綜采自動(dòng)化智能無(wú)人化技術(shù)與應(yīng)用

趙 軍

（大同煤礦集團(tuán)同家梁礦安檢站，山西 大同 037003）

綜采自動(dòng)化是指在煤礦采掘工程中的設(shè)備具有自動(dòng)化控制和智能化操作功能，可以減少工作面操作人員數(shù)量，甚至可實(shí)現(xiàn)無(wú)人化開(kāi)采。目前，全世界只有CAT 、JOY和Eickhoff等知名企業(yè)可以生產(chǎn)比較高端的自動(dòng)化采掘設(shè)備。我國(guó)只能通過(guò)進(jìn)口設(shè)備來(lái)完成綜采自動(dòng)化煤礦采掘工程。下面是同煤集團(tuán)同忻煤礦8201工作面進(jìn)行綜采自動(dòng)化采掘工程的具體情況。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)狀況的剖析

對(duì)8201工作面的位置、相鄰及井上下關(guān)系、煤層頂?shù)装宓刭|(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)、瓦斯及其他影響回采因素、工作面儲(chǔ)量及服務(wù)年限做了詳細(xì)的勘察、計(jì)算和剖析，儲(chǔ)量具體情況如表1。

1.2 采空區(qū)積水情況

8201工作面上覆有同家梁礦、永定莊礦侏羅系大同組煤層采空區(qū)，其中工作面736m對(duì)應(yīng)上覆有同家梁礦404盤(pán)區(qū)采空區(qū)，736m至切眼上覆有永定莊礦309、402盤(pán)區(qū)采空區(qū)。工作面內(nèi)石炭系3～5#層與上覆侏羅系14#層層間距135.6～176.0m。針對(duì)上覆采空區(qū)情況，施工了17個(gè)井下探放水孔，其中5201巷施工5個(gè)孔，2201巷施工16個(gè)。見(jiàn)空鉆孔17個(gè)，出水鉆孔5個(gè)，共計(jì)疏放上覆老空區(qū)水1.5萬(wàn)m3。

1.3 奧陶、寒武系灰?guī)r承壓水情況

根據(jù)山西省煤炭地質(zhì)115勘察院編制的《大同煤礦集團(tuán)同忻礦礦井水文地質(zhì)類(lèi)型劃分報(bào)告》附圖“寒武-奧陶系灰?guī)r頂界及水位等值線圖”，8201工作面奧陶系灰?guī)r埋藏深度471.57（1106孔）～583.88m（1508孔），O1地層頂界標(biāo)高719～741m，水位標(biāo)高995～1011m，工作面全區(qū)帶壓。根據(jù)DT2孔抽水試驗(yàn)，單位涌水量0.000932L/s·m。根據(jù)工作面周邊揭露奧灰鉆孔分析，奧灰含水層巖溶裂隙發(fā)育不均，富水性弱-中等。根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》附錄四中突水系數(shù)T=P/M計(jì)算，3～5#煤層突水系數(shù)0.023～0.057MPa/m，全區(qū)突水系數(shù)均小于0.06MP/m，為安全區(qū)。綜合論證，8201工作面具備安全開(kāi)采條件。

表1 儲(chǔ)量計(jì)算參數(shù)表

2 采用的主要設(shè)備及其自動(dòng)化控制

2.1 液壓支架

8201工作面選用由中央機(jī)場(chǎng)生產(chǎn)的128架液壓支架，其中中部支架的架型為四柱支撐掩護(hù)式正四連桿低位放頂煤支架，型號(hào)為ZF15000/27.5/42，數(shù)量為118架；過(guò)渡支架的架型為ZFG13000/27.5/42H型正四連桿過(guò)渡支架，數(shù)量為9架；端頭支架的架型為一組ZTZ20000/30/42放頂煤端頭支架，共采用2架。液壓支架采用液壓、電氣多渠道控制方法，可實(shí)現(xiàn)跟機(jī)移架、程控、鄰架和成組作業(yè)等多種自動(dòng)運(yùn)行方式。

2.2 采煤機(jī)

