強沖擊危險性礦井綜放工作面自動化開采技術研究

陳 振 秦 鵬

（山東省天安礦業集團有限公司，山東 曲阜 273100）

1 概述

星村煤礦煤層埋藏深度為-1100～ -1300 m，3 煤層沉積穩定，結構復雜，中上部含一層灰白色細砂巖夾矸，厚0.03 m，厚度穩定，全區發育，為3 煤的主要標志層。3 煤厚7.8～8.6 m，平均8.3 m，屬厚煤層。工作面埋藏深，煤質較為松軟，具有可放性，資質單位對星村煤礦3 煤沖擊傾向性鑒定結果屬于強沖擊傾向性煤層。礦井自投產以來以發生過數次沖擊地壓事故，嚴重危害了礦井的安全和工人的身體健康，制約著礦井的可持續發展。

對于沖擊地壓礦井來說，除了以往經驗的強卸壓、強支護外，另一重要手段就是實施“機械化換人、自動化減人”。綜采放頂煤工藝復雜，過度依賴人力，嚴重制約了采煤工作面減員增效工作的實施。工作面支架立柱初撐力能否進行實時監測，監測數據能否進行深入分析，這是沖擊地壓工作面迫切需要解決的問題。

基于以上需要，通過煤機定位、自動記憶割煤、一體化電液控閥組、支架遠程控制、支架成組控制、自動跟架移架、記憶放頂煤、支架初撐力實施監測，形成一套針對沖擊地壓礦井綜放工作面的自動化系統。

2 采煤工藝簡介

星村煤礦綜采工作面采用單一走向長壁后退式采煤法，綜合機械化放頂煤回采工藝。雙滾筒電牽引采煤機割煤，進刀方式為中部斜切進刀，往返一次進一刀，采高2.6±0.1 m，截深0.63 m。采用后溜矸石填隙法放頂煤開采工藝，通過液壓支架尾梁插板伸縮、擺動放頂煤。每推進一刀的放煤工作分兩輪完成，自下向上依次進行，前后兩輪的放煤口相距5～7 架。第一輪先放出頂煤量的約2/3，第二輪放煤至含矸量約占該口出煤量的30%時及時封口，升起支架尾梁，伸出插板。具體正規循環作業順序：割煤→移架→放頂煤→拉后溜→放矸，拉后溜前須將上一刀頂煤放凈。放頂煤只要在下一刀割煤前完成即可。

3 自動化開采技術研究

礦井綜放工作面自動化技術主要解決的難題在于煤機定位、自動記憶割煤、一體化電液控閥組、支架遠程控制、支架成組控制、自動跟架移架、記憶放頂煤、支架初撐力實時監測。綜放工作面自動化控制系統結構圖如圖1。

圖1 綜放工作面自動化控制系統結構圖

3.1 采煤機定位研究

采用在采煤機行走部、搖臂處安裝高精度絕對增量式旋轉編碼器，并研發相應硬件接口及后臺程序，替代傳統角度傳感器、頻率編碼器等，實現對搖臂姿態、煤機位置的精準定位，實現對采煤機進行厘米級的精準定位。通過在采煤機安裝紅外發射器、在支架前立柱安裝紅外接收器的定位方案，實現對精準定位的校核。

3.2 采放頂煤工作面自動割煤控制邏輯及軟硬件

綜采放頂煤工作面生產工藝較為復雜，三機設備的協同工作、采煤機記憶截割、支架自動跟機移架、視頻監控自動切換、放頂煤操作的遠程控制等復雜工藝流程均需由自動化系統總后臺進行統一控制，本部分需要對各設備電氣及通訊接口進行統一、對各生產工藝進行邏輯控制、對各類控制及視頻信號進行遠程實時顯示等。

3.3 一體化電液控閥組及配套電控系統

摒棄傳統手板閥的方案，重新設計一套既能電控也可應急時手動控制的一體化電液控閥組。液壓支架系統壓力一般為31.5 MPa，且各油缸所需乳液流量較大，普通電磁閥線圈功率較小，無法驅動較大的閥芯。經過深入試驗、探究，決定采用電磁控制先導閥、先導閥導通液路控制大流量主閥閥芯的方案，實現電控小、小驅大的技術方案。

3.4 支架遠程控制、支架成組控制、自動跟架移架、記憶放頂煤

星村煤礦現使用ZF6200/17/30 型液壓支架，其推移油缸不具備測距功能。為確保工作面自動化推溜、移架精確、平直，經過對比研究選用高精度磁致伸縮傳感器，同時對推移油缸及固定耳座進行了重新設計。推移千斤頂規格：Ф160/105×700；接口：DN13；缸徑：Ф160 mm；桿徑：105 mm；推力：360 kN；拉力：633 kN；介質：MT/76 中規定的乳化油或濃縮液與中性軟水按照5:95 的質量比配置的高含水液壓液。傳感器示意圖如圖2。

圖2 傳感器示意圖

由于推移千斤頂改造后需加裝傳感器，因此原有帶扁的缸底不適用電液控推移改造要求，需將缸底改為鍛造耳軸缸底結構。改造后的電液控推移頂缸底固定銷將直徑由原來的55 mm 增加至65 mm，活塞桿頭固定銷直徑不變，缸徑為160 mm，桿徑為105 mm，行程為700 mm，缸底和桿頭固定孔中心距為1135 mm，與改造前一致。具體結構如圖3。

圖3 電液控推移千斤頂示意圖

3.5 液壓支架立柱初撐力實時在線監測系統

采用數字式高精度壓力傳感器監測立柱初撐力，借助自動化系統CAN 總線將數據實時傳輸至監控后臺，后臺程序將支架位置及壓力進行可視化呈現，并形成數據庫，為支架壓力報警、工作面頂板壓力監測、沖擊地壓防治等提供有力的數據支持。

4 結論

（1）無人化開采工藝的推廣，整個采煤過程實現無人化，全部工序采用遠程控制，大大減少了沖擊對作業人員的危害，提高安全系數。

（2）隨著淺層煤資源的逐漸枯竭，煤礦開采活動逐漸向深層開展，采深超過1000 m 的礦井都面臨沖擊威脅。工作面無人化開采工藝的大規模應用，有利于深層煤炭開采活動的安全順利進行。

（3）工作面無人化開采減少了沖擊的危害性，提高了安全系數，經濟效益和社會效益顯著。