復雜地質條件下的智能化綜采工作面技術探索

0 引言

綜采工作面智能化技術是開采技術、傳感器技術、通信技術、自動化技術、信息技術等一系列技術的高度集成[1]，采用智能化代替傳統手動操作，實現井下現場集中控制和地面遠程控制工作面割煤、推溜、拉架、運輸及超前支護等工藝智能化，達到綜采工作面的自動化、少人化、無人化目的。但在我國西南地區復雜地質條件下實現該技術面臨諸多困難。

1) 綜采工作面瓦斯含量大，瓦斯治理不到位，影響智能化開采推進速度，制約智能化工作面快速推進。

2) 煤炭地質賦存復雜多變，煤巖識別困難。

3) 我國西南地區礦井空間受限，相關設備需緊湊化，三機配套復雜困難。

4) 工作面地質條件復雜，機風巷超前支護布置困難。

5) 智能化工作面對視頻的清晰度要求高，觀察地點多，傳送數據大，傳統的帶寬不能滿足需要，操作平臺存在卡頓現象。

通過調研國內外綜采工作面智能化相關技術，確定了以支架電液控廠家為主導，由支架電液控廠家建立集中控制平臺，液壓支架、采煤機、刮板輸送機及其他設備廠家配套合作的模式進行智能化采煤，并對其中關鍵技術的可行性進行了詳細分析和討探，指出了綜采工作面智能化的進一步發展方向，為實現復雜地質條件下綜采工作面安全、高效、智能化開采提供技術參考。

1 國內外研究現狀

1.1 國外研究現狀

目前美國和澳大利亞在自動化采煤技術研究方面處于領先地位，主要有JOY為代表的采煤機,其采煤機司機跟隨操作采煤機、支架等與采煤機隨動的跟機自動化模式。JOY提出“520”計劃，即綜采工作面5人采煤→2人采煤→無人化采煤。利用成套裝備高可靠性和單機設備高度自動化的優勢，在工作面地質條件好、且不受回采率和煤質要求的前提下，做到工作面內“設備自動運行、兩人跟機干預”。美國二十英里礦、薩福克礦、馬克礦一號礦，都成功實施了智能化采煤技術。澳大利亞聯邦科學與工業研究組織(CSIRO)推出了基于陀螺儀導向定位(LASC技術)的自動化采煤方法。澳大利亞布爾加礦采用“綜采自動化技術+水平控制技術+直線度控制技術”，工作面傾斜長度400 m,走向長度3 400 m,煤層厚度3 m，工作面工人數量減少到3人，直線度控制精度達到50 mm，通過模型能夠模擬采煤機行走過程中頂底板的起伏情況，可以通過軟件技術預知前方煤層水平分布情況，實行工作面設備水平控制[2]。

1.2 國內研究現狀

近年來，依托國家863計劃“煤炭智能化掘采技術與裝備”和國家發改委“煤炭綜采成套裝備智能系統”等重點專項支撐，以中國煤炭科工集團為代表的多家煤炭集團、綜采自動化及機械廠商(上海天地科技、天地瑪珂、山西科達、四川航天電液控制、平陽廣日、三一重裝等)、高校(中國礦業大學、太原理工大學等)等開展了自動化無人開采技術的研發工作。神華寧煤、中煤、陜煤、同煤、陽煤、平煤、晉煤、峰峰、新集口孜東等幾十個礦區也都進行過探索與嘗試。神東榆家梁44305自動化工作面：神華首個薄煤層自動化采煤工作面，主要采用進口設備，實現采煤機記憶割煤(機載視頻+端頭集控臺遠程干預)+支架全工作面跟機+系統集成控制，工作面自動化割一兩刀煤，工作面無人[1]；陜煤黃陵一礦1001工作面 “有人巡視、無人操作”，該系統在1.4～2.2 m煤層工作面，配套全部國產綜采成套裝備，實現“順槽監控中心2人可視化遠程干預控制，工作面內1人巡視”常態化連續運行，月產量達17.03萬t，年生產能力200萬t以上，生產效率提高25%，生產作業人員由11人遞減至3人[3]。

從上述現狀可知，國內外的綜采自動化技術已趨于成熟，已有多個礦井實現了自動化采煤，效果較好。但國內、外成功實行了智能化綜采的工作面的條件相對都很好，而對于復雜地質條件下的智能化工作面鮮見報道。

