礦井智能化綜采工作面的設(shè)計探析

焦振國

（晉能控股煤業(yè)集團虎龍溝煤業(yè)有限公司，山西 懷仁 038300）

隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，礦井智能化程度也逐漸提升，當前在包括綜采工作面設(shè)計、開采設(shè)備生產(chǎn)以及工作面測試調(diào)整等諸多方面均引入一定程度的智能化因素，綜采工作面整體智能化程度穩(wěn)步提升。智能化綜采工作面順利實現(xiàn)應(yīng)當以標準化的設(shè)計方案為基礎(chǔ)，方案包括采煤機、液壓支架、刮板輸送機、破碎機、轉(zhuǎn)載機、帶式輸送機、供液系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)、聲光預(yù)警系統(tǒng)等多個模塊的綜合設(shè)計，最終能夠?qū)崿F(xiàn)綜采工作面全自動生產(chǎn)、操作人員遠程對綜采區(qū)進行調(diào)控。近年來隨著煤礦自動化、智能化技術(shù)的發(fā)展，少人化甚至是無人化的綜采工作面越來越受到各礦井的歡迎，很多礦井都在朝這方面努力，對此，國內(nèi)很多學者也進行了大量研究，如史翔峰[1]，設(shè)計了煤礦綜采工作面采煤機自動化智能化拖纜系統(tǒng)并進行了相關(guān)模擬試驗；王文海、蔣力帥[2]等，分析了礦井綜采工作面自動化智能化開采技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀并進行了相關(guān)展望；趙杰偉[3]設(shè)計了煤礦綜采工作面智能化管理系統(tǒng)，并分析了其應(yīng)用；郝立光、劉召勇[4]也進行了綜采工作面智能化管理系統(tǒng)方面的設(shè)計與應(yīng)用研究；申子強[5]研究了礦井智能化綜采工作面自動遠程控制系統(tǒng)，但這些研究大多只是對綜采工作面自動化智能化開采技術(shù)的研究，很少有學者研究如何具體的設(shè)計智能化綜采工作面，對此，本文主要針對智能化綜采工作的設(shè)計工作進行研究，提出了智能化綜采工作面的設(shè)計流程，達到了有效指導(dǎo)綜采工作面智能化設(shè)計的目的。

1 智能化綜采工作面設(shè)計達到的目標

智能化綜采工作面應(yīng)當具有以下特點，工作面各設(shè)備均能實現(xiàn)全自動作業(yè)，操作人員能夠通過現(xiàn)場和終端遠程對綜采面進行操控，遠程操作的響應(yīng)時間不得超過300ms；采煤機能夠?qū)崿F(xiàn)自動記憶截割，沿預(yù)先規(guī)劃的路徑進行截煤；工作面整體設(shè)有報警系統(tǒng)，檢測到相關(guān)模塊的參數(shù)異常，第一時間發(fā)出警報并將故障信息傳遞至操作人員終端處；工作面設(shè)有急停按鈕，出現(xiàn)故障時能夠第一時間停止工作面相關(guān)設(shè)備運行，最大程度降低經(jīng)濟損失[6]。

2 設(shè)計流程概述

綜采工作面的方案設(shè)計應(yīng)當遵循《采礦工程設(shè)計手冊》中的相關(guān)標準，同時根據(jù)作業(yè)現(xiàn)場的實際情況進行調(diào)整，包括工作面所處采區(qū)的基本情況、周圍采區(qū)的基本情況、采區(qū)的水文地質(zhì)特征、煤層基本參數(shù)以及粉塵瓦斯?jié)舛鹊萚7]。為了確保方案設(shè)計適用于綜采面實際需求，設(shè)計時需要詳細了解巷道和工作面的相關(guān)技術(shù)參數(shù)，根據(jù)技術(shù)參數(shù)結(jié)合標準化的選型方法，得出最終方案。

