煤矿井下机械化综采技术方案的应用研究

元乐义

（晋能集团山西王家岭煤业有限公司，山西 保德034000）

近年来，随着综采技术的不断提升，以采煤机、液压支架、刮板输送机为核心的自动化综采设备不断投入应用，极大的提升了煤矿井下的自动化水平和综采效率，但由于缺乏统一的联合控制技术，各类设备之间均为孤岛式作业，需人工配合调整，效率低、可靠性差。而且由于井下支护技术方案落后，在巷道支护过程中支护流程繁琐、支护稳定性差，需要反复调整。因此井下各机械设备的联合运行特性差、巷道支护方案落后，已经成为限制煤矿井下综采作业效率进一步提升的核心瓶颈。本文提出了机械化综采技术方案，采用了联动控制的思想实现了对井下采煤机、液压支架、刮板输送机工作过程中的联动控制，不仅极大的提升了自动化综采效率而且为实现井下综采无人化作业奠定了基础。优化了支护方式，降低了支护作业时间，实现了在确保支护作业安全情况下降低支护作业时间，根据实际应用表明新额机械化综采技术方案能够将井下综采作业效率提升11.7%以上，具有极大的应用推广价值。

1 机械化联动控制方案

为了提升井下采煤机、刮板输送机、液压支架的联合运行效率和安全性，本文提出了一种机械化联动控制方案，该联合控制系统包括了地面监控中心、井下监控中心及联合控制单元，地面监控中心主要用于对进行各机械设备的运行情况进行远程监测和控制，井下监控中心主要是用于对现场各设备运行情况参数的收集和处理，根据地面控制中心的指令发出联动控制数据，系统中还设置有不间断电源，确保在紧急情况下的稳定运行需求，联合控制单元则主要是指井下采煤机、刮板输送机、液压支架接收到控制指令后完成相关的动作并返回完成信息，在各控制设备上设置有多种类型的监控单元，用于实现对设备运行情况的实时监测，该机械化联动控制系统整体结构如图1所示[1]。

图1 机械化联动控制系统结构示意图

在联动控制过程中，采煤机利用自动截割控制技术实现自动截割作业，液压支架则根据采煤机的截割作业状态自动调整不同区域支架的收放护帮板、移架和推移，刮板输送机则会根据采煤机的截割作业速度自动调整刮板输送机的运行速度，满足联动运行控制。系统能够稳定运行的基础在于对各机械设备运行状态的监测，根据联动运行控制需求，设备运行过程中的监测数据包括采煤机的位置、采煤机的行走速度、液压支架的推移行程、支柱的工作压力、刮板输送机的运行负荷等。

对采煤机位置的监测主要是通过在采煤机的减速箱上设置编码器，根据采煤机运行过程中的转过的圈数来确定采煤机的相对位置[2]。采煤机进给速度的监测主要通过对牵引电机的转速的监测确定。液压支架的推移行程则是通过设置在推移千斤顶上的行程传感器进行监测，将监测结果转换为电子信号传递到控制中心。对液压支柱工作压力的监测，主要利用安装在支柱内部的压力传感器进行连续不断的压力监测。对刮板输送机运行负荷的监测则可以通过对刮板输送机驱动电机的输出电流进行。

通过对采煤机、刮板输送机、液压支架建立联合运行控制系统，能够实现对井下综采过程中的自动化联合控制，有效解决了人工调整液压支架、刮板输送机导致衔接失效问题，为实现综采面无人化综采作业奠定了基础。

2 自动综采技术优化

传统人工控制截割方案无法满足联动控制要求，因此提出了一种新的采煤机自动综采技术方案，该割煤控制系统采用智能化自动截割作业，工作面回采时人工割煤一个循环智能化系统记忆割煤方式，之后系统根据记忆自行割煤[3]，如有顶底板变化、构造等特殊情况时人工进行干预；工作面正常后，人工割煤一个循环系统记忆割煤方式再恢复智能化系统。采煤机向机头方向行驶，割通机头煤壁，漏出半滚筒，停止行走，上滚筒下降，通过截割记忆功能实现机头端滚筒下降后的卧底量，折返机尾方向行走，经过弯曲段，至巷道尾部时架斜切进刀割煤，停止行走采煤机，再折返机头方向行走，此时推溜动作已经结束，采煤机开始割三角煤，再次割通机头，停止行走，同样机头端滚筒下降到记忆位置，折返扫底刀向机尾方向正常割煤，直到割通机尾煤壁，此为一个循环即两刀，循环进度0.8 m。机尾斜切进刀方式同机头。该自动割煤技术能够适应性煤矿井下复杂地质环境，综采作业速度快、安全性好、稳定性高，能够满足井下自动化综采作业的技术要求。

3 顶板支护方案优化

由于通常的井下巷道断面宽度为6 m，导致实际综采作业过程中矿压波动时对顶板的压力冲击作用明显，为了确保顶板支护安全性，需要增加大量辅助支护锚杆，从而限制了综采作业效率的提升，因此在经过合理的计算，同时结合各机械化综采设备综采作业需求，采用将巷道断面宽度降低为5.2 m的窄面巷道结构，该类型的断面宽度能够将拱形的承压效果发挥到最大[4]，从而达到优化支护结构，提升支护效率的目的，优化后的支护结构如图2所示。

由图2可知，优化后的巷道支护结构，其支护锚杆由最初的6根降低到现在的5根，支护锚索的长度由最初的9 m降低到目前的6 m，同时综采面之间的连接间距也由最初的60 m，提升为目前的180 m。优化后的支护方案比优化前降低了约1/6的工作量，而且支护结构更为合理，能够在确保对巷道支护安全的情况下降低支护作业时间，提升支护效率，为进一步提升综采速度奠定基础。

图2 井下巷道支护结构示意图（mm）

根据实际应用，采用该综合化综采方案后井下综采作业效率提升11.7%以上，而且综采安全性和支护安全性得到了有效的提升，目前已经得到了广泛的应用。

4 结论

针对煤矿井下机械化综采缺乏联动控制，巷道支护结构复杂，严重影响煤矿井下综采作业效率提升的现状，本文提出了一种新的煤矿井下机械化综采技术，采用了联动控制的思想实现了对井下关键机械化综采设备工作过程中的联动控制，优化了支护方式，降低了支护作业时间，根据实际应用表明：

1）通过对采煤机、刮板输送机、液压支架建立联合运行控制系统，能够实现对井下综采过程中的自动化联合控制，有效解决了人工调整液压支架、刮板输送机导致的衔接失效问题，为实现综采面的无人化综采作业奠定了基础。

2）自动综采技术方案能够适应性煤矿井下复杂的地质环境，综采作业速度快、安全性好、稳定性高，能够满足井下自动化综采作业的技术要求。

3）优化后的支护方案比优化前降低了约1/6的工作量，而且支护结构更为合理，能够在确保对巷道支护安全的情况下降低支护作业时间，提升支护效率。

4）新的综采技术方案能够将井下综采作业效率提升11.7%以上，而且综采安全性和支护安全性得到了有效的提升。