2 智能化工作面基本情況

川煤集團龍灘煤電公司礦井位于華鎣山煤田中段北部，礦井于2010年9月正式投產，核定生產能力150萬t/a。礦井采用平硐開拓，邊界混合式通風，煤與瓦斯突出礦井。煤層自然發火傾向性為Ⅱ類。煤塵具有爆炸危險性。礦井水文地質類型屬復雜，礦井水患等級為Ⅰ級。礦井“六大系統”完善并正常使用。

龍灘礦第一個智能化綜采試驗工作面為3124S工作面，如圖1所示。該工作面走向長1 523 m，傾斜長200 m；煤厚1.0～3.86 m，平均1.6 m；煤層傾角3°～7°，平均4°；煤層硬度f=0.22～0.48；上距K2煤層平均距離5.55 m。煤層結構簡單至復雜。原煤屬富灰、高硫、中等發熱量、特低磷煤，可采儲量約79.40萬t；工作面煤層含夾矸2～4層，厚度0～0.45 m，矸石巖性為泥巖、砂質泥巖；工作面頂板為泥巖、砂質泥巖，底板為砂質泥巖、鋁質泥巖，直接頂厚3～4 m，基本頂厚度8～9 m。工作面無大的地質構造，水文地質簡單，無頂底板承壓水影響；3124S工作面煤層原始瓦斯含量為9.55 m3/t。煤塵具有爆炸性。煤層屬易自然發火煤層，發火期63天。該工作面開采區域屬地溫正常區。目前，該工作面機、風巷設計斷面為凈寬4.6 m、凈高2.8 m梯形斷面，沿煤層頂板掘進，風巷實施沿空護巷；機、風巷均布置有底板抽放巷。

2.1 智能化綜采的目標及功能

智能化綜采的目標包括：

1) 2名操作人員在工作面機巷集中控制設備列車上操作，實現工作面自動割煤。

2) 生產過程中，工作面實現少人，生產班減少到8人/班。

3) 智能化綜采工作面按“兩采一準”實現10刀/d，日推進8 m，年產原煤100萬t。

智能化綜采的主要功能包括:

1) 在工作面機巷建立智能化集中控制平臺，控制系統實現工作面生產設備協調聯動控制，具備采煤工況、設備自我感知和故障診斷能力。所有自動化裝備實現集中控制和地面遠控,并能人工干預。

2) 采煤機實現記憶自動截割。

圖1 龍灘3124S綜采工作面設備布置圖

3) 液壓支架、刮板輸送機實現自動跟機作業。

4) 水處理、乳化液系統實現集中供配液。

5) 帶式輸送機、橋式轉載機等輔助設備實現無人操作。

6) 順槽超前支架自移支護，機巷管纜線自動拖移，控制平臺與變壓器等設備串聯成車整體隨移。

2.2 工作面設備配套

1) 采煤機采用MG320/710-WD3型。

2) 刮板輸送機采用SGZ764/630型；橋式轉載機采用SZZ764/200型;破碎機為PCM110型。

3) 液壓支架、超前支架、帶式輸送機及輔助設備。工作面液壓支架采用ZY4000/12/25D型；運輸巷超前支架采用ZTYC18000/16/34D型；回風巷超前支架采用ZTHC20000/16/34D型；帶式輸送機采用DSJ80/60/2×160型；帶式輸送機自移機尾采用ZY2700型；智能化輔助設備包括設備臺車等。

2.3 智能化綜采控制系統

電液控綜采工作面智能化順槽集中控制系統、支架電液控、工作面供液及泵站采用自動化集中控制系統，采煤機、刮板機、超前支護、組合開關、順槽帶式輸送機集中控制系統等，如圖2所示。電液控智能化順槽集中控制系統按照智能化綜采的要求進行，實現工作面智能化開采。

1) 順槽集中監控中心。每臺監控主機配2臺礦用本安型顯示器，1臺顯示器顯示支架視頻，1臺顯示器顯示采煤機視頻，1臺顯示器顯示采煤機、三機相關信息，1臺顯示器顯示支架電液控相關信息。2臺本安操作臺，其中一臺操作臺負責進行液壓支架遠程操作，另一臺操作臺負責對采煤機進行遠程操作及對三機進行集中控制。主要有檢測功能、控制功能、故障診斷功能。

