基于瓦斯體積分數監測的采煤機運行速度動態控制研究

石凱強

(汾西礦業正令煤業有限責任公司,山西 孝義 032300)

煤炭開采時煤壁以及采空區等均會不斷涌出瓦斯,當回采空間內瓦斯超限時容易誘發嚴重的安全事故[1-2]。為此,在高瓦斯煤層回采工作面煤炭開采時,采煤機上搭載有瓦斯傳感器,用以實現瓦斯超限斷電,提高煤炭開采安全性。受井下空間狹小、通風空間受限以及通風風量較小等多因素影響,采面風排瓦斯能力受限。一般情況下,采面瓦斯涌出量與采煤機推進速度有密切關聯,為此眾多學者從采面煤炭開采設計、采面瓦斯監控、瓦斯涌出預測及預警等方面展開研究[3-5]。以往的研究重點集中在高瓦斯智能化開采、瓦斯監控及瓦斯治理等方面,基于采面瓦斯體積分數監測對采煤機回采速度控制方面研究較少。為此,文中就以山西某礦3205綜采工作面回采為研究背景,將采面瓦斯監控系統接入采煤機運行控制系統中,依據采面瓦斯體積分數變化實現采煤機運行速度動態控制,以期在保障煤炭回采安全前提下提升采煤機煤炭生產效率。

1 采煤機推進速度與瓦斯體積分數關系

1.1 工程概況

3205綜采工作面設計回采3號煤層,設計走向推進長度1 980 m、傾向長度為150 m.采面回采范圍內3號煤厚均值為1.6 m,煤層頂底板巖性以粉砂巖、砂質泥巖以及炭質泥巖為主,煤層賦存較為穩定,回采區域內地質構造不發育;3號煤層原始瓦斯含量為7.9～11.3 m3/t、瓦斯壓力為0.64～0.93 MPa,煤層透氣性較差且松軟。3205綜采工作面采用U型通風方式,額定供風量為950 m3/min,在采面回采前通過采用底抽巷穿層鉆孔、順層鉆孔方式對回采區域內煤層進行預抽,同時在回采期間通過埋管、高抽巷等方式減少采空區瓦斯涌出。

3205綜采工作面布置的主要開采設備為MG2×200/930-WD1型采煤機、ZY4000/09/19D型液壓支架、SGZ-764/400型刮板輸送機等,并配備電液控制系統、巷道集控中心、視頻監控系統、三機智能控制系統等先進的控制系統,采面自動化開采水平較高。采面在回采期間,受煤層瓦斯涌出量影響明顯,采面及回風巷瓦斯體積分數均值可分別達到0.26%、0.52%,采面推進速度緩慢,煤炭產量較低。

1.2 采煤機推進速度與瓦斯體積分數關系

3205綜采工作面回采過程中瓦斯體積分數較高,影響采面生產效率以及煤炭產量,采面煤炭推進速度與瓦斯涌出量有密切關聯,因此有必要對采煤機運行速度進行動態調節,使采面瓦斯體積分數在合理、安全范圍內。結合3205綜采工作面現場條件,在采面回風上隅角、采煤機上均布置有瓦斯傳感器,在0～6 m/min范圍內調節采煤機運行速度。在其他參數保持不變的情況下,調整采煤機運行速度,對回風隅角以及采煤機所在位置的瓦斯體積分數進行實時監測,獲取回風上隅角、采煤機位置瓦斯體積分數隨采煤機運行速度的關系曲線如圖1所示。

圖1 瓦斯體積分數隨采煤機運行速度關系曲線

在煤炭開采期間,回風上隅角及采煤機位置瓦斯體積分數與采煤機運行速度整體上呈正相關變化趨勢。

現場瓦斯體積分數監測發現,回風上隅角以及采煤機位置瓦斯體積分數較其他位置高,同時采煤機位置瓦斯體積分數較回風隅角處低,因此在實際回采期間應將回風上隅角位置作為瓦斯體積分數監測的重點。

在保持其他參數不變的情況下,采煤機運行速度分別控制在2 m/min、3 m/min、4 m/min、5 m/min、6 m/min,通過瓦斯傳感器對采面中部至回風上隅角位置的瓦斯體積分數進行監測,具體結果如圖2所示。

