智能化綜掘工作面的應用研究

王小峰

(汾西礦業集團高陽煤礦，山西 孝義 032300)

1 工程概況

1.1 工作面概況

21106工作面開采太原組9號～11號煤，煤層平均厚度8.7 m，根據臨近二采大巷以及21107、21105工作面揭露的實際煤層情況，該區域地質構造較為復雜，工作面煤層結構屬復雜結構煤層，穩定可采，煤種為瘦煤，煤層傾角平均5°。

1.2 水文地質情況

該區域地質構造比較復雜，工作面整體為一單斜構造區，陷落柱及斷層較發育，且在大斷層破壞影響范圍，煤巖層裂隙發育，受含水層影響，工作面可能會出現淋水現象。該工作面上覆含水層為煤層直接頂板K2灰巖含水層，其上覆含水層還有K3、K4灰巖，其含水量較豐富，但補給不足，以靜儲量為主，水量不大，隨著時間推移水量逐漸減小，預計上述灰巖含水層水對本工作面掘進影響較小。預計本工作面正常涌水量為10 m3/h，最大涌水量為30 m3/h。

1.3 巷道斷面及支護情況

21106運巷設計斷面為矩形斷面，巷道掘寬5 400 mm，凈寬5 100 mm，掘高3 400 mm，凈高3 200 mm，掘斷面積18.36 m2，凈斷面積16.32m2，采用錨網索聯合支護，見圖1。

頂板錨桿支護形式：采用Φ22 mm×2 200 mm的螺紋鋼錨桿(兩邊角采用Φ22 mm×2 400 mm),間距900 mm，排距1 000 mm，“六·六”矩形布置，兩幫錨桿“四·四”矩形布置。兩幫錨桿：采用Φ22 mm×2 200 mm的高強度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間距為900 mm，排距為1 000 mm，“四·四”矩形布置。

圖1 運輸巷支護斷面圖

頂幫鋪設一片5 500 mm×1 100 mm(長×寬)的六邊形金屬網，兩幫各鋪設一片3 000 mm×1 100 mm(長×寬)的六邊形金屬網網與網搭接50 mm，采用16#雙股鉛絲扭接不少于3圈，聯網距不大于200 mm。

頂板錨索采用Φ21.8 mm×6 300 mm的鋼絞線，“二·二”矩形布置，間距2 000 mm，排距2 000 mm。

2 21106運巷綜掘工藝流程

1) 進行現場交接班，了解上一班遺留問題和隱患并進行處理。

2) 安全檢查工作，對作業環境和設備狀態進行檢查，與總控值班人員取得聯系，保證通信和網絡暢通，各設備試運轉正常，對巷道中腰線和導航系統進行校正。

3) 現場作業環境經確認滿足開工條件，依次開啟設備進行綜掘機循跡自動截割作業，每次截割深度1 m，截割完成后綜掘機截割頭落地，打開機載支架臨時支護、鋪聯網、上W鋼帶施工、頂錨桿，然后施工幫錨，然后收回臨時支護進行下一次截割。截割完成后綜掘機截割頭落地，打開機載支架臨時支護、鋪聯網、上W鋼帶、頂錨桿和錨索，一個循環完成。

4) 每截割2 m為一個循環，循環結束后綜掘機繼續截割開始下一循環，同時使用PZL1200/300M-5錨護轉載破碎機依次施工頂錨桿和剩余錨索和注漿錨索，頂板支護完畢后施工幫錨桿。同時人員進行聯網作業，緊固錨桿。

5) 當循環結束后由班組長和驗收員對當班工程質量及標準化工作進行驗收。

3 掘進智能化工作面系統

3.1 掘進智能控制系統架構

掘進機智能控制系統由3層構成，第一層為設備層，主要包括掘進機、攝像儀、3D激光掃描儀、慣導單元、傾角傳感器、電流傳感器等檢測傳感器設備組成。第二層為傳輸層，主要由控制回路的CAN總線、傳感器檢測數據到控制器的以太網總線、掘進機到5G基站的5G通信、5G基站到井下集控中心采用光纖方式、井下集控中心到地面集控中心采用光纖方式。第三層為控制層，包括就地控制、視距遙控、井下集控、地面集控4種控制方式。

3.2 21106運巷智能掘進工作面設備配套(見表1)

表1 21106運巷智能掘進工作設備配套

3.3 掘進智能控制系統配套

掘進智能控制系統包括：視距無線遙控系統、工況檢測監控系統、掘進機定位智能截割系統、掘進機智能化控制系統、掘進機定向定位導航系統、視頻監控系統、掘進巷道3D掃描快速成像系統、5G網絡通信系統、井下集控中心、地面集控中心。

3.4 掘進機定位智能截割系統

操作人員從集控中心上位機選擇形狀并輸入斷面寬、高等參數，掘進機智能控制系統自動計算特征點，由特征點分布控制截割頭作業運動曲線，截割路徑如圖2。

圖2 掘進機截割路徑圖

3.5 掘進機定位智能截割功能實現步驟

通過掘進機姿態定位數據結合遠程控制技術實現定位智能截割功能，主要分以下4步：

1) 結合截割臂行程傳感器反饋數據及掘進機機械結構設計數據確定截割頭相對于機身的位置及姿態；

2) 通過三維激光掃描儀和慣導定位機身相對與巷道的位置和姿態；

3) 將前兩步數據結合形成截割頭相對于巷道的坐標；

4) 將測算得到的坐標與人工錄入的目標坐標對比，形成控制指令，控制機身、截割臂動作，實現截割頭的精準定位、自動截割、斷面自動控制形成功能。同時記錄截割實時軌跡，在進行同樣巷道截割時，只需調用截割軌跡，即可實現截割軌跡記憶功能。

4 結論

通過在高陽煤礦21106綜掘工作面進行智能化建設，每截割1 m進行一次臨時支護，每截割2 m為一次正規循環，每一次正規循環包括掘進機截割、掃底出矸，掘錨機施工錨桿、錨索，之后進行下一個循環，截割和支護平行作業，每完成一個正規循環時間約110 min。施工組織采用“三八”制作業，生產班掘進工作面用工7人，月進度達到432 m。實現了掘進自動化、成巷標準化、掘進少人化甚至無人化的全新的掘進工作格局，不僅提高了掘進作業安全程度，還使工作面作業人員勞動強度大大降低，工作效率顯著提高。