2) 工作面1 000 M工業以太網。通過有線及光纖對工程面所有數據進行高速傳輸。

3) 工作面視頻系統。對工作面視頻進行采集傳輸。每6個支架配備1臺礦用本安型攝像儀，安裝于支架的頂梁上，安裝于本架拍攝方向與工作面平行；每3個支架配備1臺礦用本安型攝像儀,安裝于本架拍攝方向垂直于工作面，照向煤壁。對工作面進行無死角監控。

4) 液壓支架電液控遠程與協調控制系統。在支架電液控制系統的基礎上，工作面順槽監控中心的液壓支架遠程操作臺，對液壓支架進行遠程控制。遠程控制延時不大于500 ms。以電液控計算機主畫面和工作面視頻畫面為輔助手段，通過操作支架遠程操作臺實現對液壓支架的遠程控制。

5) 采煤機遠程控制系統。由采煤機遠程控制系統采用采煤機記憶自動割煤及系統實現自動化采煤，遠程控制延時不大于500 ms；采煤機具備自動化控制系統，包括記憶截割功能，記憶學習能實現隨停隨學，隨停隨存儲。

6) 工作面破碎機、轉載機、刮板輸送機及帶式輸送機的集中控制系統。通過順槽控制中心集中控制，實現遠程控制及運行狀態監測、故障報警。

7) 水處理及集成供液系統。控制系統為集中分布式控制方式，實現集中與就地控制功能；實現集中供液用水自動過濾、自動加藥、自動軟化和反滲透處理，自動供水、自動反洗；實現乳化液自動配比和乳化液濃度在線檢測；自動配液站、進水過濾站、乳化液給水反滲透水處理裝置等實現自動化控制；油位、液位、濃度及各個設備運行狀態等參數全部進行數據上傳；根據集成供液系統的控制命令自動向乳化液供液箱內補充乳化液。

8) 地面部分。采用以太網實現綜采設備數據上傳，通過礦井自動化網絡,將綜采設備的數據傳到井上，實現地面調度指揮中心對綜采設備的遠程自動化控制；在地面調度中心對綜采設備的遠程監測、顯示；實現綜采設備數據的集成，視頻及運行數據存儲；向第三方提供標準的OPC協議，實現礦井自動化集成。

圖2 綜采智能化控制系統示意圖

3 復雜地質條件下的智能化工作面的關鍵技術探索

3.1 工作面三機配套技術

工作面地質條件復雜，空間受限，相關設備需緊湊化，三機配套復雜困難。

1) 遇斷層截割巖石量往往超過中厚煤層，裝機功率要求大、機面高度要求低且過煤空間要求大的矛盾十分突出。 選用雙截割電動機2×160 kW的MG320/710-WD3型采煤機，降低了機面高度，增加了過煤空間,又滿足了大功率的要求。

2) 復雜地質條件工作面煤層高度變化大，在煤厚1.3～2.5 m之間時，由于以上智能化裝備兩巷高度不能低于2.5 m，傳統三機配套后，刮板輸送機機頭、機尾會超出煤壁1.2～1.4 m，刮板輸送機機頭機尾就會出現懸空現象。傳統的解決方案就是設置機頭機尾墊架，機頭、機尾前方浮煤清理不及時，推移困難同時可能引起漂溜。

探索將機頭、機尾處刮板輸送機三節中部槽變線，保證足夠臥底量，將機頭、機尾超出煤壁控制在800 mm，使機頭、機尾向工作面回縮，機頭做成整體剛性結構，機頭、機尾，取消墊架。機頭處刮板輸送機布置伸出示意圖如圖3所示。

圖3 機頭處刮板輸送機布置伸出示意圖

機頭、機尾處取消墊架后，為防止機頭、機尾掉下工作面，機頭、機尾設置平行于底板的大拖架，通過過渡支架直接整體推移機頭、機尾。

設計機頭機尾各兩架過渡支架，在機頭機尾第一支架外側增設輔助推移裝置，增大推移力，使支架能推動整體式機頭、機尾。輔助推移示意圖如圖4所示。

圖4 輔助推移示意圖

3.2 瓦斯治理技術

復雜地質條件下工作面瓦斯含量大，具有突出危險性，在實施智能化采煤過程中，如果不提前做好瓦斯處理，會影響智能化割煤推進速度，難以實現快速推進，失去智能化綜采的意義，因此開展智能化綜采必須先做好工作面瓦斯治理。

