大采高綜采工作面智能化技術應用研究

王波,楊海峰,劉華峰,王曉磊

（1.晉能控股煤業集團挖金灣煤業有限公司 山西大同037003；2.晉能控股煤業集團機電管理部 山西大同037003）

0 引言

“少人化、無人化、安全高效”已成為礦業發展新目標，煤礦智能化開采已成為礦業發展的新趨勢，煤礦開采理念的改變促進了開采裝備和技術的進步[1]，液壓支架電液控制系統[2]，刮板輸送機智能變頻調速技術，煤礦采場智能巖層控制技術，工作面視頻巡檢與遠程控制技術[3]等智能化開采裝備及技術在多個煤礦實現了初步應用。本文以挖金灣煤業公司8102智能化綜采工作面的建設為背景，基于石炭系煤層賦存環境、開采條件、開采技術等客觀情況，結合工作面建設過程中遇到的實際問題，對智能化綜采工作面建設中水處理技術、快速供液系統設計、支架跟機參數等關鍵技術[4]進行了研究，對構建“智能、綠色、安全、高效”的智能化開采模式具有現實的指導意義。

1 工作面基本概況

挖金灣礦8102工作面為該礦南翼盤區布置第一個工作面，周邊為未采區，地表無其他建筑，走向長度為1 468 m，工作面長度230 m，賦存煤層厚度為2.8 m～4.3 m平均厚度為3.7 m，含一層夾矸（厚度為0.1 m～0.2 m），煤厚變化穩定，煤層傾角為1°～3°，硬度f=1.5，采用一次采全高見頂見底開采，在開采范圍內共4條正斷層，落差最大1 m，對開采影響較小，水文地質情況簡單，相對上覆巖層層間含水微弱，對回采無影響。設備配套情況如下表1所示：

表1 8102智能化綜采工作面主要設備參數

2 智能化綜采工作面關鍵技術

2.1 智能化綜采工作面水處理技術

供液系統主要是為綜采工作面液壓支架提供液壓動力，被喻為“心臟”，其介質為乳化液被喻為“血液”，通過“心臟”提供動力“血液”循環，從而使工作面液壓系統正常工作。乳化液濃度不足、供液介質不達標會造成閥門堵塞、生銹、腐蝕等問題，從而導致閥芯等配件替換率高、產品可靠性下降、支架動作緩慢、工作面整體效率降低等問題。

8102智能化工作面采用了過濾器組、軟化水處理裝置組成多級過濾系統，具體為：井下靜壓管路、低壓過濾站、軟化水處理站、乳化液自動配比、智能化高壓過濾站、工作面支架自動反沖洗、支架回液過濾站，原理圖如下圖1所示。具體設備布置如圖2所示，首先通過GLQZ2000型一級過濾組件，經80 um及60 um兩級濾桶過濾后，再經減壓裝置減壓達到軟化水裝置的工作要求壓力后，開始進入ML-RF-6D型凈化水裝置進行二級過濾，通過調整水質酸堿度（PH值）并對氯、鎂等離子成分的處理，精度達25 um以下，最后進入封閉式QX2000型凈水儲水箱，供各類設備使用。

圖1 多級過濾系統原理圖

圖2 8102智能化工作面液壓系統水處理循環示意圖

2.2 智能化綜采工作面的噴霧降塵技術

在智能化綜采工作面實際作業過程中，工作面粉塵較大，工作人員在順槽集控中心對工作面支架和采煤機執行遠程操控時視野模糊。如何進行有效的滅塵，為遠程操作人員提供清晰的畫面，成為又一要攻克的難關。

在8102智能化工作面回采整個過程中，支架跟機可分別設置為上、下行跟機，在采煤機滾筒前、后范圍內不斷開啟噴霧的方式進行相關參數的設置。當“噴霧控制”參數設置為“開”時，不用啟動“跟機”開關，跟機噴霧也會開啟。

例如8102工作面采煤機身長10架，前后滾筒中心距為12架，機身上的紅外線發射裝置位于支架第22架，此時上行，則具體噴霧動作設置參數與實際噴霧動作如下表：

表2 跟機噴霧動作參數

2.3 智能化綜采工作面的快速供液系統設計

在8102智能化工作面生產初期，采用“單進單回”模式供液，當推溜與移架同時動作時，支架動作速度明顯變緩，在同時開啟多臺泵站時，工作面液壓管路、操作閥閥芯損壞增加，為此需對供液系統進行重新設計。液壓支架每完成一次循環時，主要需完成降柱、移架和升架三個動作，完成一次循環的移架速度計算如下：

