九里山礦智能化綜放工作面關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

尚鵬賓

（河南焦煤能源有限公司九里山礦，河南 焦作 454002）

九里山礦作為焦煤集團優(yōu)質(zhì)礦井，設(shè)計產(chǎn)能100 萬t/a。2017 年開始嘗試綜采放頂煤工藝，但原有綜放設(shè)備存在三機配套不合理、支架初撐力達不到標(biāo)準要求等問題。隨著智能化開采發(fā)展，通過設(shè)備升級及智能化系統(tǒng)的應(yīng)用[1-3]，達到了集約、高效開采。

1 智能化綜采放頂煤總體方案

綜采放頂煤工作面主要以電液控制系統(tǒng)、三機智能通訊系統(tǒng)、泵站控制系統(tǒng)、采煤機記憶截割控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以設(shè)備姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)和工作面視頻系統(tǒng)為保障，以工業(yè)總線網(wǎng)絡(luò)為通道，以大數(shù)據(jù)分析和處理為依據(jù)，以集控設(shè)備為平臺，以實現(xiàn)井下集控、地面遠控為目標(biāo)，建設(shè)具有自主感知、綜合分析、智能處理的安全、高效、少人化的智能化綜采放頂煤工作面。

2 智能化系統(tǒng)設(shè)備配置功能

智能化工作面系統(tǒng)主要由液壓支架電液控制系統(tǒng)、工作面視頻監(jiān)控系統(tǒng)、采煤機記憶截割系統(tǒng)、順槽集控系統(tǒng)和地面集控系統(tǒng)組成，通過集控系統(tǒng)將液控系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)、工作面設(shè)備控制等有機融合，實現(xiàn)工作面設(shè)備智能化控制。

2.1 電液控系統(tǒng)

液壓支架電液控系統(tǒng)作為智能化控制核心，集控系統(tǒng)通過電液控系統(tǒng)向液壓支架發(fā)出指令，控制支架動作進行智能化采煤。

2.2 工作面視頻系統(tǒng)

工作面視頻系統(tǒng)作為綜采智能化系統(tǒng)的輔助系統(tǒng)，實現(xiàn)對工作面現(xiàn)場及設(shè)備運轉(zhuǎn)進行實時監(jiān)測，對集控中心人員提供工作面現(xiàn)場關(guān)鍵信息，輔助智能化開采。

2.3 采煤機記憶截割

采煤機通過記憶截割系統(tǒng)、人工操作系統(tǒng)學(xué)習(xí)示范后，采煤機通過記憶信息，自主調(diào)整搖臂狀態(tài)，完成自動記憶截割，實現(xiàn)智能化采煤。

2.4 工作面視頻監(jiān)控系統(tǒng)

工作面每6 架安裝一臺云臺攝像儀，通過環(huán)網(wǎng)交換機將工作面視頻傳輸至順槽及地面集控中心。實現(xiàn)割煤時全程360°無死角監(jiān)控，并能自動跟機旋轉(zhuǎn)，實時顯示工作面采場工作畫面。

2.5 順槽及地面集控系統(tǒng)

順槽及地面集控系統(tǒng)功能一致，能監(jiān)測采煤機位置、運行信息，三機運行狀態(tài)，液壓支架電磁閥工作狀態(tài)、立柱壓力、推移行程，液壓泵站壓力、油位、水位，工作面礦壓分析、采煤機運行軌跡等信息，實現(xiàn)了工作面生產(chǎn)信息數(shù)字化、可視化。

3 智能化綜采放頂煤采煤工藝

3.1 采煤方法

15091 工作面采用單一走向長壁采煤法，智能化綜合機械化放頂煤工藝。該工作面采取雙向割煤，整套回采工藝為：采煤機破煤、裝煤（放頂煤）；刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機、帶式輸送機運煤；液壓支架支護頂板，采用全部垮落法處理采空區(qū)頂板。

