煤礦井下機械化綜采技術方案的應用研究

元樂義

（晉能集團山西王家嶺煤業有限公司，山西 保德034000）

近年來，隨著綜采技術的不斷提升，以采煤機、液壓支架、刮板輸送機為核心的自動化綜采設備不斷投入應用，極大的提升了煤礦井下的自動化水平和綜采效率，但由于缺乏統一的聯合控制技術，各類設備之間均為孤島式作業，需人工配合調整，效率低、可靠性差。而且由于井下支護技術方案落后，在巷道支護過程中支護流程繁瑣、支護穩定性差，需要反復調整。因此井下各機械設備的聯合運行特性差、巷道支護方案落后，已經成為限制煤礦井下綜采作業效率進一步提升的核心瓶頸。本文提出了機械化綜采技術方案，采用了聯動控制的思想實現了對井下采煤機、液壓支架、刮板輸送機工作過程中的聯動控制，不僅極大的提升了自動化綜采效率而且為實現井下綜采無人化作業奠定了基礎。優化了支護方式，降低了支護作業時間，實現了在確保支護作業安全情況下降低支護作業時間，根據實際應用表明新額機械化綜采技術方案能夠將井下綜采作業效率提升11.7%以上，具有極大的應用推廣價值。

1 機械化聯動控制方案

為了提升井下采煤機、刮板輸送機、液壓支架的聯合運行效率和安全性，本文提出了一種機械化聯動控制方案，該聯合控制系統包括了地面監控中心、井下監控中心及聯合控制單元，地面監控中心主要用于對進行各機械設備的運行情況進行遠程監測和控制，井下監控中心主要是用于對現場各設備運行情況參數的收集和處理，根據地面控制中心的指令發出聯動控制數據，系統中還設置有不間斷電源，確保在緊急情況下的穩定運行需求，聯合控制單元則主要是指井下采煤機、刮板輸送機、液壓支架接收到控制指令后完成相關的動作并返回完成信息，在各控制設備上設置有多種類型的監控單元，用于實現對設備運行情況的實時監測，該機械化聯動控制系統整體結構如圖1所示[1]。

圖1 機械化聯動控制系統結構示意圖

在聯動控制過程中，采煤機利用自動截割控制技術實現自動截割作業，液壓支架則根據采煤機的截割作業狀態自動調整不同區域支架的收放護幫板、移架和推移，刮板輸送機則會根據采煤機的截割作業速度自動調整刮板輸送機的運行速度，滿足聯動運行控制。系統能夠穩定運行的基礎在于對各機械設備運行狀態的監測，根據聯動運行控制需求，設備運行過程中的監測數據包括采煤機的位置、采煤機的行走速度、液壓支架的推移行程、支柱的工作壓力、刮板輸送機的運行負荷等。

對采煤機位置的監測主要是通過在采煤機的減速箱上設置編碼器，根據采煤機運行過程中的轉過的圈數來確定采煤機的相對位置[2]。采煤機進給速度的監測主要通過對牽引電機的轉速的監測確定。液壓支架的推移行程則是通過設置在推移千斤頂上的行程傳感器進行監測，將監測結果轉換為電子信號傳遞到控制中心。對液壓支柱工作壓力的監測，主要利用安裝在支柱內部的壓力傳感器進行連續不斷的壓力監測。對刮板輸送機運行負荷的監測則可以通過對刮板輸送機驅動電機的輸出電流進行。

通過對采煤機、刮板輸送機、液壓支架建立聯合運行控制系統，能夠實現對井下綜采過程中的自動化聯合控制，有效解決了人工調整液壓支架、刮板輸送機導致銜接失效問題，為實現綜采面無人化綜采作業奠定了基礎。

2 自動綜采技術優化

傳統人工控制截割方案無法滿足聯動控制要求，因此提出了一種新的采煤機自動綜采技術方案，該割煤控制系統采用智能化自動截割作業，工作面回采時人工割煤一個循環智能化系統記憶割煤方式，之后系統根據記憶自行割煤[3]，如有頂底板變化、構造等特殊情況時人工進行干預；工作面正常后，人工割煤一個循環系統記憶割煤方式再恢復智能化系統。采煤機向機頭方向行駛，割通機頭煤壁，漏出半滾筒，停止行走，上滾筒下降，通過截割記憶功能實現機頭端滾筒下降后的臥底量，折返機尾方向行走，經過彎曲段，至巷道尾部時架斜切進刀割煤，停止行走采煤機，再折返機頭方向行走，此時推溜動作已經結束，采煤機開始割三角煤，再次割通機頭，停止行走，同樣機頭端滾筒下降到記憶位置，折返掃底刀向機尾方向正常割煤，直到割通機尾煤壁，此為一個循環即兩刀，循環進度0.8 m。機尾斜切進刀方式同機頭。該自動割煤技術能夠適應性煤礦井下復雜地質環境，綜采作業速度快、安全性好、穩定性高，能夠滿足井下自動化綜采作業的技術要求。

3 頂板支護方案優化

由于通常的井下巷道斷面寬度為6 m，導致實際綜采作業過程中礦壓波動時對頂板的壓力沖擊作用明顯，為了確保頂板支護安全性，需要增加大量輔助支護錨桿，從而限制了綜采作業效率的提升，因此在經過合理的計算，同時結合各機械化綜采設備綜采作業需求，采用將巷道斷面寬度降低為5.2 m的窄面巷道結構，該類型的斷面寬度能夠將拱形的承壓效果發揮到最大[4]，從而達到優化支護結構，提升支護效率的目的，優化后的支護結構如圖2所示。

由圖2可知，優化后的巷道支護結構，其支護錨桿由最初的6根降低到現在的5根，支護錨索的長度由最初的9 m降低到目前的6 m，同時綜采面之間的連接間距也由最初的60 m，提升為目前的180 m。優化后的支護方案比優化前降低了約1/6的工作量，而且支護結構更為合理，能夠在確保對巷道支護安全的情況下降低支護作業時間，提升支護效率，為進一步提升綜采速度奠定基礎。

圖2 井下巷道支護結構示意圖（mm）

根據實際應用，采用該綜合化綜采方案后井下綜采作業效率提升11.7%以上，而且綜采安全性和支護安全性得到了有效的提升，目前已經得到了廣泛的應用。

4 結論

針對煤礦井下機械化綜采缺乏聯動控制，巷道支護結構復雜，嚴重影響煤礦井下綜采作業效率提升的現狀，本文提出了一種新的煤礦井下機械化綜采技術，采用了聯動控制的思想實現了對井下關鍵機械化綜采設備工作過程中的聯動控制，優化了支護方式，降低了支護作業時間，根據實際應用表明：

1）通過對采煤機、刮板輸送機、液壓支架建立聯合運行控制系統，能夠實現對井下綜采過程中的自動化聯合控制，有效解決了人工調整液壓支架、刮板輸送機導致的銜接失效問題，為實現綜采面的無人化綜采作業奠定了基礎。

2）自動綜采技術方案能夠適應性煤礦井下復雜的地質環境，綜采作業速度快、安全性好、穩定性高，能夠滿足井下自動化綜采作業的技術要求。

3）優化后的支護方案比優化前降低了約1/6的工作量，而且支護結構更為合理，能夠在確保對巷道支護安全的情況下降低支護作業時間，提升支護效率。

4）新的綜采技術方案能夠將井下綜采作業效率提升11.7%以上，而且綜采安全性和支護安全性得到了有效的提升。