大同矿区千万吨级综放工作面智能控制关键技术现状及展望

王爱国

(大同煤矿集团有限责任公司,山西大同 037003)

我国厚煤层可采储量占全国煤炭总可采储量的43%左右,每年地下厚煤层的开采量约占全国煤炭产量的40%～50%[1-2]。放顶煤开采是厚及特厚煤层安全高效开采的主要开采方法之一。因此,厚煤层条件下开展安全、高效、高回收率开采对我国煤炭工业的发展具有重要作用。大同煤矿集团有限责任公司(以下简称：同煤集团)所属高产高效矿井主要以厚煤层综放开采为主,综放工作面成套设备整体技术与生产管理水平还有很大的进步空间,综放工作面智能控制关键技术的研究对于同煤集团在十三五期间完成11 座千万吨级矿井的建设的目标具有积极的意义。

1 智能化综放开采技术现状

1.1 国外研究现状

目前,国外综放开采技术仅在土耳其、孟加拉、澳大利亚等少数几个国家有相关应用且大多为国内综放技术的输出应用,如兖矿集团有限公司将综放开采技术应用到澳大利亚澳思达矿,并探索了基于时间控制的自动化放煤方式。国外在智能化综放开采领域未开展相关研究。相反,国外自21 世纪初至今,以惯性导航技术、热红外线煤岩识别技术、虚拟现实技术、多传感器技术为代表的综采工作面自动化技术使综采工作面的智能化成为可能,也为智能化综放开采技术的研究提供了一定的技术借鉴。

1.2 国内研究现状

综放开采技术90 年代初期以兖矿兴隆庄矿综放工作面年产突破300万吨及复杂煤层综放开采技术的应用为标志,综放开采技术在国内快速发展应用[3-4]；从“十五”期间兖州矿区“600 万吨综放工作面设备配套与技术研究”项目的完成,创造了国内外综放开采单产、工效和采出率的最高记录,到“十一五”期间针对14 m～20 m特厚煤层开发的大采高综放开采成套技术与装备,工作面年产达到1 000万吨,我国综放开采技术已处于国际领先水平。目前综放开采技术已经成为我国特厚煤层矿区实现高产高效的主要技术途径。

在智能化综放开采相关技术领域,近年来国内进行了初步的探索试验,如：兖矿兴隆庄煤矿试验程序控制与人工补放结合的放煤方式；潞安王庄煤矿试验研究了声音频谱煤矸识别技术；中国矿业大学进行了基于声波的放顶煤过程自动控制系统实验研究；北京天地玛珂电液控制系统有限公司试验了记忆放顶煤方式。这些试验研究虽取得了一定的认识,但在关键技术领域仍未取得实质性的突破,不能适应智能化综放开采现场需求。

综上,综放开采的智能化尚处于试验探索阶段,主要存在智能放煤理论空白,煤矸智能识别、放煤智能控制等关键技术尚未突破,亟待研发新技术和新装备解决这些难题。

2 大同矿区综合机械化开采智能化技术现状

目前,同煤集团在自动化及智能化综采装备技术方面,主要包括大斗沟矿普通综采液压支架电液控技术、麻家梁矿放顶煤智能化综采装备技术、四台矿薄煤层智能化综采装备技术,以及同忻矿千万吨综放开采示范。

2.1 大斗沟煤矿普通综采液压支架电液控制技术

应用“SAC型支架电液控系统”,支架采用邻架、隔架操作,可实现成组操作。该系统具有人机交换界面,支架操作简单,具有本架闭锁,工作面全闭锁以及成组动作等功能。该系统提高了支架控制操作的自动化程度,加快了支架动作速度,增加了支架工况和控制过程的信息化和监视功能。电液控制提供的控制方式和过程的可调节性(如主动作与辅动作的协调配合,支架各部件的联动配合,不同位置支架的动作关系等)使支架的动作更合理,更好地满足实际需求,对工作面条件的适应性更强。