選用由Eickhoff公司生產(chǎn)的1715kW采煤機(jī)，其采高5240mm，臥底量370mm，牽引速度0～26.8m/min，牽引力0～869kN，截深800mm，完全符合8201工作面的使用條件，采用交流電牽引，變頻控制技術(shù)，有自動(dòng)調(diào)高、自診故障、自動(dòng)定位等自動(dòng)化功能，還能夠完成對(duì)工作臺(tái)面和液壓支架的通訊和控制。

2.3 刮板運(yùn)輸機(jī)

前后刮板運(yùn)輸機(jī)都是由美國(guó)JOY公司生產(chǎn)的GXW74（Morley）運(yùn)輸機(jī)，其運(yùn)輸能力為3000t/h，裝載功率為2×1050kW，滿(mǎn)足8201工作面的生產(chǎn)要求，該運(yùn)輸機(jī)具有皮帶自張緊、自診故障功能，還能夠完成對(duì)工作臺(tái)面的通訊和控制。

2.4 工作面自動(dòng)控制系統(tǒng)

工作面自動(dòng)控制系統(tǒng)是整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的控制中心，不僅要實(shí)時(shí)通訊和控制液壓支架、采煤機(jī)、運(yùn)輸機(jī)等主要設(shè)備，還要對(duì)轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、乳化液泵站以及其他輔助設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化控制，還能實(shí)現(xiàn)所有設(shè)備間的通信和人工干預(yù)調(diào)整等。

3 施工中面臨的問(wèn)題及解決方案

（1）保證開(kāi)采的連續(xù)性。經(jīng)前期勘查，8201工作面煤層存在很大的不穩(wěn)定性，夾有矸斷層，頂板易出現(xiàn)破碎現(xiàn)象，底板太軟，地壓的沖擊大，這些不確定因素都會(huì)造成工作面片幫、冒頂或輸送機(jī)跑偏、扎低以及液壓支架倒塌等狀況的發(fā)生，導(dǎo)致無(wú)法連續(xù)開(kāi)采。井下作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜性和受安全條件制約等多方面因素影響，是綜采自動(dòng)化采收面臨難題之一，為防止此類(lèi)事件的發(fā)生就要做好完善的準(zhǔn)備調(diào)研工作，深入了解礦井信息，將一切不確定因素排除在計(jì)劃之外，以保證開(kāi)采的連續(xù)性。

（2）設(shè)備種類(lèi)繁多，相互信息傳遞存在一定難度。8201工作面系統(tǒng)龐大，各個(gè)元件之間關(guān)聯(lián)、配合復(fù)雜，所以對(duì)控制的準(zhǔn)確性、順序性要求很高。設(shè)備檢測(cè)工作環(huán)境信息的能力有限，若設(shè)備不能構(gòu)成閉環(huán)實(shí)時(shí)信息監(jiān)控，不能獲取采掘工作中裝備突破巖層時(shí)的狀態(tài)，就很難完成設(shè)備配合的準(zhǔn)確性和快速性；系統(tǒng)中高壓、高頻設(shè)備種類(lèi)繁多，會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁干擾，對(duì)信號(hào)輸送影響很大，電纜隨設(shè)備運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生位移和彎曲，也會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生影響，所以造成了信號(hào)遠(yuǎn)距離傳送困難；設(shè)備采購(gòu)來(lái)自廠家不統(tǒng)一，設(shè)備間通訊協(xié)議和信號(hào)接口存在差異。為了解決這些問(wèn)題，施工前必須做好信號(hào)調(diào)試工作，統(tǒng)一信號(hào)傳輸協(xié)議和電纜對(duì)接接口，施工中做好自動(dòng)監(jiān)控和人工干預(yù)工作，出現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)修正，保證施工的順利進(jìn)行。

（3）雖然很多綜采設(shè)備都帶有自診故障功能，但自維修功能不完善。由于工況復(fù)雜，時(shí)常會(huì)引起設(shè)備的硬性損傷性故障，進(jìn)口設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維修能力薄弱，設(shè)備損傷性故障會(huì)降低開(kāi)采速度和開(kāi)采效率。要想克服此類(lèi)困難，必須使用業(yè)務(wù)能力較強(qiáng)的操作人員和維修人員，操作精準(zhǔn)減少故障的發(fā)生，加強(qiáng)維修能力，減少維修時(shí)間，降低維修成本，間接提升采收速度和采收效率。

