綜采工作面“三機”智能化應(yīng)用研究

康明富， 李廣友

（陽煤集團(tuán)壽陽開元礦業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 壽陽 045405）

引言

綜采工作面作為煤炭生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，不僅關(guān)系到礦山災(zāi)害管理和工作面準(zhǔn)備，還關(guān)系到采空區(qū)管理和井下后期管理。綜采工作面主要有三種機械，即采煤機、刮板輸送機和液壓支架，這三種機械的相互協(xié)同作用，對于保障煤礦井下安全、綠色生產(chǎn)尤其重要。有些學(xué)者在應(yīng)用層次上，對綜采工作面智能化進(jìn)行了探索[1]，國內(nèi)的廣大研究人員通過各個層次的研究，為綜采工作面智能化提供了或多或少的理論依據(jù)，這同時也符合了煤礦安全生產(chǎn)理念，提供了強有力的保障。因此，本文在傳統(tǒng)的“三機”配套、協(xié)同工作的基礎(chǔ)上，展開了智能化應(yīng)用。筆者意在通過以上嘗試，對綜采工作面的智能化建設(shè)出一份力。

1 綜采工作面“三機”配套

在綜采工作面的大系統(tǒng)背景下，要根據(jù)一定的原則，才能達(dá)成三種設(shè)備工作過程中的協(xié)同作用，這些指標(biāo)有很多方面，如系統(tǒng)的規(guī)格、設(shè)備的性能、機械的大小、使用的壽命等，同時采煤機的割煤生產(chǎn)能力要達(dá)到該工作面計劃的生產(chǎn)能力，這也是對采煤機性能方面的要求[2]。此外，刮板輸送機一定要留出一部分的運輸能力，這樣做的目的是避免落下的碎煤堆積在一起，影響生產(chǎn)效率。其中的各個子系統(tǒng)之間的配合也是有一定要求的，具體如下：

1）采煤機與刮板輸送機的系統(tǒng)：刮板輸送機的中心輸送槽要朝著采煤機底部托架、滑靴等結(jié)構(gòu)支承，物料運輸?shù)氖住⑽膊繕?gòu)造應(yīng)保證與采煤機貫通，并在首、尾部之間的特殊地方處理成三角形的煤。

2）刮板輸送機物料運輸與液壓支架系統(tǒng)：液壓支架的每個斜槽的中心直徑應(yīng)小于液壓支架的中心距。

3）采煤機與液壓支架的系統(tǒng)：采煤機最大采煤寬度應(yīng)低于液壓支架的最大支撐寬度，采煤機牽引速度應(yīng)低于最大液壓支撐轉(zhuǎn)速；切割深度應(yīng)當(dāng)?shù)陀谝簤褐Ъ艿淖畲笠苿硬骄唷?/p>

“三機”相互配合、控制、協(xié)作，以最終實現(xiàn)試驗系統(tǒng)性能的最優(yōu)化。并按照試驗機械設(shè)備選型與配合的基本準(zhǔn)則，在試驗工作面配備設(shè)備，如表1 所示。

表1 綜采工作面設(shè)備

2 智能化開采模型的構(gòu)建

本文主要根據(jù)實際測量的勘探鉆孔、礦井的開切眼位置及巷道的信息，來搭建試驗工作面的立體模型，同時要通過定向鉆孔等方式來增加初始模型的精確度。采用經(jīng)由回風(fēng)巷道往運輸巷道打定向鉆孔的方式，來觀測鉆孔返出來的水的顏色，并通過水壓計來實時監(jiān)測鉆孔內(nèi)的水壓變化，從而達(dá)到區(qū)分煤層與巖層分界的目的，借助驗孔專用設(shè)備來測得具體的煤巖分界點。將更為精確的數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取，從而增加綜采工作面的地質(zhì)模型精度。其地質(zhì)模型如下頁圖1 所示。

圖1 三維地質(zhì)模型

3 智能化開采技術(shù)

3.1 記憶割煤

現(xiàn)有的記憶割煤技術(shù)，由于其受到煤層底板及工作環(huán)境因素的影響，使得采煤機在割煤過程中還不能獨自按照事先設(shè)計好的路線去進(jìn)行，需要施工人員持續(xù)地遠(yuǎn)程調(diào)整。通過上述建立的模型，施工人員可以實時對采煤機的截割工作參數(shù)進(jìn)行調(diào)整修改，再綜合考慮其位置與工況相關(guān)信息，實現(xiàn)采煤機滾筒調(diào)高的智能化，進(jìn)而完善記憶割煤技術(shù)，達(dá)到智能化割煤的效果。

3.2 自適應(yīng)控制

作為重要的底層系統(tǒng)，電液控制系統(tǒng)在液壓支架支護(hù)時，可以完成移架、推溜等所有動作。此外，依據(jù)采煤工藝的程序設(shè)置，使得液壓支架能夠與采煤機之間協(xié)同配合，共同完成割煤支護(hù)工作的自動化。將傳感裝置應(yīng)用于液壓支架上，液壓支架的控制主要依靠電液控制系統(tǒng)進(jìn)行操控，在綜采工作面布置工業(yè)以太網(wǎng)，從而對采煤機的工作狀態(tài)進(jìn)行實時獲取，進(jìn)而使得液壓支架在電液控制系統(tǒng)的驅(qū)動下，完成自動化跟機。