应用“MK-RP-6D矿用乳化液净化/配比装置”,有效地防止了水中浊度、悬浮物、粒度、酸碱等有害物质对井下液压设备的磨损腐蚀,避免液压支柱在使用中存在的安全隐患,保证支架使用的稳定性及使用寿命,加上自动配比的功能,只要按要求正常使用,支架少有堵、锈的现象发生,减少了支架配件更换的次数。

从2012 年底开始使用SAC 型支架电液控系统和乳化液净化/配比装置以来,共采出82301、82405、82401三个工作面,生产原煤50余万吨。

2.2 麻家梁矿和四台矿智能化综采装备技术

麻家梁矿14505工作面和四台矿8213工作面均为智能化工作面,其不同点在于麻家梁矿为综放工作面,四台矿为薄煤层工作面,但其智能化工作原理是相同的。系统均分成三个层次,第一层次为单机设备层,第二层次为集中控制层(顺槽监控中心),第三层次为地面层。

单机设备层主要由各子系统完成设备的独立控制,包括煤机子系统、电气控制子系统、电液控制系统、运输机系统、集成供液系统(泵站系统)、网络及信息系统(包括工作面以太网、视频及三维系统)。各子系统提供通信接口,开放通信协议,综采自动化系统可通过通信接口实现对各子系统的数据采集及反向控制起停功能。

集中控制层主要在监控中心内完成,将采煤机系统、电液控系统、三机集中控制系统、泵站智能控制系统、工作面视频监控系统及数据上传系统等结合在一起,实现在皮带巷设备列车监控台内对工作面设备的远程与集中控制。

地面层实现对综采工作面设备的远程数据监测,实时掌握工作面各设备的工况。

麻家梁矿电液控制系统可以实现邻架控制、隔架控制、成组控制。支架可以左右各控制5架支架,在成组操作过程中,只需要在一台支架按下3个按键,大约2 s时间,就可以成组控制12架支架推溜、拉后溜等工序。

四台矿薄煤层综采工作面开采成套技术与装备通过载波通讯方式,实现了采煤机数据传输至皮带顺槽监控中心,对采煤机进行基本的动作控制。采煤机滚筒视频、照明系统和红外线发射装置,能够确保采煤机的准确定位以及截割直线度的远程控制等。利用轴编码器转动角度反映滚筒位置及卧底量和采高等参数,采煤机身配置本安型高清晰视频信号系统,具备远控操作时“煤岩识别”截割条件。

2.3 同忻矿千万吨级综放工作面智能控制关键技术及示范工程

2014年,同煤集团承担的国家发改委低碳技术创新及产业示范工程项目“千万吨级综放工作面智能控制关键技术及示范工程”,是针对大同矿区特厚煤层(16 m～20 m)综采放顶煤技术存在的煤层顶煤回收率低,人工放煤智能化水平不高等问题提出立项攻关的。

项目基于现场人工放煤经验、设备运行特性、环境显现特性等,建立了智能放煤决策系统；通过多传感器融合技术,开发了支架姿态控制系统,结合电液控制系统,实现了放煤机构的精准放煤；基于千兆以太工业环网,通过三级协同控制系统、煤流均衡控制等技术,将采-放-运协同联动,实现采煤与放煤的安全高效,最终形成了千万吨级综放工作面智能控制关键技术及示范工程(图1～2 示意)。在同忻煤矿8202 综放工作面得到现场实施,年产原煤1 060.55 万吨,最高月产量126.12万吨,工作面人员减少三分之一。

图1 同忻矿8202工作面调度室远程监控台

图2 信息化生产运转可视化系统

3 大同矿区千万吨级综放工作面智能控制关键技术

目前,同煤集团承担的国家重点研发计划“深地资源勘查开采”重点专项“千万吨级特厚煤层智能化综放开采关键技术及示范”(2018YFC0604500)项目,正在塔山矿8222 综放工作面实施。以特厚煤层智能化综放开采为核心,在智能群组放煤机理、智能放煤方法、煤矸精准识别技术、智能控制技术及装备和工程示范等方面,拟取得一些相关技术成果。

