同忻矿综放面智能化自动化开采实践

黄庆国,石岩岭

（1.山西大同大学煤炭工程学院，山西大同037003；2.山西大同大学网络信息中心，山西大同037009）

煤矿采煤工作面生产实现智能化、无人化开采是达到降低生产成本、保障煤矿安全生产、提高开采效益最有效的途径[1]。大同煤矿集团公司同忻矿是集团公司的主力生产矿井，采用大采高综采放顶煤技术开采石炭系3-5号煤层，特厚煤层综放开采技术国内领先，2013年同忻煤矿承接国家发改委“同忻煤矿千万吨级高效综采关键技术创新及产业化示范工程”项目，2016年7月同忻矿8202综放工作面作为试点，设备安装运转，国内第一家特厚煤层综放开采的智能化、自动化工作面成功运行，取得了很好的技术经济效益，示范引领全国特厚煤层综放智能化自动化开采技术。2018年2月，在安全高效完成第一个智能化自动化综放面开采的基础上，同忻煤矿第二个智能化、无人化开采的综采放顶煤工作面投入生产。同忻矿3盘区8309工作面作为第二个智能化自动化综放工作面，在8202智能化首采面成功经验的基础上进一步完善了工作面和设备高清摄像仪无盲区视频监视，采煤机采高高精度记忆调节、采机割煤和自适应调节功能，增强了放顶煤液压支架与围岩智能耦合控制系统[2]，采煤机跟机自动移架、放煤口的开闭自动控制，增设了8309工作面临空回风巷道内超前支护门式支架系统，破碎机、转载机等成套装备自动化远程控制等智能化系统。以智能化开采为主导的遥控型智能化无人开采模式，提升完善了我国特厚煤层综合机械化放顶煤采面智能化无人开采技术水平。

1 工作面概况

8309智能化、自动化综放面位于同忻矿第一开采水平三盘区的西南部，北东部为三条盘区大巷，北西为实煤区，南西至银塘沟村保护煤柱，南东为8307回采工作面采空区，工作面巷口往里856 m范围内上覆为同家梁矿侏罗系14号煤层，对应分别为8906、8908、8902-2、8902-3工作面采空区。工作面从856 m至切眼处对应上部为白洞矿侏罗系14号煤层，对应分别为81006、81008、81003工作面采空区。8309综放面走向长2 843 m，工作面布置长200 m，回采巷道沿着底板布置2条，分别为运输平巷和回风平巷，沿煤层顶板布置8309工作面顶抽巷。开采3～5号煤层，煤层平均厚度14.88 m，倾角0～3°，煤层为复杂结构，含夹石层7层，夹石厚度最小0.25 m，最大0.66 m。工作面地质构造简单，煤层为缓单斜构造，回采巷道揭露3条断层，2309巷从辅运大巷至1 849 m揭露一条落差2.5 m倾角82°的正断层；5309巷从辅运大巷至709 m揭露一条落差2.4 m倾角35°的正断层。8309顶抽巷至2 482 m将遇一落差2.9 m倾角80°的正断层。2309巷、5309巷分别从辅运大巷帮起至1 527 m、1 625 m，在此位置揭露一条火成岩墙，宽0.3 m。未见陷落柱等其他构造。8309工作面煤层伪顶泥岩，厚度0.82 m，直接顶含砾粗砂岩及中砂岩，厚度7.95 m，老顶中细粗粒砂岩，平均厚度13.95 m。采面巷道布置和采面位置，见图1。

图1 盘区8309面位置及巷道布置

2 智能化综放面采煤工艺和设备配置

2.1 采煤工艺

（1）依据同忻煤矿3-5号煤层条件及条件相似综放面生产经验，8309智能化自动化综放面按一刀一放多轮分层顺序放煤，顶板管理采用自然垮落法。已采的8202智能化工作面采用SL-500型采煤机及ZF15000/27.5/42型低位放顶煤支架，综合考虑支架高度确保工作面来压期间立柱收缩后采煤机能够正常通行，支架后摆梁上下摆动能够满足放顶煤要求以及采高对煤壁片帮的影响，确定工作面采高为3.9 m。同忻矿已采综放面配套使用ZF15000/27.5/42型支架，推移千斤行程为0.96 m，确定8309工作面截深为0.8 m。

（2）回采工艺为采煤机端头割三角煤斜切进刀→采煤机正常割煤→放顶煤支架自动移架→推前部刮板运输机→低位放顶煤→拉后部刮板运输机，正规循环完成。采煤机采用双向割煤法，前滚筒按设计采高割顶煤，后滚筒沿底板割底煤。

2.2 8309综放面设备配置

8309工作面作为特厚煤层大采高综放面，设备配置和选型充分考虑了3-5号煤层的赋存条件，结合智能化、自动化的具体要求，采用SL-500型采煤机，JOY公司42×1000×268 AFC型前部刮板运输机，JOY公司42×1250×268 AFC型后部刮板运输机。3盘区8309采面共布置配备放顶煤液压支架118架。其中，中部支架的架型为四柱支撑掩护式正四连杆低位放顶煤支架，型号为ZF15000/27.5/42，数量为108架；过渡支架的架型为ZFG13000/27.5/42H型正四连杆过渡支架，数量为9架；端头支架的架型为一组ZTZ20000/30/42放顶煤端头支架，共采用1架。8309智能化自动化综放面采、运、支等设备配置，见表1。