圖2 上隅角瓦斯與采煤機距回風上隅角距離關系曲線

在3205綜采工作面回采期間,回風上隅角位置瓦斯體積分數與采煤機距回風隅角距離呈負相關變化趨勢,上隅角瓦斯體積分數峰值一般出現在采煤機回采至回風上隅角位置。

在保持采煤機位置不變的情況下,回風上隅角瓦斯體積分數與采煤機運行速度呈正相關變化趨勢。

采面瓦斯體積分數受采煤機運行速度變化影響,可通過動態調節采煤機運行速度達到控制采面瓦斯體積分數的目的;反之依據瓦斯體積分數對采煤機進行調節,可確保采面瓦斯體積分數始終保持在允許范圍內。

2 采煤機運行速度動態控制研究

在采面回風上隅角、采煤機、采面進風隅角、采面中部等位置均安裝監測精度及可靠性較高的GJG 100J瓦斯傳感器,同時將瓦斯傳感器監測數據傳輸至采面巷道集控中心。結合采煤機姿態、位置監控系統獲取采煤機與回風上隅角間距離,通過獲取的瓦斯體積分數對采煤機運行速度進行遠程動態調節,確保采面瓦斯體積分數始終在允許范圍內,具體動態控制系統如圖3所示[6-8]。

圖3 速度動態控制系統架構

采煤機運行速度動態控制系統通過獲取采面上部、中部、下部以及采煤機位置的瓦斯體積分數調節運行速度,合理確定瓦斯體積分數閾值是該系統可靠運行的關鍵。當設定瓦斯體積分數閾值過大時,容易導致采面瓦斯體積分數超限;設定閾值過小時則會制約煤炭開采效率。結合現場需求以及采面瓦斯體積分數超限相關規定,具體設定的瓦斯體積分數閾值為:低位0.3%、中位0.5%、高位0.7%.

采煤機運行速度動態控制策略為:當采面瓦斯體積分數≤0.3%時(即小于低閾值時),可適當增加采煤機運行速度;當采面瓦斯體積分數在0.3%～0.5%區間時(即瓦斯體積分數在低閾值至中閾值之間時),保持采煤機當前運行速度;當采面瓦斯體積分數在0.5%～0.7%區間時(即瓦斯體積分數在中閾值至高閾值時),適當降低采煤機運行速度并發出一預警信息;當采面瓦斯體積分數≥0.7%時(即瓦斯體積分數超過高閾值),采煤機立即停機并發出二預警信息。

3 現場工業試驗分析

針對3205綜采工作面采面瓦斯體積分數高導致回采速度慢、煤炭開采效率低等問題,提出并應用基于瓦斯體積分數監測的采煤機運行速度動態控制系統。在3205綜采工作面進行工業試驗時,根據上述研究成果以及采面現場情況確定采煤機運行速度,具體運行速度設定值如表1所示。同時在基于瓦斯體積分數控制調節采煤機運行速度的基礎上,通過采煤機姿態定位、視頻監控系統等實時獲取采煤機運行位置,在靠近回風上隅角位置時對采煤機運行速度進行調整,具體控制策略為:當采煤機與回風上隅角間距在18 m以內時,將采煤機運行速度由6.0 m/min降至5.0 m/min,避免回風上隅角瓦斯超限;當采煤機與回風上隅角間距在10 m以內時,將采煤機運行速度由5.0 m/min降至4 m/min,進一步減少采面瓦斯涌出。

表1 瓦斯體積分數與采煤機運行速度對應結果

3205綜采工作面于2022年6月10日完成采煤機運行速度動態控制系統設備安裝及調試等工作。該系統經現場應用后,有效提升了采面煤炭生產連續性,采面推進速度由4.8 m/d提升至6.4 m/d,煤炭產量增長幅度超過33.3%.系統可依據瓦斯體積分數動態控制采煤機運行速度,達到提高煤炭生產效率的目的。

4 結 語

1) 為提高3205綜采工作面煤炭生產效率及安全保障能力,對采面回采期間瓦斯體積分數與采煤機運行速度進行監測,發現采面瓦斯體積分數與采煤機運行速度呈正相關變化關系。為此提出基于瓦斯體積分數監測的采煤機運行速度動態控制系統,即依據采面瓦斯體積分數動態控制采煤機運行速度,達到既實現煤炭連續回采又控制采面瓦斯涌出的目的。

2) 在采面上部、中部、下部及采煤機機身上均布置瓦斯傳感器,并將傳感器監測數據傳輸至巷道集控中心,設定瓦斯體積分數閾值為:低位0.3%、中位0.5%、高位0.7%, 并具體給出采煤機運行速度動態控制策略。工程應用表明,構建的采煤機運行速度動態控制策略可依據采面瓦斯體積分數動態控制采煤機運行速度,有助于保證高瓦斯礦井采煤工作面生產持續性且避免采面瓦斯超限。