現代化礦井智能升級案例及經濟性分析

連二堂

（長治市上黨區能源局， 山西 長治 047100）

0 引言

在現代工業高速發展的當下，煤炭資源在能源產業中仍然承擔著重要職責，新時期要求，智能化礦井建設也在如火如荼地進行著。為了能夠全面提升煤炭工業的開采效率降低開采成本，煤礦企業應立足于自身，不斷推動綜采工作面技術與設備的工業化、自動化、智能化改造，向新型現代化礦井建設的目標不斷前進，積極適應時代發展需求?；诖?，筆者重點分析了綜采工作面智能化技術與設備的井下應用，經過對比發現產生了良好的效益，改善了傳統煤礦開采受限于人力而導致的開采效率較低、存在安全隱患等問題[1]。

隨著智能化技術和設備逐步在綜采工作面的應用，不但有效提高了開采效率和質量，同時還降低了開采風險和成本，為安全開采保駕護航，對于推動煤礦行業整體的現代化改造建設和智能化發展水平的提升意義重大[2]。

1 智能化采煤系統建設

煤礦工業發展的初期階段，由于經濟條件所限，工作面布置較為簡單，現代化水平較低。開采所使用的機械設備笨重且效率低下，多種因素造成開采系統缺乏穩定性，不利于開采工作的高效展開。現階段，我國工業化發展迅猛，煤炭企業有必要開展智能化的建設工作，而實現工作面系統和設備的高效管理是智能化礦山建設的首要一步。

筆者針對現有的長壁式綜合機械化一次采全高的采煤工作面，通過智能化綜采系統將每個獨立的設備連接為一個整體，在集控中心對采煤設備進行統一操控和精準管理，做到整體的高度智能化運作[3-4]。智能化綜采系統結構如圖1 所示，主要包括礦井環網、井下巷道監控設備及工作面各個系統。

圖1 智能化綜采系統結構

2 智能化采煤設備概述

建設智能化自動采煤集控系統可以實現綜合化自動采煤的目標，需要對各項設備及系統做到全天候監測及自動控制，可以完成遠程開采任務的同時做到及時人工干預[5]。建成投產后，采煤工作面上的作業人員大幅減少，不但提高了開采效率，還提升了井下安全系數，保證安全高效開采。對此，主要智能化設備如表1 所示。

表1 綜采工作面主要設備選型及技術特征

2.1 智能化采煤機

智能化采煤機可以通過多傳感器融合感知、自主截割、數據遠程傳輸及監測技術來實現智能化作業。結合煤層的硬度、夾矸、工作面采高等情況，筆者對工作面選用型號為MG450/1020-QWD 的電液控無鏈電牽引采煤機，其中無鏈電牽引采煤機是其核心構成，可以實現往復循環割煤，見圖2。采煤機主要技術參數如表2 所示。

表2 采煤機技術特征

圖2 采煤機智能割煤

為滿足本礦年產0.90 Mt/a 的生產任務，本工作面的日產量要保證在1 800 t 左右。采煤機的平均生產能力可用公式（1）計算：

式中：Qm為正常條件下采煤機平均生產能力，t/h；H為工作面煤層平均厚度，取3.04 m；B:采煤機滾筒截深，取0.8 m；vC為采煤機工作期間平均牽引速度，取3.1 m/min；γC為煤的容重，取1.4 t/m3；C為工作面采出率，取0.95。

由此可得采煤機平均生產能力Qm=60×3.04×0.8×3.10×1.40×0.95=602 t/h。

采煤機設計最大生產能力按公式（2）計算：

式中：Qmax為采煤機設計最大生產能力，t/h；K為采煤機割煤不均衡系數，取1.2。

由此可得采煤機最大生產能力Qmax=1.2×602=722 t/h。

2.2 液壓支架

隨著電液控制技術的日益穩定，為實現井下液壓支架智能化控制、自動調直等技術對工作面的自動化放煤、移架、噴霧等作業，筆者對本工作面煤層選用的是ZZD8500/19/38 型液壓支架，總計6 部，具體參數如表3 所示。

