大采高智能化无人开采技术的探索

刘建伟

(陕西黄陵二号煤矿有限公司，陕西 黄陵 727307)

0 引言

先进的综采设备和技术是现代化煤矿生产的保障，综合机械化采煤是煤矿生产中设备最多、环境最恶劣、工作最复杂的系统，利用智能化的设备代替人工操作，实现少人、无人化是采煤技术研究的大趋势，也是煤炭工业技术发展的必然趋势。黄陵矿业公司一号煤矿在薄煤层、中厚煤层实现智能化无人综采工作面的成功范例，成为国内目前最先进的自动化工作面，实现了“国产设备工作面无人化”的目标。目前，我国大采高厚煤层智能化开采技术也在不断的探索和研究，许多煤矿也进行了试验，但是没有完全成功的实例。

黄陵二号煤矿煤层结构简单、倾角为近水平、煤层厚度稳定、属大采高厚煤层，顶板为细粒砂岩、底板为炭质泥岩，地质条件简单，在大采高智能化无人开采技术实施方面有着得天独厚的优势。二号煤矿2006年国产600万t配套设备中支架电液控系统具有采煤机位置监控、矿压检测、支架状态显示、自动收打护帮、跟机拉架、自动喷雾、成组推溜、信号井上下传输等功能，华宁集控具备语音报警、设备联动开停、电气保护参数设置、信号井上下传输等功能。综采工作面设备职工已能熟练操作和日常维护，技术基础较好，具备实现智能化无人开采的技术能力和日常管理能力。

1 预期目标和攻关的技术难点

1.1 预期实现的目标

以打造国内大采高智能化、无人化综采示范工作面为总体目标，以采煤机智能控制、液压支架自动跟机以及可视化远程监控为基础，实现在地面与顺槽综合控制中心对综采设备的智能监控与控制，工作面2人巡视、2人远程干预，达到工作面连续、安全、高效开采的目标，使二号煤矿扛起国内大采高智能化开采技术的大旗，引领无人化开采技术的方向。①实现大采高智能化无人开采的常态化；②实现“以工作面智能运行为主，地面(顺槽)监控中心远程干预控制为辅”的智能化生产模式；③实现“无人跟机作业，有人安全巡视”的目标。

1.2 需要攻关的技术难点

采煤机记忆截割精度及割三角煤误差：在采煤机行走机构安装编码器，检测分辨率精度要求误差不大于1 cm，典型位置控制精度优于±5 cm，记忆截割典型采高重复误差±2.5 cm，具有线性插值、采高精度与牵引速度的适应调节。

工作面视频画面分辨率受煤尘影响：①增加煤机外置喷雾装置与支架跟机喷雾同时降尘，增强工作面清晰度；②每架安装一盏50W照明灯，增强工作面煤壁照明效果，补强光照度；③每3台支架安装一台摄像仪，两端头采用彩色广角摄像仪增强照射范围，保证视频无死角；④新型高分辨率摄像仪的引入运用。

支架两级护帮跟随煤机收打联动：①在自动化程序中增加感知功能，保证当采高在4 m以下时护帮板全部收回，煤机正常通行；在采高达到4～6 m范围时，保证两级护帮跟机联动；②在支架一级护帮加设行程传感器，在采煤机运行过程中护帮板能跟机作业，根据煤机运行状态自动控制行程，保证紧贴煤壁防止片帮。

2 实现功能总体方案和保障

2.1 智能化实现的功能

智能化控制系统实现在顺槽监控中心和地面调度中心对井下设备(采煤机、液压支架、泵站控制、运输机、转载机、破碎机、皮带机系统)的“一键”启停控制和远程干预操控、故障诊断功能、故障类型显示、语音提示、管理等功能。

采煤机实现自动记忆截割；液压支架实现自动跟机拉架、收打护帮、采高监测、顶梁姿态监测；泵站系统实现自动配比乳化液、设备工况监测与集中控制；皮带系统设备工况监控；皮带自移系统实现就地遥控；工作面工业以太网能将工作面视频与数据高速传输通讯；工作面视频系统实现对主要综采设备进行实时监控；“单兵”系统能保障巡检人员与地面实时交互；巡视系统实现人员定位与识别；两顺槽超前支架电液控实现就地遥控及远程控制。

2.2 总体方案

总体技术方案借鉴应用一号煤矿智能化无人开采成熟技术，依据二号煤矿实际生产条件要求，由二号煤矿会同设计单位将智能化工作面设备要求实现的功能，整合三机集控、胶带机集控、采煤机记忆截割、液压支架电控、顺槽超前支架电控、乳化泵站自动供液、工作面视频、网络数据传输等技术做整体设计方案。

