大傾角智能化工作面防飛矸與自動跟機技術研究

章濤，李強

(四川華鎣山廣能集團 嘉華機械有限責任公司， 四川 廣安 638600)

0 引言

我國煤礦智能化綜采技術近十年來取得了長足進步，地面遠程集中控制，智能化工作面多網合一、透明工作面技術、智能圖像識別、工作面三維可視化技術、智能化工作面+互聯網等最新技術已取得初步成效。但是，目前國內外對綜采智能化技術的推廣應用主要集中在近水平工作面，鮮見在復雜地質條件下(如大傾角)實現智能化開采的先例。研究復雜地質條件下大傾角智能化綜采技術，是實現大傾角綜采工作面安全高效生產的現實需要，對采煤工作面減人、降低工人勞動強度，實現煤礦本質安全具有重要意義[1]。

本文結合川煤集團大寶頂煤礦大傾角智能化綜采實踐，分析大傾角支架架前防飛矸裝置與本質安全型攝像儀及紅外線接收器配套關系中存在的問題，實現大傾角工作面防飛矸控制與智能化綜采自動跟機技術的協調統一，解決大傾角智能化綜采中存在的問題，為大傾角煤層應用智能化綜采控制技術奠定了基礎。

1 礦井基本概況

川煤華榮能源股份有限公司大寶頂煤礦核定礦井年生產能力135萬t，礦井為高瓦斯礦井，采用平硐加暗斜井開拓，集中壓入分區通風。煤層自燃發火傾向性均為Ⅲ級不易自燃煤層，煤塵具有爆炸危險性，礦井水文地質類型為中等。礦井“六大系統”完善并正常使用。2124-15工作面煤層厚度1.6～2.2 m，平均厚度1.9 m。煤層傾角35°～40°，平均傾角35°。

大寶頂煤礦應用SAC電液控制系統、SAM自動化控制系統，實施大傾角智能化綜采。主要配套設備有：ZY4000/13/28QD型液壓支架、SGZ730/2×200型刮板輸送機、MG2×200/870-WD型采煤機。實施大傾角智能化綜采需要攻關的技術難題有：大傾角液壓支架防倒、防滑、防飛矸及自動跟機技術[1]；端頭支架及超前支護工藝；記憶截割技術與人工干預的有效結合；采煤機行走部編碼與支架紅外線的掃描定位；智能化系統元件的保護等關鍵技術。本文重點對防飛矸與自動跟機技術進行分析探討。

2 大傾角智能化控制設備與防飛矸裝置的配套關系

大寶頂煤礦大傾角智能化綜采項目采用SAM型綜采自動化控制系統。SAM型綜采自動化控制系統以工作面視頻、音頻、以太網、紅外定位及遠程控制技術為基礎，其中工作面視頻系統和采煤機紅外定位是實現智能化的關鍵。

2.1 工作面視頻系統

工作面視頻系統作為綜采自動化控制系統的“眼睛”，通過在工作面安裝礦用本安型攝像儀(KBA12-2)，實時觀察采煤機，自動完成視頻跟機推送、視頻拼接等功能，為工作面可視化遠程監控提供“身臨其境”的視覺感受，便于遠程指導生產,如圖1所示。

圖1 工作面視頻系統

2.2 采煤機紅外線定位系統

大寶頂煤礦大傾角智能化綜采采用采煤機紅外線定位和采煤機行走部編碼雙定位方式。采煤機紅外線位置傳感器包括紅外線發送器(GUH5-F)和紅外線接收器(GUH5-S)兩部分。紅外線發送器安裝在采煤機身上，紅外線接收器安裝在液壓支架上。紅外線發送器不停地發送一定頻率的有固定編碼的紅外線信號，當采煤機運行時，安裝在不同支架上的紅外線接收器會收到信號，將此信號通過通信方式傳送至支架控制器，支架控制器通過判斷即可確定采煤機的當前位置[2]。