表3 ZZD8500/19/38 液壓支架技術特征

液壓支架支護強度根據公式（3）計算：

式中：p為支護強度，kN/m2；n為巖重倍數，以中等穩定、中等堅固的巖石為界，取6；M為煤層最大高度，取3.6 m；γr為頂板巖石容重，取25 kN/m3。

由此可知液壓支架的支護強度為p=720 kN/m3=0.72 MPa。

2.3 可彎曲刮板輸送機

刮板運輸機組主要包括破碎機、轉載機和運輸機，通過智能調速、鏈條張力自動控制技術完成對煤塊的破碎、裝載和運輸。據此，筆者對本工作面刮板輸送機選用型號為SGZ800/2×400 的電液控可彎曲刮板輸送機，主要技術參數如表4 所示。

表4 刮板輸送機技術特征

一次采全高刮板輸送機輸送能力可用公式（4）—式（6）計算：

式中：Q運1為刮板輸送機運輸能力，t/h；QK1為輸送機裝載不均衡系數，1.5；K2：設備修正系數；Q運2為刮板輸送機最大運輸能力，t/h；ve、vc分別為刮板輸送機鏈速和采煤機平均割煤速度，方向相同時取“-”,相反取“+”；K3為煤層傾角及運輸方向的系數；K為能力富裕系數，取1.2。

由此可知：Q運1=1.5×［0.86/（0.86±4.76）］×0.9×602=167 t/h，Q運2=1.2×722=866 t/h。

3 智能化設備使用效果

通過實施礦井工作面智能化的改造與建設，本智能化工作面可實現日均產煤達0.3 萬t 的生產目標，最高可達0.6 萬t。此外，采煤機自動截割率大于92%，最高可達100%。液壓支架自動跟機率普遍大于96%，最高達98.97%，產生了以下良好效應。

3.1 經濟效應

綜采工作面經過智能化改造后，機械設備自動化水平顯著得到提升，勞動力得到充分釋放，生產效率得到改善。作業人員從原來每班需要15 人減至5 人，由此每年可節約出的人力成本達300 萬元左右。各個機械設備在智能系統的科學調度調配下，能夠有效解決空轉的問題，不但節約了能耗，還提高了機器的運轉效率。除此之外，設備在智能系統和工作人員的實時監測之下，有故障發生時可以迅速做出反應，停止工作發出警報，從而減少了設備的故障發生率和維修成本，每年可節約維修成本約60 萬元。

3.2 規模效應

經過智能化設備的應用，礦井的產能和煤炭資源儲備大幅增加，極大地促進了企業建設煤炭集團的戰略部署。改造后，煤炭總產量可達到8000 萬t，礦井產量可達到1 100 萬t 以上。未來目標是將區域內分散的幾大礦區全部整合建成千萬噸級的高標準現代化集團，煤炭產量可達1 億t 以上。

3.3 安全效應

由于過去的條件限制，井下作業只能依賴人工，尤其高危區域，事故隱患極大。依托各項智能化設備和技術之后，危險或者重要的區域就可以實現無人化工作和管理，不但可以規避人為操作的失誤，減輕工作強度和難度，還極大減少了人員傷亡。各類事故發生率降低60%以上，安全隱患整改率達到95%以上，為長期的安全生產提供了硬件基礎。

3.4 管理效應

通過智能系統的應用，使煤礦的一體化管理能夠得以實現，借助平臺可以在三維圖中直觀、明了地獲取各類信息，并且對于資源和信息的調控能力大幅提升，礦井整體的管理水平和效率有了質的飛躍。

3.5 嫁接效應

為了能夠積極、快速掌握智能化設備的使用，通過“幫、傳、帶”的機制，借調有經驗、技術過硬的專業人才到井下進行現場教學指導，以提高技術水平和操作技能。此外，選派骨干進行學習進修，不僅可以化解人才斷層帶來的挑戰和壓力，還可以實現人才接續，做到硬件和軟件同步、協調發展，為現代化礦井的建設做到人員保障。

4 結語

智能化開采的重要性不言而喻，智能化設備和技術的系統運用對礦井的生產安全和生產效率有著至關重要的影響。在工業化發展愈加激烈的市場競爭中，要緊跟時代腳步，繼續加強對綜采工作面智能化應用的不斷深入研究和改進，為全面建成新型現代化、高標準礦井繼續奮進。