大采高自動化綜采系統探究

杜云峰

（汾西礦業集團高陽煤礦，山西 孝義 032300）

大采高綜采工藝具有巷道掘進率低、回采工藝簡潔等優勢，得到越來越多的應用，但其也存在割煤高度大、煤壁易發生片幫、頂板垮落概率大、圍巖控制難度高等問題，成為困擾礦井安全生產的主要問題之一。對于大采高綜采智能自動化開采而言問題更加突出，必須采取必要的措施。

1 大采高礦壓顯現規律

1.1 圍巖破壞范圍大

選用FLAC3D數值模擬手段對不同采高環境下的大采高回采圍巖垮落特性進行模擬分析，如圖1所示。分析可知，隨回采高度的增加以及回采作業面長度的增加，工作面頂板垮落高度與破壞范圍均呈現明顯的增大趨勢，回采過程中圍巖破壞強度明顯增加。

1.2 支撐壓力顯著增加

圖2所示為大采高回采煤壁破壞面積同作業面采高及長度關系示意圖。分析可知，當回采高度超過4m、回采長度超過200m時，作業面前方煤壁破壞面積會迅速增大。圖3為作業面采高分別為4.5m和6.2m時的支撐壓力實測圖。綜合分析可發現，伴隨回采高度的增加，作業面支撐壓力與峰值會呈現顯著的增加。

圖1 大采高回采頂板垮落與破壞高度曲線示意圖

2 大采高自動化回采系統關鍵技術

大采高自動化回采系統是一項多學科相互結合的復雜性系統工程，其系統結構如圖4所示，包括地面控制網絡、耦合支護、遠程可視化、三維虛擬現實控制等多項技術。

圖2 作業面高度和長度同煤壁破壞面積關系圖

圖3 不同采高下的作業面支撐壓力實測圖

圖4 大采高自動化回采系統結構示意圖

2.1 地面總控制網絡技術

地面總控制網絡技術是指以以太網技術為核心構建覆蓋整個礦井的作業控制平臺，其核心設備包括綜合接入裝置、光電裝轉裝置、交換機等，具備網絡故障自行診斷、虛擬局域網構建等功能。其系統框架圖如圖5所示。

圖5 地面總控制網絡框架圖

2.2 圍巖耦合支護技術

大采高自動化回采必須對作業面圍巖實現有效的耦合支護控制。具體內容主要包括支架狀態監測、頂板耦合支護、幫部圍巖耦合支護等功能。

（1）支架狀態監測。在支架底座、頂梁、連接桿等關鍵部位布設感應元件，對支架作業狀態參數進行實時監測，及時發現潛在安全隱患，及時發現咬架、傾斜等前兆。

（2）頂板耦合支護。依托支架壓力感應裝置、行程感應裝置、三級護幫板接近開關等感應組件，對作業面頂板變化參數開展實時監測，從而及時了解頂板位移破壞情況，便于采取相應舉措，避免頂板危害事故的發生。

（3）幫部圍巖耦合支護。借助支架行程感應裝置、壓力感應裝置等設備，能夠實現對作業面幫部圍巖運移情況的實時掌握，從而為幫部圍巖的有效控制提供有效依據。同時，布設于支架護幫板上的行程感應裝置能夠使護幫板保持逐漸打開的形態，防止護幫板在收回后出現煤塊大面積垮落的現象，避免煤塊砸壞油缸或卡在電纜槽中使得支架無法正常運移；布設于護幫板上的壓力感應裝置能夠對護幫板支撐煤壁的效果進行實時感應，從而有效規避煤壁片幫事故的出現，確保作業安全、持續；布設于三級護板上的移近感應裝置，能夠有效規避護幫板防護動作導致的設備自損現象，而且一旦移近感應裝置出現故障，則系統會立即收回護幫板，并對無法正常回收的護幫板進行報警提示。圖6為幫部圍巖耦合支護圖。

2.3 遠程可視化技術

依據綜采作業面環境特性，設計針對性的高清攝像設備，以紅外成像技術為核心，在低照度環境下實現對作業面工作情況的有效拍攝。同時，借助覆蓋全礦井的工業以太網可將攝像機所拍攝的圖像實時傳輸，并依托圖像接力與追蹤技術實現對井下開采設備的實時追蹤，確保操作人員能夠遠離作業面實現對作業設備運行情況的直觀了解。

圖6 幫部圍巖耦合支護示意圖

2.4 三維虛擬現實控制

利用三維動畫技術，針對井下設備構建完善的三維模型，并將模型同作業面設備運行數據進行實時對接，從而構建作業面實時三維圖像，實現對井下煤炭切割、頂板垮落、煤炭運輸、支架移動等環節的全景展現。圖7為大采高自動化作業面三維模擬圖。

圖7 大采高自動化作業面三維模擬圖

3 總結

大采高作業面作為井下煤炭高效開采的有力技術，一直是推動礦井經濟效益增長的有力保障。通過對大采高自動化回采系統的探究，大采高作業過程的遠程操控、自動化作業成為可能。可以顯著提升礦井安全生產水平，實現安全與經濟效益的雙贏，是現代化礦井不可或缺的必要選擇。