根据整体设计方案要求将各个检测子系统的监测数据汇集到采煤自动化主系统：①将三机检测子系统中的链条自动张紧、冷却水自动开停、定子绕组温度、轴承温度、润滑油温度等监测数据通过检测主站上传至自动化控制主系统；②将采煤机远程启停记忆截割、远程启停、实时运行状态、实时监测数据与自动化控制系统主机进行实时通讯；③将液压支架跟机运行状态、推溜拉架数据、压力检测数据、一二级护帮联动功能、视频传输数据与自动化控制系统主机进行实时通讯；④将胶带机防跑偏传感器、堆煤传感器、烟雾传感器、沿线急停等保护与工作面三机主控进行通讯，由工作面三机控制系统再将胶带机控制信息传输至自动化控制系统；⑤将组合开关和移变的先导、通讯状态、电流、电压、功率、绝缘阻值、故障状态等信息通过通讯电缆传输至自动化控制系统。

将工作面所有设备运行数据采集的子系统全部上传至自动化控制主系统后，由主系统对所有采集数据进行分析，做出开机预判，使整个工作面实现智能化开采。

总体设计方案完成后由矿业公司技术中心组织，邀请智能化开采技术创新中心指导委员会和技术委员会等专家进行高层次评审，确保总体设计方案达到使用要求。

2.3 实现大采高智能化无人开采的前提保障

二号煤矿大采高智能化无人开采技术的成功实施，必须从管理上高度重视、资金上大力支持、人员素质上狠挖潜力，从资料收集、设计方案、前期准备、后期实施应用等方面形成完善的管理体系。

顶层设计方面：借鉴一号煤矿中厚煤层智能化开采技术在实际使用过程中出现的故障和技术难点进行技术攻关，由二号煤矿与设计单位充分沟通论证，保证大采高智能化总体配套设计方案合理完善、理念先进、使用效果良好。

思想保障方面：从上至下必须统一思想认识，树立坚定的信念。思想决定行动、行动决定成败，要教育管理人员和广大职工转变思想观念，树立大采高智能化无人开采必须成功的信念。

素质、技能保障方面：充分发挥职工的主观能动性，加大培训力度，提高职工素质。要求设计单位做好前期培训，通过培训学习使职工熟悉设备结构原理，能够快速的掌握应用智能化设备，为维护保养、处理故障打下良好基础。

地质保障方面：二号煤矿在工作面设计中充分考虑顶板管理难点，做出详实的煤层写实报告，根据以往经验做好顶板周期来压的预报。加强巷道支护强度，减少两顺槽的巷道变形，为大采高智能化无人开采技术提供地质保障。

后期应用方面：二号煤矿成立专职智能化办公室，负责智能化开采设备维护监督工作，制定严格的智能化设备管理制度，高度重视智能化开采技术设备的维护保养，在前期的调试和后期的生产过程中坚决杜绝职工甩掉任何保护，发现故障后积极协调处理，保证智能化设备的正常运行。

3 经济效益和社会效益

从安全效益来看，智能化无人开采将职工从危险性较高的采煤工作面转移到安全环境较好的顺槽监控中心和地面远控中心，与二号煤矿目前的综采工作面相比，智能化无人开采工作面作业人员由12人减至2人，两顺槽作业人员由8人减至2人，从根本上提高了作业安全系数。

从经济效益来看，二号煤矿智能化无人开采工作面设备和技术，在原有的综采装备基础上，需要增加投入1 000万元，但是智能化无人开采工作面比传统工作面每个生产班减少17人，每年可节约人工成本580万元。目前二号煤矿单面月产量在35万t，每天推采10刀煤，日产量1.3万t；根据一号煤矿每天推采14刀煤的成功经验，二号煤矿大采高智能化工作面每天推采14刀煤，日产量1.85万t，月产量将达到50万t；同比月产量增长15万t。

从社会效益来看，智能化无人开采工作面将大幅降低了工人的劳动强度，极大改善了煤矿工人的工作环境。根据一号煤矿智能化无人开采工作面所取得的安全、经济、社会效益来看，工作面少人化、无人化开采才是真正的本质安全，解决了煤矿原煤生产与安全管理之间相互制约的问题，为二号煤矿实现智能化开采技术铺通了道路、指明了方向。同时填补了国内大采高智能化开采技术的空白，对中国煤炭工业的发展具有重要的历史意义。

4 结语

煤矿安全、高效生产的最根本要求是靠先进的科学技术和现代化的设备。智能化无人开采技术是一项系统工程，是机械化、自动化、信息化技术的集成应用，规范化、精细化管理的成果。二号煤矿大采高智能化无人开采技术的探索和应用，是建设本质安全型矿井和现代化煤矿企业的新路子。大采高智能化无人开采技术的应用，标志着二号煤矿在大采高智能化开采技术领域将成为行业领头羊，填补国内大采高智能化无人开采技术应用的空白，达到国际领先水平，对中国煤炭工业发展具有重要的历史意义。