（1）工作面的主要技術(shù)參數(shù)。工作面的技術(shù)參數(shù)是綜采方案設(shè)計的關(guān)鍵依據(jù)，考慮到技術(shù)參數(shù)種類較多，選取影響較大的參數(shù)進行分析，包括采區(qū)走向長度、工作面長度和采高[8]。

采區(qū)走向長度和綜采面的水文地質(zhì)復(fù)雜程度負相關(guān)，地質(zhì)結(jié)構(gòu)簡單區(qū)域采區(qū)走向適當延長，地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜區(qū)域采區(qū)結(jié)構(gòu)適當縮短。

影響工作面長度選區(qū)的因素較多，采高較低時考慮到采煤機工作高度有一定要求，適當縮短工作面長度。煤層傾角過大情況下，工作面設(shè)備間的距離不宜過長，因此一旦煤層傾角大于25°，工作面長度適當縮短；反之則可以適當增加工作面長度。除此之外，圍巖的硬度和瓦斯含量和工作面長度選取也存在負相關(guān)關(guān)系。隨著綜采面控制技術(shù)的不斷提升、設(shè)備質(zhì)量的逐漸提高，晉能控股集團的綜采工作面長度能夠達到280m。

為了確保開采效率，通常根據(jù)煤層高度進行采高的選取，同時為了兼顧安全生產(chǎn)的相關(guān)要求，應(yīng)當將設(shè)備開采能力和礦井應(yīng)力分布考慮在內(nèi)。煤層的厚度和相關(guān)組成成分通過鉆孔采樣的方式進行獲取[9]。

（2）綜采工作面的設(shè)備選型。綜采設(shè)備的選取和綜采工作面的生產(chǎn)效率息息相關(guān)，也關(guān)系到操作人員的作業(yè)安全和設(shè)備的可靠性。因此需要嚴格遵守GB50215-2005、AQ 1049-2008、《煤礦安全規(guī)程》相關(guān)內(nèi)容，在確保生產(chǎn)安全符合要求的前提下，盡量提升設(shè)備的作業(yè)效率、作業(yè)穩(wěn)定性以及工作面整體的協(xié)調(diào)性。

①液壓支架的選型。液壓支架是綜采工作面的主要支護設(shè)備之一，因此液壓支架的合理選型是保障工作面安全可靠的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，選型側(cè)重考慮煤層圍巖屬性、工作面長度和采高、粉塵瓦斯含量等因素，選取的液壓支架支護強度應(yīng)當滿足工作面的支撐需求，支架結(jié)構(gòu)應(yīng)當同煤層實際參數(shù)和綜采工作面管理要求相適應(yīng)。通過數(shù)值模擬軟件對相關(guān)參數(shù)進行分析，確保相關(guān)要求滿足的情況下得出液壓支架的支護強度；通過工作面長度和采高確定液壓支架的支護高度和相鄰支架間的間距；以PLC 為核心實現(xiàn)支架的自動控制；操作人員可以通過終端操作界面對支架工作順序進行調(diào)整[10]。

②采煤機的選型。采煤機型號的選取對綜采工作面的生產(chǎn)效率具有顯著影響，而采煤機的截割能力主要取決于采煤機自身的牽引速度、持續(xù)工作時長、截割深度和高度等相關(guān)參數(shù)。因此在采煤機型號選取過程中應(yīng)當綜合考慮綜采工作面的生產(chǎn)要求、工作面的采高和長度、采煤機的截割高度和深度等因素。采煤機的智能化程度提升體現(xiàn)在通過遠程控制系統(tǒng)進行采煤機工況的切換和參數(shù)的調(diào)節(jié)，同時通過監(jiān)控系統(tǒng)進行輔助監(jiān)測，出現(xiàn)異常及時發(fā)出警報[11]。

③刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機、破碎機選型。這三種設(shè)備的選取需要和綜采工作面生產(chǎn)率要求相適應(yīng)，確保開采的煤炭能夠及時得到后續(xù)處理，因此運煤能力應(yīng)當在采煤能力的1.2～1.3倍范圍內(nèi)。轉(zhuǎn)載機應(yīng)當設(shè)有邁步自移裝置，帶式輸送機通過電液聯(lián)合控制的方式進行機尾自移控制，為了保證煤炭破碎的尺寸需求，選取輪式破碎機。

