綜采工作面三機智能化配套探討

吳 翔

（晉能控股煤業集團白洞煤業公司，山西 大同 037003）

當前采礦行業飛速發展和廣泛應用的技術是大數據和物聯網，如人工智能和大數據以及云計算等在當今工業化與信息化領域的成熟應用，都極快地促進了密集型煤炭技術的發展方向，井下煤礦工作面的5G智能化，大大拓寬了開采煤礦的范圍。綜采工作面是生產煤炭不同環節里最重要的一步，可以說是樞紐的一步，代表上游環節的是準備工作面和治理災害，中間環節是運輸和煤炭采落，代表下游環節的是管理后期的礦井和采空區。綜采工作面最常用到的采煤機械有3種：刮板輸送機和液壓支架以及采煤機，其中高效發展和安全及綠色的煤礦保障前提是運行和銜接以及“三機”配套的綜采工作面。所以，本文重點研究了基于液壓支架和刮板輸送機還有綜采工作面中采煤機典型應用時，運行和銜接以及“三機”配套環節采用智能化方式后，其綜采工作面未來的智能化建設方向的研究。

1 概述工作面的試驗情況

選取的大同煤炭隸屬于山西省區域的試驗礦井，其礦井性質是高瓦斯，具備4.72m3/t 的相對瓦斯涌出數據和8.94m3/min 的絕對瓦斯涌出數據，屬于壓力低且含量小的瓦斯程度，井田煤層的主采煤塵屬于傾向性無自然發火，并具備爆炸性。試驗工作面具備較簡單的水文地質，在+1085～+1155m范圍的工作面地表，其開采水平可達+830m，其沖擊地壓方面不具備傾向性，基本保持在300m的埋深范圍。工作面試驗區的主要采煤方法選擇了長壁走向式，管理頂板全部采用垮落法，其采煤工藝是機械綜合化，綜采礦井工作面可以較好地開展主要是依靠優良的瓦斯地質環境，表1記錄了綜采工作面的主要數據。

表1 工作面采煤參數表（單位：m）

工作面試驗區的煤層為黑色條痕，主采是5#，1.2的硬度具備玻璃光澤，斷口是階梯狀或參差狀，韌性一般。煤體結構部分出現夾矸，在工作面內相對平穩，基本是0.25m的總夾矸厚，煤層基本是3.3m的平均厚度，還算穩定；工作面的試驗區，在掘進巷道時，可以推測地質揭露狀態，總體構造是單斜的西低東高走勢，有較少的斷層和基本不變的煤層產狀，可以預測沒有風氧化或沖刷甚至陷落柱的現象，不會被巖漿巖左右，因為相對簡單的地質構造工作面決定的。工作面試驗各個頂底板時，直接頂大概有6.8m 厚的砂質泥巖，褐色斑點大多分化來自灰色砂巖；老頂大概有3.6m厚的中粒砂巖，根化石較多位于砂質的深灰色泥巖里；直接底大概有2.6m厚的砂質泥巖，根化石及粘土質較多位于砂質灰色泥巖里；老底大概有2.8m 厚的細砂巖為灰褐色；6#煤層底部局部不穩定[1]。

2 三機配套綜采工作面

三機配套的綜采工作面必須按照互相協同配合的原則去進行，主要的配套要求有很多方面：系統壽命和幾何尺寸以及工作性能和生產能力，首要注意的就是設計工作面生產能力的要求必須滿足破落煤的采煤機能力，也就是說采煤機要具備盡可能大的能力；除此之外，要求刮板輸送機具備盡可能大的能力，可以預防堆積破落煤炭，可以順利輸送。刮板輸送機和采煤機的子系統必須完美協作，具體表現在:運輸槽中部的刮板輸送機必須匹配采煤機的滑靴和托架底，機尾和機頭的輸送機要貼合采煤機機尾機頭的三角煤特殊割透區域。另外，液壓支架和刮板輸送機要配合的子系統表現為:液壓支架保持同等的溜槽尺寸和中心距。還有液壓支架和采煤機要配合的子系統表現為:液壓支架保證支撐最大高度大于采煤機采高的最大高度，移架液壓支架必須快于牽引采煤機;“三機”移架步距的液壓支架需大于截深，并且實現相互協調制約及配合，才能達到最優的系統性能。選擇配套設備的型號必須嚴格按照表2試驗設備的基本原則。

表2 綜采工作面所用主要設備及其型號表

電液控支架的完整控制系統有紅外接收器、電源和驅動器以及耦合器和控制器去實現控制；視頻監控主要的關鍵設備和工作面綜采視頻的控制系統是依靠支架姿態以及視頻完成的；不同設備工作面綜采傳輸和控制信號的實現依據的是井下中心集控，實現的是承上啟下的連接地面中心集控；智能手機App礦山終端軟件以及Web端都能進行快速便捷的提取遠程的可視化信息。