表1 8309智能化综放面设备配置

3 综放智能化、自动化采面实现功能

8309特厚煤层综采放顶煤智能化自动化系统由地面调度室监控系统、综放工作面运输顺槽集中控制系统、采面工业以太环网(全方位的高精度、高清晰度视频监控系统、采煤工作面及顺槽机电设备姿态监测分析系统、高速网络通信系统)同多项智能化自动化关键技术组成的遥控型大型控制系统[3-4]。智能型控制系统作为操作人员的人机接口，以工作面采煤机记忆截割、液压支架自动跟机移架、自动化放煤及可视化远程可靠监控为基础，以综放工作面采煤生产系统智能化自动化控制软件为核心内容，可实现在地面工业广场调度室和综放工作面运输顺槽综合监控中心对工作面所有机电设备的智能化自动化监测与集中控制，达到8309工作面连续、安全、高效开采。8309智能化自动化系统运行逻辑，见图2。地面调度室监控中心，见图3。

图2 工作面智能化系统运行逻辑

图3 地面调度室综放面智能化采煤监控中心

3.1 智能硬件高速采集数据

在8309综放工作面，视频监控系统在采煤机、前部刮板运输机、大采高放顶煤液压支架、后部刮板运输机、破碎机、转载机等不同部位安装了50多只摄像仪，连续不断地实时监视综放工作面的所有机电设备运行姿态，同步清晰显示在顺槽监控中心和地面调度室监控中心的屏幕上，高性能的摄像仪能够清晰捕捉每一个生产环节、每一台综采机电设备细微的动作，全部准确地储存在智能化自动化设备运行控制器单元模块里，智能化自动化控制系统依据这些不断补充积累的重要数据参数，精确无误地控制综放面采煤机向前和向后的运行状态、控制采煤机滚筒的高低姿态，地面调度室和工作面顺槽实时监控人员可以自动切换和跟踪任何设备；采面的放顶煤液压支架按照自动化程序控制要求自动跟机移架，能及时从系统获取采煤机位置信息[5]。液压支架可实时通过压力传感器、行程传感器、倾角传感器、支架间距传感器获取修正姿态的多种数据信息，准确无误地实现全工作面放顶煤液压支架防倾倒、片帮、防冒落等液压支架的姿态控制，开启低位放煤口、关闭放煤口等功能，遥控自动完成工作面端部割三角煤斜切进刀，中部跟机作业。工作面每个设备的每个控制器和每个摄像仪都是信息网络的节点，又是数据信息的采集接口单元，自动采集、统计、分析处理并及时反馈设备当下的运行数据参数，集成存储形成了综放采面机电设备运行姿态的大数据库，高速工业以太网络完成数据远程传输至控制中心平台，将分析修正后的数据参数反馈到智能化控制生产过程，提高综放工作面生产系统的可靠性、安全性和生产效率。

3.2 实时分析调整设备状态

在8309综放面运输顺槽监控中心，工程技术人员依靠高清晰度显示屏完成安全确认，按下综放工作面机电设备一键启动按钮，远程遥控综放工作面的设备按预定程序先后启动，工作面采煤机按照控制器预设的割煤速度牵引，沿着3-5号煤层底板和顶煤自动割煤，采煤机将准确无误地执行示范采煤是系统预留的采高、截深等工作数据信息、姿态参数信息、滚筒高度轨迹，进行智能化、自动化精确运算，在自动截割过程中不断修正误差，按照煤层顶煤底板仰俯差自动控制[6]；同时摄像仪实时追踪采煤机运行状态，当工作面粉尘较大时，红外热成像摄像仪可穿过煤尘将滚筒特殊成像，视频图像自动完成全景拼接，并实时推送给8309工作面运输顺槽监控中心，使远程操作人员获得比就地观测更好的视觉效果，进行降低煤层的远程干预调整；自动移架造成的工作面弯曲，可以利用高精度惯性导航系统，准确描绘工作面弯曲曲线，实现工作面自动校直，根据工作面端头斜切进刀参数，自动完成斜切进刀，割三角煤等工序。综放面顺槽监控中心，见图4。

图4 综放面运输顺槽监控中心

3.3 监控系统保障安全生产

8309综放工作面采用新技术是实现智能化、自动化综放工作面安全生产的关键所在，采用放顶煤液压支架自动化跟机技术、工作面采煤机遥控自动运行技术、工作面高分辨率视频监控技术、综放采煤机电设备远程集中控制技术等新技术的集成，使智能化综放工作面生产的安全性、工程质量、生产效益有了极大地高质量飞跃[7]。在工作面运输顺槽监控中心，便可通过显示器观察到工作面综放设备运行情况；综放采面生产过程中，工作面无人操作，监控中心两人远程监控，通过高速网络和高清视频的支持，在高速工业以太网的基础上建立统一的高速网络通讯平台，实现设备数据高速上传和控制信息实时下达，控制延时不超过200 ms；采用视觉沉浸技术，将综放工作面各个工种的员工从采面解放到监控中心，将人的视听感官延伸到工作面，身临其境监控安全生产，这些系统的运用将员工从操作工变成巡检工，智能遥控替代人工劳动，大大降低了工人的劳动强度，极大地提高了工作面生产过程的安全性。

4 结语

8309综放面智能化、自动化代替了人工操作，生产能耗下降5%以上，操作人员减半，提高了采煤的生产效率，降低了生产成本，减轻了劳动强度，使生产过程的操作员变成了系统监控员；实现地面及井下控制中心对设备的智能监测和集中控制，将工人从危险的工作面采场转移到安全的顺槽监控中心，提高了工作面生产过程的安全性。