3.3 綜采工作面直線控制

該項技術(shù)保障了井下綜采工作面的正常運行。液壓支架矯直主要采用采煤機慣性導(dǎo)航定位、激光雷達(dá)掃描、視覺測量等方法來測量刮板輸送機的彎曲度，并利用差分算法和自身的位移反饋來完成液壓支架的定量“移動”對準(zhǔn)。具體來說，通過采煤機內(nèi)置的陀螺儀或巡檢測試系統(tǒng)，可以對綜采工作面刮板輸送機的直線度進(jìn)行測量，通過計算分析液壓支架與刮板輸送機的相對位置關(guān)系，在后續(xù)工作過程中，對液壓支架的位置進(jìn)行調(diào)整，從而實現(xiàn)刮板輸送機與液壓支架的平行控制[3]。如圖2 所示為巡檢機器人的示意圖。

圖2 巡檢機器人

4 試驗工作面概況

本次參與試驗的工作面屬于山西地區(qū)某礦井，該礦井屬煤與瓦斯突出礦井，其礦井內(nèi)的主采煤層具有弱爆炸性，屬三類不易自燃煤層，煤礦周圍的水文地質(zhì)條件簡單，被采工作面水平高度為+688～762 m，工作面平均地表+1 100 m，煤層的埋藏深度為338～425 m，無沖擊地壓傾向。試驗工作面采用走向長壁綜合機械化一次采全高采煤方法，頂板管理采用全部垮落法，石灰?guī)r頂板和較硬的煤層結(jié)構(gòu)給智能化開采創(chuàng)造了有利條件。回采工作面基本情況如表2 所示。

表2 回采工作面參數(shù)

該工作面所采煤層為15 號煤層，位于太原組的下側(cè)，顏色發(fā)黑、有光澤，測得其硬度為3.5～4.2，相對較硬，斷口處規(guī)整。在整個工作面內(nèi)，其煤質(zhì)較穩(wěn)定，煤層較為規(guī)整，整體厚度在3.5～4.2 m；根據(jù)巷道掘進(jìn)期間該工作面附近出現(xiàn)的地質(zhì)情況可以分析出，試驗工作面的構(gòu)造較為簡單，整體呈現(xiàn)東部高、西部低的狀態(tài)，無明顯煤層產(chǎn)狀變化，不存在明顯大斷層，無陷落柱，無風(fēng)氧化帶，未受到火成巖入侵。該工作面頂?shù)装宓男再|(zhì)，直接頂為砂質(zhì)泥巖、石灰?guī)r（K2 下），厚度21.95 m，硬度為9～11；深灰色砂質(zhì)泥巖，片狀，水平層理，局部發(fā)育有細(xì)粒砂巖；深灰色含泥石灰?guī)r，性硬，含腕足類、蜓類動物化石，具裂隙，為方解石脈充填。老頂為石灰?guī)r（K2），厚度2.33 m；成分以淺灰色石灰?guī)r為主，含長身貝殼化石，局部為泥灰?guī)r（K2）。直接底為砂質(zhì)泥巖，厚度7.39 m；灰色，可見少量煤屑和炭化體。老底為細(xì)粒砂巖、砂質(zhì)泥巖，厚度5.33 m；灰色粉、細(xì)砂巖，含炭屑及大量云母碎片；深灰色砂質(zhì)泥巖，上部具明顯的鮞狀結(jié)構(gòu)。

5 智能化開采在試驗工作面的應(yīng)用

將綜采工作面“三機智能化”應(yīng)用到試驗工作面，立刻就展現(xiàn)出了它的高效性、協(xié)同性及條理性。井下綜采工作面由原來的30 人，減少到了現(xiàn)在的13 人；并且有關(guān)綜采工作面整體配套工作的相關(guān)人員也由早先的120 人，減少到了現(xiàn)在的50 人，從而達(dá)到了井下作業(yè)少人化的目的，其相對減員率超過了1/2；針對回風(fēng)系統(tǒng)的維護(hù)及檢驗工作，將不再派遣人員，從而實現(xiàn)了井下特殊地點的無人化；極大程度地減少了采煤機、刮板輸送機及液壓支架“三機”在協(xié)同工作或者單體工作時由于故障致使綜采工作面停產(chǎn)的時間，每個班的設(shè)備開機時間規(guī)定在8 h 以內(nèi)，設(shè)備的開機率也達(dá)到了9 成以上，相比之前增長了近20%，使得系統(tǒng)變得更為安全可靠，在煤炭的采出量上也有了一定的提升。

6 結(jié)語

關(guān)于現(xiàn)代煤礦智能化建設(shè)工作，尤其是針對煤礦綜采工作面的智能化建設(shè)一定要循序漸進(jìn)、逐漸拓展，在擴(kuò)展的進(jìn)程中又不能急于求進(jìn)，技術(shù)與設(shè)備應(yīng)該配套發(fā)展，尤其要提升作業(yè)人員的整體技術(shù)水準(zhǔn)。綜采工作面智能化在全面推進(jìn)時，還要同時進(jìn)行井下災(zāi)害的治理工作、作業(yè)設(shè)備的檢修與維護(hù)工作及施工人員整體素質(zhì)的提升，逐步實現(xiàn)從單體的智能化向整體系統(tǒng)智能化的轉(zhuǎn)變，同時進(jìn)行作業(yè)人員技術(shù)培訓(xùn)、綜采設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和維護(hù)工作，筆者認(rèn)為只有做好上述相關(guān)工作，才能讓綜采工作面智能化走得更遠(yuǎn)。