薄煤层成套智能一体化综采装备应用

王永强，郭明生，张幸福，赵建庄，杨文明

1郑州煤矿机械集团股份有限公司 河南郑州 450013

2中国平煤神马能源化工集团平煤十矿 河南平顶山 467000

目前，0.8～1.3 m 的薄煤层约占我国煤炭探明储量的 20%[1]，产量只占总产量的 7.32%[2]，属于复杂难采煤层。在薄煤层的狭小空间中，如何同时管理好顶底板并做好设备配套，是公认的难题[3]。很多矿井经过多年开采，由于技术、效益等原因而大量弃采薄煤层，严重浪费了煤炭资源[4]。随着中厚煤层日益减少，为了煤矿高质量与可持续发展，大采高和薄煤层将是日后开采的重要方向[5]。长期以来，国内外一直在研究和探索薄煤层智能化技术和装备应用，薄煤层综采自动化的实施也确实提高了回采效率[6]，但取得的效果并不理想。薄煤层工作面煤层高度在 1.3 m 以内，在矿压作用下会进一步缩小空间，遇到煤层厚度变化或断层等地质条件，只能强行通过，割矸量较大，因此要求在尽量降低机身高度的条件下匹配大功率机组；为了保证煤流能从采煤机机身下顺利通过，过煤空间不能太小[7]。这几方面需要同时保证，就存在矛盾与取舍。

高产高效薄煤层综采工作面，配套的液压支架、采煤机、输送机及其他辅助设备，必须能够根据工作面煤层赋存条件实现自主耦合和协同运转[8]。这就要求工作面各设备控制系统高度集中，以保证各设备系统之间协调和交互畅通[9]。因此，采用 1 家企业统一提供成套智能一体化装备，综合考虑采煤机、输送机、支架等的选型和配合尺寸，从整个系统层面进行优化，运用于薄煤层工作面，以取得好的效果[10]。

1 薄煤层条件及当前成套化问题

以平煤股份二矿的己 17-23010 工作面为对象，进行成套智能一体化综采装备应用。该矿标高为 -184～-235 m，设计走向长度为 1 325.5 m，可采走向长度平均为 806.4 m，切眼长 175.8 m，采高为 1.3～1.4 m (基于煤层厚度及采煤机装煤效果要求，配套采煤机滚筒直径为 1 250 mm)，可采储量为 26.9 万 t。工作面煤厚 0.8～1.4 m，煤层倾角为 3°～13°，平均为6.5°，属结构简单的稳定煤层。机巷、风巷及切眼共有 12 条断层，断层落差最大为 2.6 m，最小为 0.3 m。工作面煤层直接顶为厚 3.14 m 的泥岩，基本顶为砂质泥岩，直接底为厚 4.4 m 的砂质泥岩，基本底为厚25.39 m 的细砂岩。伪顶回采后极易垮落，软底条件使液压支架初撑力较低，导致顶板支护不到位，开采时冒顶严重。

原采用多设备厂家进行设备配套，使用中存在一些问题：各系统间通信协议不一致，数据接口开放程度低，数据量大且集中度差，处理效率低。

2 成套智能一体化综采装备

2.1 成套智能一体化综采装备概念

该成套智能化装备是国内煤机行业首套采用统一控制平台打造的高端智能成套装备，由郑煤机统一提供。首先做到了选型配套的科学和匹配，所有设备控制系统语言基于统一平台进行配置，从而保证统一和兼容，避免了不同厂家设备控制系统的技术壁垒，保证各设备控制系统数据完全自主开发，融合度高，可以适应工作面条件的实时变化。

