大采高高突工作面智能化開采系統研究與應用

文/張國川

平寶公司是中國平煤神馬集團與上海寶鋼集團合資建設的礦井，礦井設計生產能力240萬t/a，礦井瓦斯含量高、壓力大、井下地質條件復雜。為了解決大采高高突綜采工作面作業人員多、工人勞動強度大、信息傳遞慢、開采實時動態監控等問題，經反復研究論證，平寶公司在己15-17-12100綜采工作面推廣應用大采高智能化開采技術，以先進可靠的電液控制系統、三機在線監控系統、泵站控制系統、采煤機控制子控制系統為基礎，以工作面人員識別系統、頂板壓力檢測系統、設備監測系統、環境監測系統和工作面視頻系統為保障，以工業總線網絡為通道、大數據分析和處理為依據，通過高端集控設備為平臺，重點解決采煤機記憶截割、精確定位問題，實現三機設備之間協同控制，乳化液泵站智能化運行，為實現減人提效、安全高效生產提供了有力保障。

一、工作面概況

己15-17-12100工作面位于己二采區西翼下部，采面可采走向長1393m，采長256m，采面回采己15-17煤層，采高6.5m，可采儲量285萬t，采用傾斜長壁后退式一次采全高，全部垮落法處理采空區的機械化采煤法。己15-17-12100工作面直接頂為砂泥巖互層，厚度2.8～6.0m，灰色，塊狀結構，鏡面發育，具波狀層理；基本頂為細至中粒砂巖，厚度12.4～27.2m，灰色，塊狀結構，以石英為主，裂隙發育，分選中等，富含云母片，具交錯層理。直接底為砂泥巖互層，厚度3.4～6.2m，深灰色，薄層狀，夾細砂巖層，遇水易膨脹；基本底為石炭紀灰巖上段，厚度16.7m，深灰色，塊狀，隱晶質結構，含動物化石碎屑，上部為泥灰巖，裂隙發育，夾一厚度為0.3m的煤線。

二、工作面智能化開采系統構建及功能

1. 智能化綜采工作面系統結構

工作面配備有MG750/1840-WD型采煤機、SGZ-1000/2400型刮板輸送機、SZZ-1000/525型橋式轉載機運輸，ZY13000-30/65D型液壓支架，通過由以太網液壓支架控制器組成的工作面以太網數據傳輸平臺，將液壓支架電液控制系統、三機控制子系統、采煤機控制子系統、工作面視頻系統、泵站控制子系統、順槽皮帶控制子系統、智能刮板運輸系統等集成到采用 vistwo 技術的工控自動化平臺上。工控自動化平臺采用同一數據庫，同一顯示控制平臺，通過數據分析，實現綜采工作面人員設備和環境一體化。整個控制系統的組成和架構如圖1所示。

2.智能化綜采工作面系統功能

智能化綜采工作面系統具備下列功能。

（1）支架電液控制系統能夠對支架壓力、支架推移行程、工作面采高等信息進行監測，實現了鄰架操作、成組動作和自動移架，以及無線遙控控制、自動補壓，具備了支架跟機自動化、自動割三角煤以及支架遠程控制功能；電液控制器具有聲光報警、急停、閉鎖及故障顯示功能。

（2）采煤機定位系統利用射頻、紅外及采煤機行程編碼器，實現了對采煤機位置的精確定位。采煤機遠程監控系統實現了對采煤機油泵運行狀態、左右滾筒運行狀態、牽引速度及方向、搖臂升降狀態及高度等信息的遠程監測，同時可對采煤機進行地面一鍵啟停與控制。

（3）破碎機、轉載機、刮板運輸機的控制系統，可以在井下集控主機及集控中心主機遠程控制三機的啟停，包括一鍵啟停、聯動模式和點動模式。

（4）乳化液泵站控制系統將泵站機械卸載閥更換為電磁卸載閥，實現在順槽監控中心控制泵站啟停等功能，該集成供液系統具備數據雙向傳輸，可以在井下集控主機及地面集控主機正確顯示泵站的運行狀態并控制泵站啟停。

（5）順槽集控室實現了對綜采設備的統一集成監控，能夠實現對工作面的視頻監視與設備的監測與控制。地面集控中心實現了對工作面的實時監測、視頻的自動存儲，實現對綜采工作面遠程操控。

圖1 智能化綜采工作面系統結構

三、工作面智能化開采研究與實踐

1.工作面礦壓顯現規律及其特征

工作面礦壓監測系統作為環境監測系統的組成部分，通過工控平臺對來自工作面立柱壓力數據進行分析，生成工作面礦壓分布曲線，以及液壓支架支護規劃。該系統具有采集工作面頂板壓力、設定預警值和報警值，對工作面支架壓力進行報警等功能，通過實時監測和數據分析，掌握工作面頂板的運動規律，預測頂板的周期來壓和來壓強度。

己15-17-12100綜采工作面長度為256m，共安裝149架支架，采用實時觀測記錄壓力數據。觀測時間為2019年10月1日至12月15日，相應工作面推進距離為104.8m，觀測長度為104.8m。觀測主要提取分析20#、60#、120#支架壓力數據。據觀測，支架工作阻力隨工作面推進長時間內沒有明顯變化，來壓特征也不明顯，20#支架實測平均壓力為26.54MPa，當工作面推進32.4m時，工作面普遍出現來壓現象，壓力普遍升高，工作面基本頂初期來壓步距32.4m，來壓時最大工作阻力為11.77kN，是額定工作阻力的90%。隨著采面不斷推進，當工作面再推進22.3m時，工作面中部支架的工作阻力變化高于兩端支架阻力變化，基本頂周期來壓步距22.3m。工作面支架阻力主要分布在24～28MPa之間，工作面周期來壓期間支架載荷大于初次來壓期間支架載荷。說明在大采高條件下，基本頂厚度相對較薄時，承受上覆巖層的壓力弱，隨著工作面推進，基本頂層位必然上升，造成周期來壓期間支架載荷較初次來壓大。