3.2 回采工藝

采煤機尾（機頭）斜切進刀→回割三角煤→下行（上行）正式割煤→推前部刮板輸送機→移架→機頭（機尾）斜切進刀→放頂煤→拉后部刮板輸送機。

放煤方法：采用一采一放，放煤采用多輪、間隔、順序、等量的放煤工藝。

3.2.1 采煤機進刀方式

采取端部斜切進刀，根據(jù)采煤機機械特征，采煤機進刀段長度應(yīng)不小于35 m。采煤機采用電牽引方式，雙向割煤，往返一次兩刀。采煤機進刀方式如圖1。

圖1 采煤機進刀方式示意圖

（1）當(dāng)采煤機割至工作面端頭時，其后的前部輸送機已移近煤壁，如圖1（a）；

（2）調(diào)換滾筒位置，前滾筒降下、后滾筒升起并沿輸送機彎曲段反向割入煤壁，直至輸送機直線段為止，然后將輸送機移直，如圖1（b）；

（3）再調(diào)換兩個滾筒上下位置，重新返回割煤至輸送機機頭處，如圖1（c）；

（4）將三角煤割掉、煤壁割直后，再次調(diào)換上下滾筒，返程正常割煤，如圖1（d）。

由工作面機頭（機尾）端頭斜切進刀，調(diào)整前后滾筒回割機頭（機尾）三角煤，再次調(diào)整滾筒進行正式割煤。當(dāng)采煤機將上一刀煤割通后，將刮板輸送機推直，調(diào)整前后滾筒高度由端頭再次斜切進刀，回割機頭三角煤，正式割煤，然后進入下一循環(huán)割煤。

3.2.2 推前部刮板輸送機

前部輸送機滯后采煤機后滾筒15 m 以外推入，跟機分段推入，保證輸送機直線度。推移時不得任意分段或由兩端向中間擠移。

3.2.3 拉移支架（帶壓擦頂移架）

采煤機割煤后滯后采煤機后滾筒3 ～5 架追機移架，頂板破碎時，滯后采煤機后滾筒1 ～2 架追機移架，及時支護頂板。正常情況下采用電液控鄰架操作，移架到位后由電液控系統(tǒng)進行自動補液。若自動補液功能無法使用時滯后采煤機后滾筒不超過40 架利用電液主控閥進行二次補液，確保液壓支架初撐力不小于24 MPa。

移支架前，架內(nèi)和架間的浮煤等雜物必須清理干凈，嚴禁不清煤移架。移前槽后及時移架，液壓支架保持最小控頂距。帶壓擦頂移架的操作順序為：使用電液控鄰架操作降梁（收伸縮梁及護幫板）→降主頂梁→移支架→升主頂梁及前梁（伸前探梁及護幫板）。移架時，以能使支架前移為宜，防止咬架或漏頂煤。

3.2.4 放頂煤工藝

（1）當(dāng)頂煤厚度小于1 m 時，由機頭向機尾，采用隔一架一放、單輪順序放煤方法；當(dāng)頂煤厚度大于1 m 時，由機頭向機尾，采用隔一架一放、多輪順序放煤方法。放煤工作原則上必須在采煤機停機時進行，但跑空刀時可小流量放煤，放煤時由班長安排專職放煤工，根據(jù)支架的編號順序放煤。

（2）放煤時，先打開放煤插板，開始放煤，待見矸石下落時，及時關(guān)閉插板。放煤過程中盡量使勻速放煤，以減少混矸。放煤時，煤量要適中，以防煤量過大壓死后槽。放煤作業(yè)結(jié)束后，工作面才能進行下一循環(huán)割煤移架工作。

（3）第一輪放煤時，先放單號架，由機頭向機尾依次放煤，雙號架滯后10～15 m 開始放煤。放煤時要緩慢開啟插板，先將插板收回1/3～1/2，讓頂煤緩慢均勻地流入后部刮板輸送機，調(diào)節(jié)插板收縮量進行放煤操作。根據(jù)煤厚實際情況，適當(dāng)調(diào)整放煤時間，確保煤量均衡。

（4）第二輪放煤時，通過尾梁上下擺動、插板來回伸縮進行放頂煤操作，確保頂煤均衡放出。

（5）第三輪放煤時，增加尾梁上下擺動次數(shù)，來回伸縮插板放出頂煤，直至放完頂煤見矸。

（6）回收尾梁時，必須先收回插板；放煤完畢，應(yīng)先下調(diào)尾梁護槽，再將插板伸出，保證前后支架尾梁和插板處于同一平面，減少尾梁間漏矸，最后操作手把及時復(fù)位。

3.2.5 拉后部刮板輸送機

為防止后槽下滑，拉后槽由機頭向機尾依次順序進行，拉后槽前檢查輸送機、支架尾梁、插板、液壓管路等是否相互影響。拉移時，嚴禁相向操作或誤操作，一次拉移長度不小于15 m，確保拉移到位，拉移步距為0.6 m，拉移后刮板輸送機成一條直線。