龍灘煤礦屬于單一開采煤層，312采區實測最大壓力瓦斯為1.05 MPa，含量為10.067 m3/t，具有突出危險性，采取大直徑高密度順層鉆孔預抽煤層瓦斯。鉆孔在機、風巷間隔2 m相向布置，鉆孔直徑94 mm。為提高工作面瓦斯預抽效果，確保智能化綜采不受瓦斯災害影響，順層鉆孔施工前采取水力壓裂增透技術，壓裂孔在機風巷內有間隔10 m布置1個，孔深90 m，壓力不低于32 MPa。工作面區域效果檢驗采用在機風巷間隔40 m處各布置1個檢驗測點，實測煤層殘余瓦斯含量，區域驗證采取連續鉆屑指標法進行判定。工作面區防、局防嚴格執行“四位一體”防突措施。 通過這些技術和措施，做好工作面瓦斯治理，為智能化快速推進打下基礎。

3.3 兩巷超前支護技術

沿空留巷和超前支護的主要難題：一是兩巷超前支護的支護效果和自移的效果是否滿足智能化快速推進的要求；二是風巷超前支護反復支撐后對風巷頂底板的破壞；三是設置的超前支護要滿足支護過程規避錨索及巷道通風的要求。通過研究，設計了機、風巷超前支架。

1) 運輸巷超前支護。運輸巷共布置超前支護約25 m，分為5組，每組支架分左右兩架，單組長度約為4.92 m；超前支架頂梁采用窄頂梁的形式，以滿足支護過程規避錨索及巷道通風的要求；每組超前支架左右兩架用橫梁連接為一個整體，共有支撐立柱8件，推移千斤頂2件，第1、3排支撐立柱為一個整體，第2、4排支撐立柱為一個整體，相互間通過“邁步自移”的方式實現向前推進；頂梁與支撐立柱鉸接，可沿頂板傾斜方向調節，以保證其始終與頂板有效接觸，保證支護可靠；轉載機安裝于超前支架與煤壁之間，超前支架的移動及支護不影響轉載機的移動及檢修；超前支架上設計有可用于電纜夾安裝的安裝座，電纜布置于超前支架內頂梁下方，可通過超前支架的移動實現電纜的跟隨移動。機巷超前支架布置如圖5所示。

2) 回風巷超前支護。回風巷超前支護與運輸巷超前支護的布置類似，超前支架的結構原理也類似，但因刮板輸送機機尾會超出煤壁一部分，故此處的超前支架需特別設計，避免支撐立柱與刮板輸送機機尾干涉,如圖6所示。

圖5 機巷超前支架布置圖

圖6 風巷超前支架布置示意圖

3.4 煤層數據建模技術

煤巖識別技術一直以來都是國內外綜采自動化的研究熱點，目的是使采煤機可以自動識別并沿煤巖交界線進行自適應截割。目前主要的煤巖識別方式有γ射線探測紅外線探測 ，振動、聲音、電流檢測分析，圖像識別，激光粉塵濃度識別等[4]。由于煤巖物理性狀的多樣性和復雜性，采煤機工況振動影響因素的復雜性及工作面生產環境條件的復雜性，要實現煤巖界面在線識別準確、穩定和實用將是一個長期的難題。因此通過煤層數據采集和煤層物探技術建立工作面煤層數據模型，輔以人工干預，作為智能化割煤控制。

1) 煤層數據采集。在掘進綜采工作面兩巷期間，每天安排礦井地測人員收集工作面煤層情況，具體參數有：煤層傾角、夾石層厚度及層位、煤層厚度及層位、斷層等構造參數(走向、傾向、落差)，并以導點控制距離，確保數據準確。井下收集的現場數據在地面利用礦井地質攝錄系統，建立數據統計表，編錄成圖。

2) 煤層數據建模技術作為趨勢控制是實現采煤機自適應割煤的有效解決方案。根據煤層建模的數據預設梯度調整采煤機滾筒高度，調整速度及梯度緩和，可以避免人工調整造成的頂底板過渡不平緩,頂、底留臺等問題。在自動控制設置中按照煤層建模實際情況，每次調整保持一小段距離，一是保證頂底板過渡平緩，二是在調整后，通過操作人員確定調整是否到位，實現采高調整的閉環控制。