④帶式輸送機選型。帶式輸送機的主要作用是將開采的煤炭及時從綜采工作面輸送至地表倉庫，因此通常選取永磁電機作為驅(qū)動機構(gòu)，設(shè)備設(shè)有軟啟動、輸送帶保護裝置以及監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，整體自動化程度較高；帶式輸送機型號的選取和參數(shù)的設(shè)置取決于采煤機的生產(chǎn)能力以及工作面采高[12]。

⑤泵站的選型。泵站的主要作用是給綜采工作面相關(guān)設(shè)備供壓。因此泵站的選型取決于工作面設(shè)備的壓力需求，供壓范圍應(yīng)當超過工作面的壓力需求值與壓降值的和。

其中管路摩擦總壓降計算公式如下：

式中：Le——管路總當量長度，m；

d——管內(nèi)徑，mm；

ρ——流體介質(zhì)密度，kg/m3；

I——流體介質(zhì)流速，m/s；

f——摩擦因數(shù)。

根據(jù)上式不難發(fā)現(xiàn)，壓降數(shù)值大小和管路總當量長度、流體介質(zhì)密度、流體介質(zhì)速度以及摩擦因數(shù)呈正比，和管內(nèi)徑呈反比，以此為依據(jù)進行選型。

⑥供電系統(tǒng)選型。供電系統(tǒng)的主要作用是提供綜采面設(shè)備運行所需電能，綜合考慮負荷設(shè)備的分組、移變的容量、開關(guān)的類型和備用系統(tǒng)要求，選取移變的數(shù)量；由于礦井使用的電纜種類數(shù)量較多，因此應(yīng)當根據(jù)實際需求和用途依次選取，選取過程應(yīng)當嚴格遵守《礦用電纜選用手冊》中的相關(guān)要求[13]。

⑦輔助生產(chǎn)系統(tǒng)。輔助生產(chǎn)系統(tǒng)主要包括視頻監(jiān)控系統(tǒng)以及通信系統(tǒng)，二者協(xié)調(diào)作用提升系統(tǒng)整體的自動化、智能化程度。基于各傳感器模塊搭建視頻監(jiān)控系統(tǒng)進行工作面監(jiān)測，同時基于工業(yè)以太網(wǎng)鋪設(shè)通信網(wǎng)路。將輔助生產(chǎn)系統(tǒng)的監(jiān)測信息實時顯示在操作者終端處，實現(xiàn)系統(tǒng)的遠程操控和參數(shù)的及時調(diào)整[14]。

⑧安全預(yù)警系統(tǒng)。安全預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)當包括瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)、設(shè)備故障報警系統(tǒng)、礦壓監(jiān)測系統(tǒng)、火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)以及人員定位系統(tǒng)，主要作用是確保綜采工作面的作業(yè)安全。各個系統(tǒng)應(yīng)當設(shè)置不同的信號傳輸專線，將信號實時集成在預(yù)警管理系統(tǒng)種，實現(xiàn)綜采工作面作業(yè)安全的遠程監(jiān)控[15]。

3 結(jié)語

智能化綜采工作面設(shè)備種類較多，設(shè)計因素較為寬泛，因此方案整體設(shè)計過程較為復(fù)雜，本文主要對設(shè)計思路、選型方案以及模塊功能進行闡述。新的設(shè)備和技術(shù)仍在研發(fā)過程中，智能化礦山的實現(xiàn)還需要長期的努力。當前智能化綜采工作面工業(yè)互聯(lián)仍然處于發(fā)展的初期階段，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，實現(xiàn)人、設(shè)備、產(chǎn)品的實時互聯(lián)成為了當前的發(fā)展趨勢，全面智能化綜采技術(shù)也將在未來發(fā)生變革。