千萬噸綜放工作面設備智能化升級與選型配套

趙宇明

(大同煤礦集團 馬道頭煤業有限責任公司，山西 大同 037100)

大同礦區特大型千萬噸礦井主要開采煤層為C3-5號層特厚煤層，平均煤層厚度在14 m以上，開采方法為一次采全厚綜采放頂煤采煤法，高產高效綜放工作面的實際生產能力已經達到年產1 000萬t，為了進一步提高綜放工作面生產效率，降低作業人員勞動強度，從提高設備自動化和智能化入手[1-2]，對工作面設備選型進行了升級改造。具體對液壓支架、采煤機、刮板輸送機、破碎機、膠帶輸送機、設備列車等進行升級改造，最終實現工作面智能化開采。

1 現有年產1 000萬t綜放工作面設備選型

以塔山礦8115綜放工作面為例，該工作面傾向長230 m，可采走向長2 814 m，平均煤厚15 m，煤層傾角2～4°，工作面儲量約為1 400萬t，日產量為3萬t，該工作面為當下大同礦區具有代表性的千萬噸綜放工作面，其設備選型具體見表1、表2。

表1 8115工作面機電設備選型配套

表2 液壓支架技術參數

2 年產1 500萬t綜放工作面設備升級改造

工作面產量的提高，相配套的設備必須進行相應的調整，本文以1 500萬t產量為依據對工作面設備進行升級改造。提高設備效率和智能化水平是本次設備選型升級改進的重點，下面從液壓支架、采煤機、刮板輸送機、破碎機、膠帶輸送機等智能化核心部件入手。

2.1 液壓支架

考慮到工作面生產能力整體提升后，機電設備功率增加，勢必會導致設備尺寸的增加與采場空間的增大，因此要提高液壓支架支護強度與工作阻力，同時為了實現支架的智能化控制，采用了SAC型電液集中控制系統，可實現支架的編程控制和實現支架與采煤機的聯動；還要集成煤巖識別傳感器，以實現智能放煤。

1) 中部液壓支架。由ZF15000/27.5/42型調整為ZF17000/27.5/42D型，其參數如下：

支架結構高度2 750～4 200 mm；支架寬度1 660～1 860 mm；支架中心距1 750 mm；初撐力12 778 kN(P=31.4 MPa)；支架工作阻力17 000 kN(P=41.8 MPa)；支護強度1.45 MPa；移架步距1 000 mm；泵站壓力31.4 MPa；操縱方式為電液控制；重量約50 t/架。

2) 過渡液壓支架。由ZFG13000/27.5/42型調整為ZFG14000/29/42D型，其參數如下：

高度2 900～4 200 mm；中心距1 750 mm；寬度1 660～1 860 mm；初撐力10 096 kN(P=31.4 MPa)；工作阻力14 000 kN(P=43.5 MPa)；支護強度1.2 MPa；底座前端比壓0～6.47；移架步距1 000 mm；泵站壓力31.4 MPa；操作方式為電液控制；重量約47.5 t/架。

3) 端頭液壓支架。由ZTZ20000/25/50型調整為ZTZ30000/25/50DA型，其參數如下：

高度2 500～5 000 mm；單架寬度920 mm；整架寬度3 320 mm；初撐力15 467 kN(P=31.4 MPa)；工作阻力30 000 kN(P=41.3 MPa)；支護強度0.52 MPa；底板平均比壓1.36 MPa；泵站壓力31.4 MPa；操作方式為電液控制；重量約100 t/架。

2.2 采煤機

采煤機使用艾克夫公司生產的SL500交流電牽引采煤機，在原有機型的基礎上增加智能化配置，具體為：增加了煤機定位系統功能，其定位數據傳輸與支架接收匹配，從而實現煤機與支架聯動；配備視頻攝系統，便于操作人員遠程監視和操作；具有智能截割功能，可根據工藝變化進行修正和人工干預；具有數據傳輸功能，采集的視頻圖像可在巷道集中控制和地面調度室屏幕顯示和遠程控制采煤機功能。

2.3 刮板輸送機

前部輸送機繼續使用卡特彼勒PF6/1142前部輸送機，但將原來的CST啟動方式改為變頻驅軟啟動。

后部輸送機由PF6/1342改為PF6/1542，功率由2×1 050 kW加大至2×1 600 kW，采用變頻驅動，中部槽寬度由1 200 mm增加至1 400 mm，傳動部分采用減速器+限距器+變頻電機，輸送能力由3 500 t/h提升至5 000 t/h。

2.4 轉載機與破碎機

轉載機由PF6/1542調整為PF6/1742，功率由600 kW調整為800 kW，寬度增加200 mm，槽寬增至1 600 mm，運輸能力提升至5 500 t/h；破碎機由SK1184調整為SK1422，功率700 kW。