傳統大采高工作面礦壓監測基本上采用人工記錄和人工數據處理，存在觀測精度低，工作面支架狀態調整滯后等問題，容易出現頂板管理不到位引起片幫、冒頂等事故。智能化礦壓監測系統主機通過收集支架壓力、護幫壓力、采高等數據對工作面頂板活動規律進行分析，設定系統監測參數，對初撐力達不到26MPa的液壓支架進行自動補壓，并將工作面實時礦壓監測數據顯示到監控主機上，集控中心操作人員能夠根據工作面頂板壓力變化情況，預測周期來壓時間，及時采取管理措施，有效杜絕了頂板事故。

2.智能化工作面開采工藝

通過分析研究己15-17-12100綜采工作面工程地質條件及現場實際情況，利用工作面智能化礦壓監測系統，分析工作面礦壓顯現規律及其特征，編制出智能化大采高綜采工作面采煤工藝，智能化綜采的主要流程包括以下步驟。

（1）啟車。

①集控中心：登錄三機控制主機，獲取三機控制權限→②工作面確認安全→③井下：三機和采煤機進行遠程控制授權→④集控中心：三機控制切換到一鍵順序啟停模式→⑤集控中心：三機一鍵啟車；采煤機遠程啟車。

（2）中間段割煤（20～129架）。

①收護幫：前滾筒前方2架開始依次收護幫；先收二級護幫，再收一級護幫，伸縮梁不動作→②伸護幫：煤機后滾筒后方第2架開始依次伸護幫；先伸出伸縮梁，再伸出一級護幫→③推溜：煤機后滾筒后方第5架依次推溜；行程達到890mm停止→④移架：煤機后滾筒后方第10架開始依次自動移架；先收一級護幫；降立柱同時伸抬底，使架腳抬起；拉架，行程達到0mm停止；升立柱，初撐力達到26MPa；先伸一級護幫，再伸二級護幫。

（3）機頭割三角煤（1～20架）。

①機頭1割透：煤機下行，機頭割透；煤機位置1～11架，20架以上溜子已推、架子已拉，11～20架是斜子→②返刀拾煤：返刀上行至4～14架，下行拾煤至1～11架，溜子不動，架子不動→③入窩：返刀上行至20～30架，20～1架推溜，20～1架拉架→④機頭2割透：煤機下行割煤，機頭割透（煤機位置1～11架）→⑤返刀拾煤：返刀上行至4～15架，下行拾煤至1～11架，溜子不動，架子不動→⑥煤機上行：返刀上行正常割煤。

（4）機尾割三角煤（140～149架）。

①機尾1割透：煤機上行，機尾割透；煤機位置139～149架，129架以下溜子已推，架子已拉，129～139架是斜子→②返刀拾煤：返刀下行至135～145架，上行拾煤至139～149架，溜子不動，架子不動→③返刀下行至119～129架，129～149架推溜，129～149架拉架→④煤機上行割煤，機尾割透（煤機位置139～149架）→⑤返刀拾煤：返刀下行至135～145架，上行拾煤至139～149架，溜子不動，架子不動→⑥煤機下行：返刀下行正常割煤。

四、智能化開采技術的應用效果

1.本質安全可靠性大幅提升

工作面所有設備的操控任務由監控中心操作員利用遠程操作臺來完成，主要負責綜采設備的啟停、遠程人工干預采煤機進行各項動作并進行自動跟機過程中的補架等工作。工作面所有設備的安全監護工作由巡檢工來完成，巡檢工主要在開采過程中觀察設備運行情況，發現問題時緊急停機，并聯系技術人員來共同解決問題。現場實踐表明：采用智能化生產技術后，實現了工作面設備遠程控制為主、人工干預為輔的生產局面，解決了在復雜條件下工作面快速連續推進難題，實現了工作面高效智能化連續開采，達到了“少人則安，無人則安”的目標。

2.實現了減人提效目標

通過智能化開采技術的應用，工作面單班作業人員大幅減少，目前工作面生產單班作業人員由原來的20人減少至6人，具體分配為巡檢工3人，集控中心操作工1人，泵站司機1人。

3.單產水平大幅提升

按照日推進6刀的正規循環組織生產，雙滾筒采煤機記憶截割，液壓支架自動跟機移架支護，月產量為25萬噸。目前，首山一礦具備在高瓦斯突出條件下“一井一面”年生產300萬噸的能力。

五、結論

河南平寶煤業有限公司在大采高工作面開采技術應用的基礎上，結合礦井發展升級的需要，在己15-17-12100綜采工作面開展了智能化大采高綜采技術研究，通過以太網液壓支架控制器組成的工作面數據傳輸平臺，將工作面主要系統集成到搭建的自動化工控平臺上，結合智能化大采高工作面礦壓顯現規律，針對性地制定出智能化工作面開采系統方案，形成了符合首山一礦特色的大采高智能化開采模式。作為河南省首個智能化大采高工作面，己15-17-12100綜采工作面自2019年10月試生產以來，智能化生產保持常態化穩定運行，智能化大采高開采技術的應用大幅提升了綜采設備之間的協同工作水平，為建設大型現代化礦井提供了有力支撐。