綜放工作面智能化開采研究

王 猛

（山西焦煤汾西礦業柳灣煤礦， 山西 孝義 032303）

引言

近些年隨著煤礦綜合自動化技術以及傳感器監測技術的快速發展，采煤機、刮板輸送機、液壓支架等綜采設備基本實現自動化控制，同時也為礦井智慧化工作面構建創造了良好基礎[1-3]。但是受到煤礦井下環境惡劣、地質構造復雜等因素影響，煤炭開采設備仍需通過人員進行現場操控[4]。井下作業人員仍需在采面危險、惡劣環境中工作[5-7]，因此，實現采煤工作面智能化開采，實現開采設備按照預先設定程度、傳感器監測信息自動調整生產，對提高煤炭生產效率具有顯著促進意義。

1 工程概況

山西某礦8503 綜放工作面開采5 號煤層，采面埋深平均420 m，厚度12.3 m，采面設計推進長度2 800 m、斜長200 m，采面采放比為1∶2.8。采面開采范圍煤炭賦存條件整體較好，除去東側為采面采空區、南側為采區集中運輸巷外，其余西側及北側均為實體煤。8503 采面上覆為3 號煤層采空區，由于3 號煤采用沿空留巷技術，因而對應采空區內無護巷煤柱。

由于8503 采面為智能化綜放工作面，綜放設備選擇時應重點分析設備穩定性、可靠性，同時采面推進速度應能滿足回采需要。具體采面主要綜放設備型號規格見表1，采面內主要綜放設備均具備自動控制功能。

2 綜放開采關鍵技術

2.1 采煤機記憶截割

采煤機智能化控制過程中涉及到的技術包括有采煤機記憶截割、精準定位、安全感知等，其中記憶截割是實現采煤機智能化控制的關鍵。采面會采前根據采面端頭位置布置三維坐標，采面傾向、走向及垂直方向分別為X、Y、Z 軸，采面內采煤機需往返運動，因此構建的坐標體系以采煤機為坐標原點，具體為：精準確定采煤機初始位置；通過傾角傳感器確定采煤機仰、俯角及機身偏轉角；通過慣性導航方法確定采煤機姿態、位置，從而實現采煤機動態精準定位。

表1 主要綜放設備型號規格

由于開采的5 號煤層厚度達到12.3 m，因此，采煤機在后續生產過程中采高基本保持不變。通過收集采煤機前期運行數據、采面頂底板參數以及已有地質參數，確定采煤機不同位置時的割煤深度，自動控制系統根據已經參數調整采高、推進速度。紅外傳感器探測液壓支架頂梁位置避免采煤機滾筒截割頂梁。當開采范圍內地質構造復雜、智能化控制無法較好的滿足生產控制時，可通過人工干預來確保采面正常生產，具體控制流程見下頁圖1。

2.2 液壓支架跟機運行

液壓支架依據采煤機運行自動調整位置，從而實現采煤機、液壓支架以及刮板輸送機間的協同控制。液壓支架跟機運行實現融合支架電液控制、放頂煤開采工藝、采煤機精準定位等技術，并通過控制程序實現各設備的自動化控制。

圖1 采煤機記憶截割控制流程

采煤機割煤時超前采煤機3 架的液壓支架首先回收護幫板同時液壓支架開始噴霧降塵，滯后采煤機3 架的液壓支架開始伸出護幫板并前移支架，隨后開始前移刮板輸送機。具體液壓支架跟機運行控制流程見圖2。

圖2 液壓支架跟機運行示意圖

2.3 自動放煤

放頂煤時通過采用煤矸自動識別系統來實現煤、矸石區別，從而實現自動放煤，使得采煤機割煤、放煤、支架支護以及煤炭運輸等生產環節自動完成。以往煤巖識別通過超聲波、紅外線以及射線等技術，由于綜放工作面放煤時煤矸條件更為復雜，上述技術適應性較差。為此，采面采用記憶模式自動放煤。

由于8503 綜放工作面開采范圍內地質條件較好，采煤割煤深度基本保持不變，割煤后放頂煤為單一重復操作工作，采用記憶放煤功能將放煤人員人工操作過程記錄下來，通過智能控制器控制后續放煤操作。現場操作流程為：在綜放支架上安裝放煤控制器，該控制器可存儲放煤操作人員操作支架的工序、間隔時間，后對控制器存儲到的數據進行分析，形成自動放煤程序，實現自動放煤及煤矸識別。

2.4 防片幫技術

煤壁片幫會給采面正常生產帶來影響，為此在支架護幫板位置布置壓力傳感器，當液壓支架伸出護幫板支撐煤壁時，壓力傳感器即可采集護幫板作用到煤壁上的側向應力并將壓力監測結果傳輸給支架控制器。當護幫板提供的側向壓力達到預先設定值后，護幫板保持原狀態不變；若側向壓力為達到設定值時，則液壓支架按照預先設定的控制程序自動增加護幫板壓力，確保給煤壁的側向壓力達標，避免片幫事故發生。具體現場應用情況見圖3。

圖3 現場應用情況

2.5 支架姿態控制

當采面有煤層賦存角度發生變化或處于俯采、仰采時，液壓支架在移架時均可能發生倒架、咬架事故，給采面生產帶來威脅。通過在液壓支架上安設傾角傳感器，實時監測支架在移動過程中的姿態，當發現局部位置液壓支架角度超過設定閾值或者臨近支架間夾角超過允許值時，則立即停止支架運移并調整姿態，確保支架移架安全。

3 結語

厚煤層綜放開采工藝相對復雜，采用智能化開采工藝可顯著減少采煤工作面作業人員數量并提高煤炭開采效率。文中對8503 綜放工作面采用的采煤機、液壓支架、放煤、支架姿態調整、自動放煤及煤壁片幫防治等智能控制技術展開探討。

由于煤礦井下空間狹小、采煤過程受到諸多不利因素制約，智能化綜放工作面在應用過程中仍面臨綜放設備運行時無法隨采面地質條件變化及時調整問題，應在后續研究中給予重點關注。