2.5 膠帶輸送機

膠帶輸送機選用DSJ160/500/5×855膠帶機，電機功率5×855 kW，電壓10 kV，帶寬由1 400 mm加至1 600 mm，采用變頻啟動，動力部采用減速器+電機，輸送能力提升至5 000 t/h 。

2.6 其他設備及智能化技術

乳化液供液方式由工作面自動配比供液改為遠距離集中供液；增加了ABB刮板機智能控制箱+防爆煤量檢測裝置，可實現控制刮板機啟停的基本功能，通過煤量檢測裝置的激光掃描的方式，對刮板機的煤流量進行實時監控，并將掃描的結果發送到控制箱，作為實時調節刮板機速度的依據，除此之外，工作面采用的智能化技術還有：融合高光譜與沖擊振動的煤矸識別技術；探地雷達頂煤厚度在線探測和激光三維掃描放煤量實時監測技術；綜放支架位姿及放煤機構精準控制技術；采放協調和群組放煤智能控制技術等，工作面設備配套見表3。

表3 8222工作面機電設備選型配套

3 技術創新點

1) 該成套放頂煤裝備在智能化水平上目前可代表國內最高水平。

2) 采用大工作阻力液壓支架，對頂煤的支撐、破碎能力加強，提高了堅硬煤層頂煤回收率。此支架在正常采高時，掩護梁水平投影小，即掩護梁較短，背角較大，便于堅硬煤層頂煤的垮落，提高了放煤速度。放煤機構高效可靠；后部輸送機過煤高度達約1 200 mm，增加了大塊煤的運輸能力，尾梁向上回轉角度達20°向下回轉角度達40°，增加了對煤的破碎能力和放煤效果。

3) 前刮板機、采煤機使用成熟配套，確保了千萬噸礦井間通用互換。后刮板機、轉載機、破碎機、膠帶機相應增大級別，確保了單面年產1 500萬t的設備可靠保障。

4) 刮板機、膠帶機應用變頻控制及軟啟動，既確保了設備的可控調速，降低能源損耗，實現綠色開采，又減少設備沖擊，減少設備的維護量。變頻器保護功能完善，具有過載、過電壓、欠電壓、缺相、過熱、漏電、接地、短路等保護功能；而且還具有斷鏈瞬間停機保護功能，避免斷鏈后電機繼續運行造成額外的設備損壞，提高生產效率。

5) 采用ABB刮板機智能控制箱+防爆煤量檢測裝置，控制箱能夠實現控制刮板機啟停的基本功能，通過煤量檢測裝置的激光掃描的方式，對刮板機的煤流量進行實時監控，并將掃描的結果發送到控制箱，作為實時調節刮板機速度的依據。

6) 遠距離集中供液與BRW600大流量乳化液泵站配合使用，既減少了工作面設備列車長度，又可有效保障工作面的快速移架。

7) 工作面集成應用的智能化技術有：煤矸識別技術、探地雷達頂煤厚度在線探測技術、激光三維掃描放煤量實時監測技術、綜放支架位姿及放煤機構精準控制技術、采放協調和群組放煤智能控制技術，這些技術的應用實現了采煤區域裝備，包括液壓支架、刮板輸送機、采煤機等設備開采過程中的智能化，設備列車等輔助設備的自動前移等環節的智能化。

4 應用情況及經濟社會效益

綜合考慮礦井地質構造、煤層賦存條件、生產銜接、工作面參數等因素，分別在在塔山礦C3-5號層8222綜放工作面和馬道頭礦C3-5號層8404綜放工作面進行了單面年產1 500萬t工作面設備智能化升級試驗。通過增加后刮板輸送機、轉載機、破碎機的功率、槽寬，增加膠帶機帶寬、功率等手段提高了工作面運輸能力，使工作面運輸系統能力增加1 500～2 000 t/h達到5 000 t/h，特別是增加后部輸送機寬度和提高后部輸送機運輸能力后，縮短了頂煤放出時間，提高了頂煤回收率。通過采用高強度液壓支架與大流量乳化液泵站遠距離集中供液系統，加大供回液流量，提高移架速度，降低循環時間，達到了提高產能目的。通過集成智能化技術的應用實現了采煤區域裝備，包括液壓支架、刮板輸送機、采煤機等設備開采過程中的智能化運行。工業試驗結果表明：采用智能化升級的綜放裝備后，塔山礦C3-5號層8222綜放工作面和馬道頭礦C3-5號層8404綜放工作面日產量均能達到46 000 t以上，順利實現了年產1 500萬t的目標，該技術有效提高了綜放工作面單產與資源回收率，極大地降低了噸煤成本，為煤礦的智能開采探索了道路。