在成套智能化装备交付客户使用后，可以提供设备全寿命周期管理，以及多种模式的成套装备服务，不同于现有的零散型服务模式，可以做到超前服务，快速响应，一致性服务。

成套智能一体化综采装备的主要功能：

(1)液压支架自动跟机和推溜、采煤机记忆截割等；

(2)地面可以对井下设备一键启停及语音集控等；

(3)泵站可以远程集控；

(4)长壁三机 (输送机、破碎机、转载机)及采煤机的电流、温度等关键数据实时在线监控，立柱压力、采面高度、采煤机位置、牵引方向、牵引速度等在线监控。

2.2 成套智能一体化综采装备的参数及优势

采煤机、液压支架和刮板运输机是综采工作面装备核心。

(1)采煤机整机型号为 MG2×200/930-WD，质量为 38 t，机身高度为 883 mm，截割高度为 1.25～2.20 m。整机质量大，减小了机身震动；功率大，增大了破岩能力。滚筒为外旋式，拾煤效果较好。整机结构紧凑，易于维护。

(2)电液控液压支架型号为 ZY5200-09/21D。通过有限元分析，对顶梁进行可靠度计算后，采用薄箱形顶梁[11]、缸壁打孔专用立柱、卧式抬底、超薄加长推杆，降低了采高，满足生产检修需要[12]。

(3)刮板运输机型号为 SGZ-800/800 型，采用高强度扁平链以降低中部槽高度，比原有同型号输送机中部槽降低了 65 mm。刮板输送机中部槽高度要尽可能低，并要保证高可靠性，同时要考虑过煤空间，实现高产高效[13]。

(4)转载机型号为 SZZ-800/315，机身最大高度不大于 1.8 m，与同类型设备相比，高度低，对现场条件适应性强。

3 应用效果

3.1 主要措施和成果

对于行业首套采用统一控制平台打造的高端成套装备，郑煤机集团与平煤集团均给予高度重视。2019年 1 月开始立项，2019 年 9 月平煤集团到郑煤机集团实地调研，并召开薄煤层智能化工作面建设专题会，安排工程技术人员到枣矿集团、景昇矿、内蒙古伊泰宝山矿进行调研学习。实践证明，前期充分调研与论证非常重要，选型的适宜性和科学性为后期创造效益提供了有力保障。2019 年 10 月完成智能化设备配套，2019 年 12 月对成套装备图纸进行审核，优化整改并开始样机投制。2020 年 3 月，平煤二矿成立薄煤层智能化工作面领导指挥小组，抽调技术人员加入小组，专门负责该套设备的安装、调试及试运行，先后安排 30 人去郑煤机集团进行智能化理论培训。实践培训按井下工考核，要求培训人员每天穿下井工作服并携带工具进行实操练习。2020 年 4 月，智能乳化液泵站设备地面调试，“三机”工厂内联调联试 (见图1)。2020 年 5 月完成井下安装和智能化系统调试。设备安装后，仅用 7 d 即调试完毕出煤，2020 年 6 月开始稳定高产高效。

图1 “三机”工厂联调Fig.1 In-factory combined debugging of hydraulic support,shearer and scraper conveyor

3.2 效益

井下集控中心和地面调度指挥中心可以实现对主要设备的电流、温度、油位、立柱压力、采高、采煤机位置、方向、速度等关键数据实时在线监控 (见图2)，系统及时对异常信息进行提示，做到超前检修，达到了生产期间无机电事故。

图2 调度中心远程操作实时监控Fig.2 Remote control and on-line monitoring of dispatching center

使用普通装备平均每天推进 7 刀，每刀 0.6 m，每月生产天数按 28 d 计算，每月推进 117.6 m。采用薄煤层智能化装备后，6 月 1 日开始初采初放，月底推进 153 m，产量为 7.0 万 t。7 月份采面 20 d 推进 185 m，产量为 8.3 万 t，经过统计，工作面推进速度平均为 12 刀/d，最高单日推进为 16 刀。8 月份 20 d 推进210 m，具备薄煤层工作面月产 8～10 万 t 的水平。

