综掘工作面智能化开采技术的实践

2020-04-07沈静伟

山东煤炭科技 2020年3期

沈静伟

（山西长平煤业有限责任公司，山西晋城 048400）

1 工程概况

山西长平煤业公司位于山西省高平市寺庄镇境内，核定生产能力为500万t/a，当前主要开采3#煤层。从当前开采情况来看，影响该矿安全高效开采的因素有：瓦斯灾害突出，地质条件复杂，矿压显现剧烈，巷道变形大。从智能、安全、绿色为特征的科学开采角度出发，该煤矿决定开展综掘工作面智能化开采技术的实践研究。

2 智能化开采技术的应用现状分析

2.1 实施智能化开采技术存在不足

在长平煤业公司实施综掘工作面智能化开采技术应用的时候，应该注意以下问题。

（1）综掘自动化、智能化装备可靠性存在较大差距，特别是在以高精度传感器为代表的关键元器件方面差距明显。

（2）在精确定位、煤岩分界识别、智能感知技术、高精三维地质模型绘制等方面尚处在起步阶段，自动化、智能化综采工作面长期稳定运行还存在较大困难。

（3）生产布局与系统优化、高效自动化开采配套装备相对滞后于综采自动化、智能化技术的发展，限制了装备整体效能的发挥。

2.2 实施智能化开采技术的关键点分析

长平煤业在进行综掘工作面智能化开采的实践中，应注意以下几个方面的工作：

（1）选择地质条件较好、生产系统相对简单的矿井、采区和工作面开展初始试验，减少应用的难度，循序渐进提升技术应用难度并向条件相对复杂的工作面推广。

（2）要注重生产布局调整和系统优化，使工作面几何尺寸、巷道断面尺寸、外围运输能力等符合自动化、智能化生产需求，消除制约生产能力的因素。

（3）要高度重视智能化开采工艺技术的创新，通过创新解决现有生产工艺的不足。

（4）在装备配套方面，要在提高装备自动化、智能化水平的同时，高度重视单产水平的提升。要通过提升生产效率来补偿增加的装备投资，创造相对宽松的试验和生产环境，努力实现减人提效、集约化生产，以充分体现科技进步对企业综合效益的贡献。

3 综掘工作面智能化开采技术的设计

3.1 智能化开采工序

综采工作面智能化开采是把煤炭作为工作输入对象，煤炭和支护巷道作为工作输出对象，在传感控制、开采控制和视频控制共同作用下采取电液控制方式，共同实现智能化开采。综采工作面的信号较为复杂，很多信号交叉存在。探测的工序主要有岩层位移、地质勘探、瓦期抽采等；生产作业工序主要有煤炭切割、巷道支护和输送等；视频工序有瓦斯监测、供电、排水等。

3.2 综掘工作面智能开采控制系统

依据智能化开采工序，可把智能化开采控制分成三个系统，主要有视频监控、围岩探测和生产控制。综掘工作面智能化开采系统见图1所示。

图1 综掘工作面智能化开采控制系统图

3.3 综掘工作面智能化开采技术

从智能化开采工序和控制系统可以看出，综掘工作面智能化开采技术，需要从视频监控、锚杆支护、大断面巷道变形、掘进机械等方面入手实现智能化，需要使巷道掘进实现智能化集成。大断面巷道变形智能化控制技术，需要把现场调研、基础理论分析、数值计算作为主要的研究手段，从而确定出关键技术和内容。而掘进机械的智能化、锚杆支护智能化、煤炭运输智能化、视频监控智能化、控制中心和电液控制需以理论分析、数值计算、试验研究及模拟作为手段来确定关键技术和内容。

3.3.1 大断面巷道变形智能控制技术

由于智能化控制技术的不断进步，新型的煤炭开采设备的应用，煤炭产量提升的同时会伴随着大量瓦斯的涌现，对回采巷道断面提出了更高的要求。大断面巷道和普通断面巷道破坏有着相同的规律，巷道开挖完成之后如果没有进行有效的支护，巷道的破坏区域和塑性区会不断变大。两个区域的扩散需要一定的时间，对煤炭巷道采用高预紧力锚杆支护，就能提高煤岩峰值及残余强度，使巷道达到稳定。因此，应用较高预紧力的锚杆支护是控制围岩变形的关键技术。如果综掘智能化需要对巷道变形实现传感探测和智能控制，应该对大断面巷道围岩稳定机理和变形进行深入的研究，从而实现煤炭开采的智能化控制，可以更好的对围岩变形进行预测。