3.1 智能群组放煤机理

对特厚煤层放顶煤开采顶煤体破碎机理、顶煤运移规律及特厚煤层覆岩结构演化特征、特厚煤层智能综放开采顶煤体群组放出规律等方面进行研究。通过建立特厚煤层裂隙扩展模型,揭示特厚顶煤体的裂隙扩展规律；开发覆岩破断模拟实验平台,揭示顶煤运移中覆岩破断演化特征；确立煤矸互相作用机制及其与含矸率关系；揭示特厚煤层自动化放煤机理和“采放”协调高效回采工艺方法,解决特厚煤层综放开采大尺寸顶煤体破碎机理及群组顶煤放出规律问题,以实现特厚煤层智能化高效开采,揭示特厚煤层智能化综放开采自动化放煤机理。

主要技术目标：

(1)揭示特厚煤层智能化综放开采大尺度顶煤体的破碎机理;

(2)揭示特厚煤层智能化综放开采自动化放煤机理;

(3)研制出高精度顶煤运移追踪仪,位移测量偏差≤10 cm。

3.2 智能放煤方法

以现场人工放煤统计数据为基础,通过对统计数据分析,建立采放协调与多放煤口群组放煤关系,形成基于现场工作面放煤工艺技术参数,开发智能放煤控制系统及软件,形成工作面群组放煤工艺程序软件,指导现场工作面实施。

主要技术目标：

(1)开发特厚煤层采放协调智能放煤决策软件。

(2)开发特厚煤层综放开采多源信息数据库。可至少对5 种数据,包括煤层赋存数据、矿压显现数据、顶煤冒放数据、采放工艺数据、顶煤回收数据统计。

3.3 煤矸精准识别技术

主要开发融合煤矸冲击振动与高光谱的煤矸识别新技术、基于探地雷达的顶煤厚度探测和工作面煤量监测技术,为综放开采智能化控制提供准确的放煤状态信息。通过分析煤矸冲击振动信号特征,实现“耳听”的煤矸仿生识别方法；分析煤矸高光谱谱线特征,以煤矸物质成分区别为判据,实现“目测”的煤矸仿生识别方法。通过顶煤厚度实时监测来调整煤岩识别值,运用人工智能技术与人工放煤统计数据进行关联,提高顶煤回收率。

主要技术目标：

(1)研制出煤矸识别装置,煤矸识别率不低于90%;

(2)研制放煤量实时监测装置;

(3)基于探地雷达的顶煤厚度在线探测装置,最大探测深度20 m,煤厚探测误差小于10%。

3.4 智能放煤控制技术及装备

研制“支-放”协调高效放煤机构,突破综放工作面直线度监控、支架位姿及放煤机构精确位置监控技术,开发特厚煤层智能化综放工作面基于放煤机构精准控制、工作面直线度智能化控制、后部刮板输送机煤流量控制,融合煤矸辨识信息、顶煤体量探测信息、煤流量激光扫描信息和采放协调智能群组放煤工艺模型的智能群组放煤控制系统,实现综放工作面三机自动化智能协同,实现综放工作面“采-支-放-运”系统环节智能自适应。

主要技术目标：

(1)开发智能放煤控制软件;

(2)研制高精度放煤机构倾角和行程传感装置;

(3)研制智能化放煤控制器,具备放煤机构手动和自动动作功能。

3.5 工程示范

通过对塔山矿年产1 500 万吨8222智能化综放工作面合理参数总体设计、综放工作面成套设备选型、采放回采工艺应用效果以及综放工作面安全智能保障技术体系的系统研究。建成特厚煤层综放工作面安全智能保障技术体系,形成安全、高效、智能综放开采示范工作面,实现特厚煤层智能化综放开采,年产量突破1 500 万吨的目标。

4 展望

开发和推广应用综放开采自动化和智能化技术,减人提效是实现煤炭安全高效开采的根本途径。大同矿区千万吨级综放工作面智能控制关键技术将突破特厚煤层智能化综放开采技术与装备瓶颈,攻克煤矸识别、群组放煤、智能控制等技术难题,实现特厚煤层智能化综放开采,创建年产1 500万吨智能化综放开采示范工程,带动国内综放开采矿区智能化开采技术的提高,为我国特厚煤层的安全、高效开发提供可靠的技术支撑。