3.5 千兆以太網技術

工作面100 MB工業以太網控制網絡具備有線和無線接入功能，單點故障時網絡自愈時間不超過12 ms，網絡傳輸延時不超過0.6 ms[5]。工作面以太網主要由本安型綜采綜合接入器、本安型光電轉換器、本安型交換機、礦用隔爆兼本安型穩壓電源、礦用光纜等組成,對工程面所有數據進行高速傳輸。在傳輸過程中，視頻信息數據占據了傳輸通道的大部分帶寬，在實際使用過程中，會出現圖像卡頓現象，圖像質量也不清晰，數據發生擁擠是還會造成控制信號中斷，嚴重影響自動化控制的執行。因此對工業以太網在帶寬、速度、反應時間等方面不斷提出新要求。

千兆以太網技術采用了與目前已經應用成熟的百兆以太網技術相同的幀格式、幀結構、網絡協議、全/半雙工工作方式、流控模式以及布線系統。良好的保持了百兆以太網的兼容性和可擴展性，百兆以太網升級到千兆以太網不必改變網絡應用程序、網管部件和網絡操作系統，能夠最大程度地投資保護。千兆以太網的優勢：傳輸速度快，網絡中的設備有更高的相應速度、更快的反應時間；網絡帶寬大，網絡中可以容納更多的設備。滿足工作面數據傳輸高效、高速、高性能的要求。

4 結論

綜采工作面智能化技術是實現煤礦高效安全開采的關鍵，加快其關鍵技術的攻關是實現綜采工作面智能化的必然選擇。國內外研究機構通過不懈努力已取得一些階段性成果，但目前成功應用的礦井主要是條件好的工作面，對于復雜地質條件、大傾角、急傾斜工作面還未實現，要真正解決復雜地質條件下的綜采工作面智能化技術,主要有以下問題需要進一步研究。

1) 大傾角、急傾斜的主動、可控防倒防滑技術。大傾角支架都設置了防倒防滑裝置，通過智能化控制系統，將防倒防滑裝置結合起來，實現主動、可控的防倒防滑技術是解決大傾角、急傾斜自動跟機移架的關鍵。

2) 上下出口端頭支架支護自移技術。上下出口端頭的支護，特別是下端頭的支護，是急傾斜的難題，現有的支護主要采取的端頭支架支護方式為人工操作。目前已經成功應用，需要研究如何通過自動化控制技術代替人工操作，實現快速移動。

3) 液壓支架扶正技術。支架質量大則下滑分力大，如果支架由于下滑使支架不垂直刮板輸送機時，支架就會呈鋸齒狀布置。一是影響了梁端距，易使采煤機割到頂梁損壞設備；二是在推溜時會向上或向下的分力促使刮板輸送機上竄或下滑。需要研究自動控制的支架導向裝置，強行擺正支架，使支架始終與刮板輸送機保持垂直狀態，從而避免推輸送機時推力產生的分力使刮板輸送機有上竄下滑的趨勢。

4) 刮板輸送機的下滑自動控制技術。工作面輸送機防滑問題是急傾斜和大傾角煤層綜采工作面“三機”防滑的基礎，因此必須有效控制輸送機的下滑。需要研究整體推溜技術，整體調整刮板輸送機狀態技術，通過自動化控制防止和修正刮板輸送機的下滑。

5) 煤層物探技術。針對復雜地質條件下工作面煤層的變化，僅僅采用礦井地測人員收集工作面煤層情況來建立工作面煤層數據模型,是不能滿足智能化綜采工作面快速推進需要的。所以必須借助先進的物探技術,探明工作面的真實構造, 建立工作面煤層數據模型,輸入智能化集中控制平臺,配合記憶截割功能,有效解決智能化割煤的準確性及工作面的快速推進。

6) 片幫控制技術。在大傾角大采高工作面，一是采高大片幫的煤矸較多，二是傾角大超過了煤矸自溜角，片幫的煤矸就會下沖到工作面下出口，壓死轉載機，堵死下出口而影響通風，引發安全事故。通常會設置伸縮梁與二級護幫裝置。需要研究自動控制技術解決割煤及時收護幫、及時支護、及時支護到位的難題。

以上問題如能得到很好的解決，智能化技術將能真正應用到復雜地質條件下大傾角、急傾斜工作面，使煤礦工人工作環境由過去的“臟、苦、險、累”，變成現在地面采煤，才能將高危行業向本質安全型轉變，這將是建設本質安全型礦井和煤炭生產方式變革的發展方向。