式中：VZ—支架移動速度

KZ—操作時間的影響系數，KZ＜l；

BC—液壓支架的架間距；

T—支架完成一次循環過程所需的總時間，min。

其中，支架完成一次循環過程其所需的總時間T值就是完成降柱、升柱和移架動作的時間總和，計算如下：

式中：T—支架完成一次循環過程所需的總時間，min；

t1—支架完成一次降柱所需的時間，min；

t2—支架完成一次移架所需的時間，min；

t3—支架完成一次升架所需的時間，min。

Z—移架時同時升降的立柱數；

S1、S2一移架時立柱的升降行程，cm；

A1、A2—每根立柱上腔和底腔的面積，cm2；

S3—支架移動步距，一般取為0.8 m；

A3--推移千斤頂工作腔的面積，根據千斤頂布置方式來確定；

QB—泵站流量，L/min；

N—推溜時同時動作推移千斤數。

將N值代入得：

根據式（3）可以看出，對于某一支架而言，支架間距BC、支架立柱和推移千斤頂的型號參數為固定值，移架速度僅取決于泵站所提供的流量QB。流量越大，移架速度就越快。根據理論和實踐經驗，決定將8102面支架供液系統改為“雙進雙回”，并將各類供液方式優缺點分析如下：

表3 各種供液方式優、缺點分析

8102面的“雙進雙回”供液系統將兩泵一箱設計為獨立供液系統，兩路高壓經GL2500/31.5/25型智能高壓反沖洗過濾站進入工作面轉載機、破碎機、刮板機緊鏈裝置、液壓支架等設備，最后回液經GJF1200/16/40型回液過濾站進入乳化液箱。該設計有效保障工作面生產需求，提高了整體移架速率，保證了液壓支架進行成組動作時瞬間所需大流量，在有一回路出現問題時可以短時間改為單回路供液。設計方式見圖3。

圖3 8102智能化工作面“雙回路供液”系統布置圖

2.4 大采高智能化綜采工作面支架跟機參數設置

在實際生產過程中工作面支架經常會出現鉆底、支架前方堆煤等問題，而且在采煤機牽引速度過快時往往會產生漏架現象。為解決這些問題，首先通過模仿人工操作的方法，統計出各個動作所需時間，再對跟機參數進行設置，同時將跟機參數設置為交叉式移架方式，例如在10#支架行走完成后，跳過11#支架不動，12#支架進行移架，在12#支架動作完成后，11#與13#支架同時動作進行移架，較單架跟機、人工手動操作效率提升50%，從而有效解決跟機漏架、架前堆煤等問題。支架跟機參數設置如下表4：

表4 8102智能化工作面液壓支架自動跟機參數

3 大采高智能化綜采工作面應用成果分析

挖金灣礦8102大采高工作面在進行智能化開采后取得應用效果如下：

1）減少用工，降低勞動強度。較普通綜采工作面，工作面用工由原來的13人減少為7人，支架操作工轉變為巡查工，極大地降低了工人的勞動強度。

2）設備故障率降低。順槽控制中心可對液壓支架、泵站、刮板輸送機、轉載機、采煤機等設備的運行參數進行實時監測，并進行聯鎖控制，利用設備的故障診斷停機功能，極大地降低故障排查難度，創造了連續60天設備無故障運行，設備月平均開機率達90%。

3）開采效率提高。8102大采高智能化工作面平均月推進180 m，月產保持在30萬噸，回采率達95%以上，較普通大采高工作面開采效率提高15.2%。

圖4為挖金灣礦7月～11月實際生產情況，此期間8102、8115綜采工作面開采條件近乎相同，受地質構造影響較小。

圖4 8102工作面與8115工作面推進對照圖

4 結語

1）研究分析智能化綜采工作面多級過濾裝置的必要性，給出多級過濾系統設計，形成具有乳化液濃度智能配比、供液壓力智能調定、智能反沖洗功能的供液系統，確保供液介質的腐蝕性、雜質降低，極大地提高液壓支架的使用壽命,降低維修成本。

2）給出了仿人工設計的支架跟機參數設置，可有效解決支架跟機時鉆底、架前堆煤等問題，并將順序移架設計為插線式移架，有效提高支架跟機效率。對支架跟機噴霧的參數進行實踐驗證和優化，有效降低工作面粉塵，為遠程操控提供清晰的視頻畫面。

3）采用“雙進雙回”供液方式，有效地提高支架跟機效率，且在有一回路出現問題時可以短時間改為單回路供液，大大提高系統穩定性。