沙曲一号煤矿智能化综采工作面建设实践

张树军，张 强

(华晋焦煤有限责任公司 沙曲一号煤矿， 山西 吕梁 033300)

目前，在我国已建有200多个智能化综采工作面，智能化综采工作面基本上达到“机械化换人、智能化减人”的目标[1-5]. 随着智能化矿山的发展，综采工作面从设计、设备制造和安装调试及应用都有了很大的技术进步，综采工作面的智能化改造正在推行[6]. 王国法等[7]展望了智能化综采技术发展的重点方向，指出智慧煤矿是综采智能化开采发展的未来趋势。王峰[8]提出了以煤层、综采装备、决策及控制透明化为核心的基于透明工作面的智能化开采概念，为未来无人化开采奠定了坚实的基础。郭浩[9]研究了综采工作面超前支护智能控制方式，实现了对初撑力设定值及移动步距的预测，同时解决了装备移架过程中支撑力的波动问题。

在煤矿综采工作面智能无人化方面的研究进程，我国已经实现三机设备一键启动与停止，虽未完全实现智能无人化，但是也为其发展提供了必要条件[10]. 本文以沙曲一号煤矿智能化综采工作面为例，分析了智能化综采工作面的建设过程和应用效果，并总结了智能化的发展目标和方向。

1 矿井概况

沙曲一号煤矿是山西焦煤集团华晋焦煤有限责任公司下属主力矿井，属煤与瓦斯双突矿井。矿井核定生产能力450万t/年，井田内含可采煤层7层，目前开采+400 m水平2#、3#、4#、5#煤层，煤种为低灰、低硫、特低磷、高发热量、强黏结性的优质主焦煤。

矿井智能化建设以“安全、高效、绿色”为目标，运用物联网、大数据、云计算、移动互联等技术手段，构建具备“人、机、环”信息全面感知、自主融合、动态辨识、有效预警、协同控制的智能系统，实现按需生产和“人、财、物”高效流转。通过综合运用各种感知技术，更加全面、准确、实时地感知人、物和环境的信息；运用网络、通信、集成等技术，实现人与人、人与物、物与物之间的信息交换以及系统互通；运用人工智能技术，实现生产调度指挥、资源预测、安全警示、突发事件处理等决策支持。

2 智能化综采工作面建设过程

2.1 建设概况

围绕“机械化换人，自动化减人，智能化少人”的建设思路，以减人、提效、增安为根本目标，以先进成熟、安全稳定、实用易用、可扩展开发为基本原则，大力推进智能化建设。先后建成4个智能化综采工作面、地面智能乳化液集中供液站、万兆工业环网等，智能化综采工作面系统示意图见图1. 地面空压机房、井下变电所、水泵房全部实现无人值守。

图1 智能化综采工作面系统图

2018年7月启动智能化综采工作面建设，2019年11月完成5207智能化综采工作面系统调试，建成首个智能化综采工作面；后陆续建成2405、4502、5305等4个智能化综采工作面。其中，5207、4502工作面为新购置成套设备；2405工作面为原有采煤机、液压支架智能化升级改造，并增加了顺槽集控中心、工作面视频监控系统、地面远程监控系统。

2.2 “智能化”程度

目前，井下综采工作面全部实现了智能化开采，采煤机实现了全工艺段记忆自动割煤，自动割三角煤和斜切进刀工艺，自动清扫运输机两端头浮煤；液压支架实现自动跟机移架、推溜、收缩护帮板、喷雾等功能；实现了液压支架初撑力自动补偿功能、前梁姿态控制功能、中心距监测功能及精细推拉控制，压力分析功能实现了对工作面来压周期的预测，在顺槽集控中心及地面监控中心实现对综采设备“一键”启停、单设备启停以及对各设备进行远程控制和视频监控，并实现对工作面及顺槽设备运行工况的监控。

监控系统原理见图2.

激光陀螺惯性导航(90型)系统成功应用于自动化生产模式下工作面的三直两平管理。在采煤机上配置了激光陀螺惯性导航(90型)系统，通过对采煤机行走路径进行监测，传输至顺槽集控中心进一步换算为刮板运输机姿态和支架动作指令参数，配合液压支架精准推溜管理系统，对推溜行程进行微调，实现推溜的精确控制，确保在各种条件下实现工作面常态化运行。在5207、2405两个智能化工作面调试过程中不断对惯导程序进行修正，解决了惯导在实际使用过程中一旦出现断电，再次通电后需要耗时5分钟重新寻北，采煤机才能正常行走的问题；并通过建立双通信(WiFi无线通信和电缆内置铜芯线CAN总线通信)数据传输通道，解决了惯导数据传输过程中信号不稳定的问题，目前系统整体运行稳定。

图2 地面监控系统图

2.3 智能化与110工法的结合

作为煤与瓦斯突出矿井，在探索高突近距离煤层群大采高双巷切顶成巷智能化无煤柱开采及瓦斯与火灾共治关键技术过程中，采用爆破定向切缝，在局部范围切断工作面顶板应力传递，减弱巷道顶板压力，使所留巷道围岩能够最大限度地发挥自身承载作用，减少巷道变形。留巷内通过推广应用单元支架及配套气动单轨吊运车，替代传统单体液压支柱支护及人工搬运作业，在减轻工人劳动强度的同时，更好地控制顶板下沉量，确保沿空留巷最佳效果。经过一系列采空区支护、整巷及封闭处理后，在4502工作面胶带巷、轨道巷同时进行切顶卸压留巷，在4502胶带巷进行切顶留巷作为4503工作面胶带巷，在4502轨道巷进行切顶留巷作为4501工作面轨道巷，一个工作面的回采同时保留了两条巷道可以重复利用。切顶留巷还具有消除邻近工作面应力集中、控制采空区顶板垮落路径、实现均压沉降，有利于下组煤开采等特点。