2.3 防飛矸裝置

大傾角綜采工作面中煤和矸石的滾落、飛濺非常嚴重，其滾落方向具有很強的隨機性，極有可能從支架前面滾落竄進支架內傷害工作人員。另外,在采煤機工作時，其截割下來的煤矸四處飛濺，也會落入支架內傷人。所以，要保障工作人員的人身安全，必須采取防飛矸措施[3]。目前，大傾角防飛矸技術已趨于成熟，支架前面設置防飛矸裝置，支架間設置架間擋矸裝置[4]。架間擋矸裝置只有在“人員巡視”時才使用，架前防飛矸裝置需要在無人采煤時進行協調動作，因此本文重點對架前防飛矸裝置進行研究。

架前防飛矸裝置安裝在刮板輸送機上，位于支架前部，活動擋矸板隨著千斤頂的伸出和收縮而上升或下降,如圖2所示。根據采煤工作面需要，升到合適高度，防止采煤過程中煤矸滾入或竄入液壓支架內，確保液壓支架內的人員安全和支架內的設備安全[4]。

2.4 架前防飛矸裝置與工作面視頻及紅外線定位系統的配套關系

SAM型綜采自動化控制系統中，每6個支架配備1臺拍攝方向與工作面平行的礦用本安型攝像儀(KBA12-2)，用于觀察工作面支架平直狀態；每3個支架配備1臺拍攝方向垂直于工作面的礦用本安型攝像儀，朝向煤壁，用于觀察采煤機割煤時狀態[1]。紅外線接收器安裝在液壓支架上，通過接收采煤機上紅外線的發射器信號，判斷采煤機的當前位置[2],見圖3。

圖3 本安攝像儀實物安裝圖

通過分析，本安型攝像儀及紅外線應在拉架狀態時,布置在架前防飛矸裝置后，避免在割煤時飛矸對設備的損壞，造成系統失效,見圖4。綜合三者位置關系，在實施防飛矸和自動跟機技術時，需要重點解決以下問題：

圖4 架前防飛矸裝置與智能化設備配套關系

1) 正常升降時，需要解決架前擋矸板在遠程控制時，不與支架頂梁等發生干涉。

2) 割煤狀態時，架前擋矸板遮擋攝像儀視野，集控中心無法查看割煤情況。

3) 拉架狀態時，架前擋矸板需要自動下降一定高度避免與設備發生干涉。

4) 采煤機自動巡機或自動采煤時，架前擋矸板遮擋紅外線接收器，無法進行采煤機紅外定位。

3 防飛矸與自動跟機技術

跟機自動化技術是以采煤機位置信息為依據，根據工作面的回采工藝和作業規程，在采煤機定位位置的前后設定距離上自動執行相應動作[5]。實現防飛矸與自動跟機技術的關鍵是要實現架前防飛矸裝置自動控制,從而解決遮擋視野的問題。基于紅外線定位機理，可采用鏤空鋼板網制作架前擋矸板，解決紅外定位遮擋問題；在架前擋矸板上方安裝卸載閥，實現卸載閥帽與頂梁結構件接觸時自動卸壓，避免對支架或設備造成傷害；通過電液控制系統對架前擋矸千斤頂進行時間控制，實現自動化控制。防飛矸自動跟機控制工藝如圖5所示。

圖5 防飛矸自動跟機控制工藝

防飛矸裝置自動控制根據采煤工藝進行程序設定。當自動“巡檢”或采煤時，當采煤機在運行方向其前滾筒接近某編號支架時,執行下鄰架架前擋矸板自動下降程序，采煤機后滾筒離開后執行架前擋矸板升柱程序；移架過程時，提前立柱降柱指令2～5 s執行架前擋矸板下降程序，拉架完成后，執行架前擋矸板升柱程序。

4 結論

實現大傾角綜采工作面智能化開采，解決大傾角防倒防滑、防飛矸與自動跟機技術是關鍵。本文提出的大傾角綜采工作面防飛矸裝置和智能化綜采技術協調運行方案，根據采煤工藝進行程序設定，實現防飛矸裝置的自動跟機控制，為解決大傾角綜采智能化成套技術的安全可靠運行提供了解決方案。