3 智能化三機綜采工作面

3.1 智能化采煤機

采煤機借用了航天技術的慣導系統后，集控中心可以接收到環網傳輸的監測數據，綜采設備認可的指令動作轉換必須利用中央處理器，最終達到一鍵啟停和拉移支架以及推溜精準自動的功能，大大提升管理精度的“三直一平”標準。最終運行姿態的采煤機全部建立在傳感器搖臂震動以及搖臂傾角還有電控參數和貫導系統，采煤機割煤截齒記憶的實現是實時監控了負載運輸系統和環境因素以及瓦斯濃度，圖1能夠看到其割煤速度和運行都是經過自行調整適應的[2]。

割煤時的采煤機模式主要是記憶截割，其次才是人工干預，遇到工況比較特殊的情況才需要人工去適度的調節和干預，和采煤機之前老舊的旁站式全程盯防模式完全不一樣，大大降低了司機及其他人員的工作量。

3.2 智能化的液壓支架

新型智能化液壓支架，有很多感應探頭：位移傳感器能實現推移刮板和護幫推力以及頂板壓力監測，另外還有很多紅外接收器和壓力傳感器。

推移配備的液壓支架是控制雙速的專用閥，它可以把千斤頂進行緩慢移動達到自動移架支架的效果，進一步使間隙銷孔消除，完全貼合溜槽的輸送刮板機和移動的千斤頂接觸，不會出現不充分和不統一的移架距離，推移誤差較大一般發生在支架反復多次時，會發生彎曲的工作面。為避免不一致的支撐力，使用了控制雙速閥，降低了支架推移不一致長短的現象，盡可能達到平直的工作面。推送現實運用的工作面成果可知，精度大大提升到厘米級，推移輸送刮板機提升了不止50%的控制精度。

根據每架，集控中心接收到紅外傳感器在采煤機液壓支架所定位的具體位置數據進行分析，支架模塊控制部分進行接收后完成噴霧護幫和推溜移架以及自動跟機的動作。

由于工作面地質不一樣，所以補壓自動升架這一項目必須根據實際的工作面綜采情況，調節升、降液壓自動裝置的壓力，達到調整并升降支架的目的，大大減少人工勞動力，從技術層面去實現無人或少人的采煤狀態。

3.3 智能化的輸送刮板機

安裝在采煤機聯動上的感知設備及探頭，可以實現輸送機判識并分析大數據集控中心，根據液壓支架的情況對采煤機判別實時的位置，達到精確控制拉架和推溜的推移智能化狀態，幫助工作面采煤實現動作慣導，達到調直高效并有序的綜采工作面。

安裝在采煤機里的慣性導高精度設備及位置編碼器，可以模擬位置曲線，無線基站支架定點上傳所得到的慣導信號到集控中心，經計算分析可以得到下一行程的推移頂驅，千斤頂控制刮板輸送機工作面推移的溜槽，可以達到直線要求的程度。采面支架聯動前需要分析回饋信號，循環推溜移架時隨時調整幅度，行程傳感器的高精度控制電液系統可以精確控制拉架和推溜，實現調直的工作面要求。

3.4 智能化三機

基于智能化的刮板輸送機和液壓支架以及采煤機整合的大系統，協調優化并有機地集成了核心功能的調直刮板輸送機和割煤記憶采煤機，還有升架補壓智能化和移架、跟機自動化的液壓支架等互補功能，使工作面綜采實現了“智能化三機”替代了“配套三機”的模式。工作人員利用手機APP移動端和Web數據端都可以實現工作面各類綜采設備的集控參數查看，實現了工作面綜采設備快捷并快速的監控監測云平臺遠程操作[3]。

4 實踐應用智能化三機的建議

運行“智能化三機”的工作面綜采期間，達到了整體協調有序的系統狀態。工作面綜采試驗發現，五十五人的總人數替代了一百三十人的員工量，只需十二人即可替代以往二十六人的工作量，超過50%的減員率代表提效減員效果非常明顯；而巡檢回風對應系統無需人工，安全地保證了核心特殊區域;大幅減少了刮板輸送機和液壓支架以及采煤機的工作面綜采停產因單機故障或整體系統的發生率，保證7.5～8h的開機單班時間，具備至少93%的開機率，整體上升20%，煤炭產量也具備相同的提升率，保證了穩定可靠的系統狀態。

建設智能化煤礦，尤其是智能化煤礦工作面的綜采建設，在擴展時要保證從點到面的全方位模式，并保證平穩的推進，實現同步推進軟硬件，尤其是提升技術操作人員的基本素質。實現智能化的工作面綜采必須提前培訓人員并處理檢修設備故障，完成治理核心災害。發展整合智能化系統代替了智能化單機模式，要保證大力發展無人值守和自動控制等技術的提升，才能徹底替換人員值守和手動干預；大力發展事先預警可以保證安全管理效果，逐步代替事后響應的被動局面；加強實施AR 現實增強技術和VR 現實虛擬技術，達到智能化的遠程維護運行設備，保證平穩的開啟智能化綜采工作面局面。