1) 经济效益。原柔模充填沿空留巷成本约为9 258元/m，通过技术工艺创新后，切顶卸压沿空留巷单价4 879元/m，较之前每米节约成本4 379元。采用该工艺后与充填沿空留巷方式相比矿山压力显现减弱明显，较原2#煤沿空留巷复用拉底费用4 200元/米可降低80%.

经测算，该项目在4502工作面创造直接经济效益共计4 000万元以上。

2) 社会效益。该项目改变了以往普遍采用的充填沿空留巷开采技术形式，改变了顶板岩层的传力结构，解决了充填沿空留巷巷道变形严重、维护费用高、存在安全隐患等问题，同时填补突出矿井切顶卸压无煤柱自成双巷技术应用的空白，具有重大的社会效益。

4502智能化开采技术在前期两个智能化工作面技术基础上，对运输机、转载机控制进行了优化，运输机、转载机采用变频调速，能够实现刮板机断链监测和保护功能，实现与采煤机载荷联动；采煤机控制系统见图3. 将滑靴式自移设备列车、两端头超前支护液压支架、皮带机自移机尾、转载机迈步自移电控阀组接入智能化控制系统，实现集中控制、跟机挪移及遥控运行。留巷内应用单元支架及配套气动单轨吊运车。双巷切顶成巷技术结合智能化开采技术，降低了开采成本和劳动强度，提高了回采效率。

3 智能化综采工作面应用效果

1) 安全可靠性提高。

工作面、运输系统各转载点、设备列车等实现全方位视频监控，通过千兆网络将监控数据传输给集控中心显示。根据采煤机位置信息跟机视频自动切换，为集控中心提供实时视频画面；集控中心实时监控工作面实际情况，即时进行远程干预，提高了作业安全可靠性。

图3 采煤机控制系统

2) 工作人员劳动强度降低。

工作面液压支架实现自动跟机拉架、推溜、自动收护帮等联动功能,通过传感器感应采煤机位置和工艺,实现液压支架的自动跟机作业；采煤机根据工艺段自动切割、头尾自动割三角煤、自动斜切进刀，工作面人员由原来的操作人员完全变为巡视人员,现只需对个别支架进行人工干预。

3) 生产效率提高。

工作面应用智能化采煤技术，优化了采煤工艺，减少了设备停机率，提高了采煤工效，矿井于2021年1月执行取消采掘队组夜班生产的规定，在平均每日减少4 h生产时间的情况下，2405、5305、4502工作面日循环产量继续保证原班6刀煤。

4) 工作面作业人员减少。

工作面使用智能化智能控制系统进行采煤，可将整个综采工作面操作人员由15人缩减至8人，其中：支架、采煤机巡检工3人；顺槽集控中心操作工2人；超前支护工3人。工作面作业人员明显减少，优化了岗位配置。

5) 工作面作业环境改善。

液压支架根据采煤机位置采用前滚筒3架、后滚筒6架自动跟机喷雾降尘，有效抑制了工作面煤尘，且人工干预操作时，可以选择在跟机作业的上风侧操作邻架/隔架，作业环境有了很大的改善，减少了对人体的危害。

4 智能化发展目标及方向

1) 开展高度智能化开采技术的研究和探索，由协同控制加可视化干预向透明工作面加规划开采的方式转变。

2) 利用智能化大数据平台建立工作面三维地质模型，利用采煤机的精度定位以及高灵敏度、高可靠性的传感器，实现采煤机自动调整高度，工作面自动调直，向无人化开采不断迈进。

3) 实现对开采信息的精准适时采集、高可靠网络化传输、规范化信息集成、实时可视化展现、生产环节自动化运行，搭建智能感知、智能决策、自动执行的智能化企业体系平台。

4) 加大智能化新技术、新装备应用，全面提升煤矿智能化水平，保障煤矿安全生产，促进矿井高质量发展。

5 结 论

1) 在顺槽集控中心及地面监控中心实现对综采设备“一键”启停、单设备启停以及对各设备进行远程控制和视频监控，并实现对工作面及顺槽设备运行工况的监控；采煤机全工艺段采用记忆割煤、自动割三角煤和斜切进刀工艺，通过配置激光陀螺惯性导航系统，实现推溜的精确控制。

2) 通过智能化与110工法的结合，消除邻近工作面应力集中、控制采空区顶板垮落路径、实现均压沉降；智能化综采工作面在提高作业安全可靠性、降低劳动强度、减员、提高生产效率等方面取得了一定成效。

3) 在智能化发展目标及方向方面，通过转变开采方式，建立工作面三维地质模型，向无人化开采不断迈进，实现信息开采的精准化、网络传输的可靠化、信息集成的规范化，加强智能化新技术、新装备应用。