3.3.2 掘进机智能化技术的应用

煤炭掘进作业机械是实现综采工作面智能化的关键，是实现智能化开采的重要装备。掘进机械需要对姿态进行准确的定位控制，可以对煤岩实现智能化识别，使煤炭开采断面实现智能化成型控制。把光纤陀螺作为基础的惯性导航技术、视觉测量技术等可以实时检测煤炭掘进机械的推进情况，并可以进行准确的定位，从而确定掘进机械和开采巷道的耦合关系，可以更好地建立起煤炭机械掘进导航体系，是当前掘进机械智能化最为前沿的技术。

3.3.3 锚杆支护智能化技术的应用

煤炭综掘智能化工作面大多采用锚杆支护方式，是实现安装智能化、钻孔作业智能化及铺网作业智能化的前提。掘锚本体化钻井设备的应用，使得钻孔及安装智能化控制得到了很大的发展，铺网智能化技术却发展的较慢，没有形成科学、完善的解决方案，需要对锚杆支护所有工序进行改进和创新，从而获取到更好的解决办法。

3.3.4 运输系统智能化的应用

煤炭输送系统的智能化是实现煤炭和材料运输智能化控制的关键。运输系统的智能化有着切实可行的解决方案。煤炭、材料和补给的智能化控制会受到综采工作面的空间、搬运等因素的制约，很难实现有效的突破，可以利用煤矿机器人或智能化装置来取代原来的人工装卸方式，从而实现运输系统的智能化控制。

3.4 视频监控智能化技术的应用

为了实现煤炭综采工作面的可视化远程控制，采用视频监控智能化可以提供有效的技术支持。综采工作面进行煤炭开采时存在较多的粉尘，存在着视频图像晃动问题，无法清晰地识别出远程视频，需要深入探索煤炭综采工作面图像轮廓和掘进机械运行速度、运行电流和端部温度等参数相互间的关系。对热成像技术在煤炭综采工作面高清成像应用方面加大研发力度，为视频监控智能化的研发方向，在高粉尘条件下有着很好的热成像效果。

4 智能化综掘开采技术的创新

长平煤业在自动化及智能化综掘开采技术调研的基础上，对该矿中厚煤层工作面进行试验，取得了综掘智能化开采技术的创新。

（1）研究创新了采煤机记忆割煤功能。采煤机具有的学习功能，可以将完成第一刀后的动作参数进行自动记忆，实现全工作面采煤机的记忆截割及液压支架的跟机自动作业。

（2）通过对采煤机精确定位和滚筒自动调高系统的升级改造，实现了采煤机自动截割角煤功能。

（3）研究了液压支架动作与乳化液流量、压力之间的关系，解决了丢架问题。通过对矿压数据的总结分析，实现了工作面围岩等压支护，避免了局部超压对围岩的破坏。

（4）优化升级了自动控制软件功能，实现了以采煤机为控制核心的综采自动化。设备主要控制参数实现了数字化显示，并可根据现场实际运行工况设定报警界限，实现了以采煤机为核心的液压支架和运输系统的协同配合作业。

（5）通过全面总结分析、深度数据挖掘，取得现场实用的数据成果。① 采煤机运行轨迹数据分析。通过提取采煤机运行数据，优化了作业工序，提升了生产效率。② 瓦斯浓度与采煤机、刮板输送机、转载机复合曲线分析。通过对采集的采煤机、刮板输送机、转载机运电流的比较，发现采煤机速度还有进一步提高的空间，为进一步提高生产效率提供了技术依据。③ 工作面矿压数据分析。通过生成矿压历史数据图表，将整个工作面的矿压数据变化与推进进度情况全面实时反映出来，为支架初撑力选择和周期来压时的工作面管理提供了精准数据依据。