该工作面由综采二队负责回采，原生产班每班约25 人，薄煤层智能化装备投入后，单班出勤 10 人即可满足生产要求，减少了人员数量，达到减人增效的效果。

通过 2 个月的数据统计分析，该采煤面采高控制在 1.3～1.4 m 的情况下 (见图 3)，经井口筛分洗选后商品煤灰分约为 45%；如使用普通设备，采高控制在 1.6～1.7 m，经井口筛分洗选后商品煤灰分约为 55%。使用薄煤层智能化装备能够降低原煤及商品煤灰分 5%～8%，提高入洗煤价格 160 元/t，增加销售收入 1 801万元。薄煤层智能 化装备采高控制在 1.3～1.4 m，可减少破矸厚度 300 mm 以上，减少排矸石 10.6 万 t，矸石外运成本为 57 元/t，因此可节省矸石外运成本604.2 万元。

图3 1.3 m 采高示意Fig.3 Sketch of 1.3 mining height

薄煤层成套智能一体化综采装备的应用，对于平煤二矿来说，释放了大量薄煤层资源，直接增加储量1 056 万 t，有效延长矿井年限 3～5 a，提高了矿井资源回收率。

3.3 应用中暴露的问题及分析与改进

(1)联调过程中采煤机远程停送电功能无法实现。经分析发现，采煤机远程供电需要通过组合开关将采煤机启停回路接触器控制信号上传至集控中心，集控仓将控制采煤机停、送电信号传送给组合开关；组合开关控制点表需要提交给集控中心，并且组合开关需要具备第三方 (集控中心)远程控制功能。因此作出了相应改进，解决了该问题。相关配套设备之间的问题，凸显了将移变系统纳入工作面成套装备系统的必要性。

(2)工作面顶板较碎，出现机头、机尾顶梁前端落矸严重的问题，影响推进效率。经现场调研，对机头、机尾推移梁进行改造，通过减小推移梁宽度并将连接耳板前置，使支架前移 630 mm，减小了顶梁前端空顶距，取得了良好效果 (见图 4)。

图4 推移梁改造前后对比Fig.4 Contrast of pushing beam before and after reconstruction

(3)断层区域存在大块矸石 (见图 5)，对截齿寿命影响较大。由于采煤机截割电动机不可调速，现场采取以截割电动机的电流作为实时反馈信号，从而判断煤岩的变化，并及时调整采煤机速度。

(4)根据瓦斯浓度实时调整采煤机速度，国内一直在进行探索与研究，也是智能工作面建设标准中重要评价内容。此次在工作面安装了 GJG100J 型瓦斯浓度传感器，初步实现通过实时检测瓦斯浓度，实时调整采煤机割煤速度。

图5 断层区域存在的大块矸石Fig.5 Block gangue existed in fault area

(5)由于刮板输送机与转载机没有机械关联 (只要保证相对的位置关系即可，能很好地适应工作面倾角的变化)，刮板输送机的机头悬空段需要使用垫架支撑，因此先后设计了 3 种垫架。初始设计考虑到顺槽低于采面机头底板约 0.8 m，同时需要适应顺槽底板起伏等，设计为多层可拆卸结构。在实际使用过程中，由于底板为泥岩，硬度不够，推进过程中顺槽与采面底板交接处形成缓坡，最终将可拆卸结构改为单层结构。

4 结语

首套采用统一控制平台打造的薄煤层成套智能一体化综采装备，投入使用后在开采效果、效率、效益方面发挥出显著的优势，后续对于综采高端成套装备的推广，需要注意以下 3 个方面：

(1)需要围绕煤层赋存和工作面条件对综采成套装备进行科学选型和论证，综采生产管理人员要充分参与成套装备的设计过程；

(2)综采成套装备要适应综采工艺和工作面条件，根据调试和初期运行情况作出必要的调整和优化，以适应井下状况；

(3)综采成套装备是以满足具体工况、发挥整体系统功能效果为优化目的。

薄煤层成套智能一体化综采装备会随着研发和应用的持续深入，在我国薄煤层安全、绿色、高效、智能开采中作出更大贡献。