nèi)部行人通道的照明。

5 智能化采煤工作面礦壓監(jiān)測

壓力傳感器插入立柱測壓孔中，實時監(jiān)測立柱下腔液體的壓力，并把連續(xù)變化的壓力信號變?yōu)殡娦盘?，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(jiān)測情況如圖2。

圖2 8102 工作面最大工作阻力監(jiān)測情況

據(jù)觀測可知，8102 工作面以24 m 周期來壓步距共經(jīng)歷54 次周期來壓，見方前后液壓支架安全閥開啟支架數(shù)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(xiàn)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(yōu)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(quán)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(quán)重，1 ≤rl≤14。

結(jié)合井下現(xiàn)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(jù)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(xù)探索優(yōu)化；② 智能運輸子系統(tǒng)方面還應實現(xiàn)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(tǒng)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(yōu)化智能巡檢子系統(tǒng)功能、參數(shù)設定。

7 效益

8102 智能化工作面投入使用以來未發(fā)生較大機電事故，班均割煤3 刀的情況下采煤人數(shù)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(jié)約人工成本約169.29 萬元。從2021 年5 月8102 工作面調(diào)試生產(chǎn)以來，截至12 月底該智能化采煤工作面安全生產(chǎn)原煤近266 萬t，創(chuàng)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(chǎn)高效的目的。