4 施工工藝

采煤機(jī)斜切進(jìn)刀→割煤→移架→推前溜→放頂煤→拉后溜，此為一個(gè)正規(guī)循環(huán)，照此往復(fù)不斷割煤。采煤機(jī)采用雙向割煤法，從頭到尾或從尾到頭，采煤機(jī)沿牽引方向，升起前滾筒按設(shè)計(jì)采高割頂煤，后滾筒沿底板割底煤。

采煤機(jī)進(jìn)刀采用在工作面兩端頭斜切割三角煤進(jìn)刀法，其進(jìn)刀工藝如下（詳見(jiàn)圖1）：

（1）采煤機(jī)割煤至頭部或尾部停機(jī)并拉回支架，反向牽引，同時(shí)調(diào)換兩滾筒上下位置，割掉端頭采煤機(jī)段底煤。

（2）采煤機(jī)后滾筒15m外溜子全部推移到位。

（3）采煤機(jī)割掉端頭段底煤后沿溜子彎曲段逐步斜切入煤壁，直至兩滾筒完全切入煤壁。

（4）將端頭溜子彎曲段全部推移到煤壁并移直，放頂煤，拉后部運(yùn)輸機(jī)。

（5）采煤機(jī)再次反向牽引，同時(shí)對(duì)調(diào)兩滾筒上下位置，割掉機(jī)身段底煤和三角煤，采煤機(jī)割煤到端部。

（6）將采煤機(jī)再次反向牽引，來(lái)回2～3次，將三角段浮煤掃清之后，采煤機(jī)進(jìn)入正常割煤至尾部或頭部。

圖1 斜切進(jìn)刀方式示意圖

5 施工結(jié)果

（1）工作面長(zhǎng)度：根據(jù)礦井盤(pán)區(qū)劃分及二盤(pán)區(qū)開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)，確定8201工作面傾向217.5m。8201工作面西部為盤(pán)區(qū)三條大巷故留設(shè)保護(hù)煤柱100m，確定工作面走向長(zhǎng)度為2038m。

（2）采高：根據(jù)8201工作面采用SL-500型采煤機(jī)及ZF15000/27.5/42型低位放頂煤支架，綜合考慮支架高度確保工作面來(lái)壓期間立柱收縮后采煤機(jī)能夠正常通行，支架后擺梁上下擺動(dòng)能夠滿(mǎn)足放頂煤要求以及采高對(duì)煤壁片幫的影響，確定工作面采高為3.9m。

（3）截深：8201工作面配套使用ZF15000/27.5/42型支架，推移千斤行程為0.96m，確定8201工作面截深為0.8m。

（4）綜放工作面放煤步距及停采前頂煤留設(shè)距離：根據(jù)二盤(pán)區(qū)已采工作面經(jīng)驗(yàn)確定，放煤步距為一刀一放，放煤步距為0.8m，初次放煤步距為20m，停采前不放煤的距離為30m。

（5）煤柱留設(shè)：8201工作面西部為盤(pán)區(qū)三條大巷故留設(shè)保護(hù)煤柱100m，北側(cè)為二盤(pán)區(qū)8202和8203采空區(qū)保護(hù)煤柱38m。

6 結(jié)語(yǔ)

完善和推廣綜采自動(dòng)化開(kāi)采系統(tǒng)，減少操作人員數(shù)量，提高生產(chǎn)效率和開(kāi)采速度，是煤炭企業(yè)提高采收速度和采收率的重要方法。做好開(kāi)采前的準(zhǔn)備工作和工作面的信息調(diào)研，加強(qiáng)設(shè)備之間的通訊管理，提升操作人員和維修人員業(yè)務(wù)能力，使綜采自動(dòng)化、智能化、少人化技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，逐步解決技術(shù)難題，最終實(shí)現(xiàn)安全、智能、無(wú)人、高速開(kāi)采。