4 智能化綜采放頂煤技術(shù)分析預(yù)警

4.1 工作面數(shù)據(jù)監(jiān)測與分析

順槽集控中心監(jiān)測包括采煤機工況監(jiān)測、三機工況監(jiān)測、液壓支架工況監(jiān)測、泵站系統(tǒng)工況監(jiān)測、設(shè)備信息、故障報警、統(tǒng)計分析與報表輸出，能監(jiān)測采煤機位置、運行信息，三機運行狀態(tài)，液壓支架電磁閥工作狀態(tài)、立柱壓力、推移行程，液壓泵站壓力信息、油位、水位，工作面礦壓分析、采煤機運行軌跡等信息，實現(xiàn)了工作面生產(chǎn)信息數(shù)字化、可視化。

4.2 液壓支架姿態(tài)監(jiān)測與控制

液壓支架每架安裝4 個傾角傳感器，可以反映出支架底座、四連桿、頂梁及護幫板傾角，從而計算出支架姿態(tài)。整個工作面支架姿態(tài)匯總在一起，創(chuàng)造性地反映出了工作面頂?shù)装迤鸱⒐ぷ髅娌筛叩刃畔ⅰ?/p>

根據(jù)支架姿態(tài)信息，集控系統(tǒng)綜合分析，對于姿態(tài)不在正常區(qū)間的支架，在移架時，電液控系統(tǒng)自動調(diào)整支架姿態(tài)，使其姿態(tài)逐步恢復(fù)正常區(qū)間，做到工作面工程質(zhì)量動態(tài)達標(biāo)管控。

4.3 工作面設(shè)備一鍵啟停與視頻監(jiān)控

通過集控系統(tǒng)，融合乳化液泵站、采煤機、三機、液壓支架、膠帶輸送控制，將集控中心操作臺設(shè)置為自動模式，可以對工作面所有設(shè)備進行一鍵啟停，實現(xiàn)一鍵順序啟停、鼠標(biāo)割煤的智能化開采新模式。

通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)，可視控制單臺云臺攝像儀360°旋轉(zhuǎn)，并能對畫面大小進行縮放，畫質(zhì)清晰，能將工作面真實情況傳輸至順槽及地面集控中心。生產(chǎn)期間，云臺攝像儀可以跟隨采煤機自動旋轉(zhuǎn)，始終有4 臺攝像儀監(jiān)控采煤機附近作業(yè)情況，為安全生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

5 智能化綜采放頂煤技術(shù)效益分析

（1）減少工作面作業(yè)人數(shù)，節(jié)約薪酬支出。通過15091 工作面智能化設(shè)備的投用，實現(xiàn)了工作面智能化開采，工作面作業(yè)人員由原來每班的25人減少至10 人，每年可節(jié)省人工費用486 萬元，同時大幅度減少生產(chǎn)作業(yè)區(qū)域人員，降低職工勞動強度，智能化開采，提高作業(yè)安全系數(shù)，實現(xiàn)“少人則安”。

（2）減少故障影響，提高生產(chǎn)效率。智能化工作面故障自診斷系統(tǒng)包含采煤機故障自診斷系統(tǒng)，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，為設(shè)備保養(yǎng)維護提供建議，做到了預(yù)防性檢修。采煤機未出現(xiàn)較大故障，工作面的正常生產(chǎn)得到有效保證。

（3）視頻跟機自動啟動，根據(jù)采煤機位置顯示其附近4 臺攝像儀視頻，并隨著采煤機實時位置自動跟機旋轉(zhuǎn)、切換畫面和調(diào)整角度，實現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)備全程可視化管理，人員遠程操作，降低工人的勞動強度，改善生產(chǎn)環(huán)境，提高煤炭生產(chǎn)的安全性。

（4）工作面采用生產(chǎn)工藝大數(shù)據(jù)統(tǒng)計與故障診斷系統(tǒng)，通過對采煤工藝的大數(shù)據(jù)統(tǒng)計，自動構(gòu)建工作面割煤工藝模式，自動診斷液壓支架、動態(tài)統(tǒng)計分析設(shè)備自動化開機率、跟機移架率、意外停機率、人工干預(yù)率等關(guān)鍵指標(biāo)，對設(shè)備狀態(tài)進行實時監(jiān)測，對設(shè)備保養(yǎng)提供合理建議，降低設(shè)備故障率。

6 結(jié)語

九里山礦綜采放頂煤技術(shù)建設(shè)完成，提高了生產(chǎn)效率，減少了現(xiàn)場作業(yè)人員，降低了系統(tǒng)的維護量及員工的勞動強度，提高了作業(yè)安全系數(shù)，雖然在應(yīng)用過程中還存在一定問題，但為智能化開采探索出不同的解決方案，推動智能化開采穩(wěn)步推進。