深埋藏断层发育采煤工作面自动化技术研究及应用实践

吕瑞腾 查守华 张 苏

（山东省天安矿业集团有限公司，山东 济宁 273100）

1 工程概况

星村煤矿7302 工作面结构复杂，埋深大，构造多，各生产工序繁琐，正常生产期间出勤人数超过30 人，工人劳动强度大，与现阶段我国煤矿生产少人化、自动化趋势严重不符。

2 自动化建设情况

2.1 建设情况

通过对7302 综采工作面现有设备系统的改造，在应用过程中的不断改进，在人工现场干预的情况下，前期实现记忆割煤、自动跟机移架、自动推移刮板输送机、乳化液自动调配、设备一键启停等功能[1]。后期通过不断摸索完善，最终实现远程操控工作面生产，根据实际生产条件，自动调整设备运转参数，实现工作面部分工序的智能化生产。

2.2 五大系统建设

2.2.1 工作面监控中心

工作面监控中心是综采自动化的大脑，担负综采工作面自动化的远程集中监控职责。工作面监控中心布置在工作面集中控制台，位于工作面进风顺槽，超前工作面300 m 处，主要由主控计算机、操作台、本安显示器及交换机等组成。主控计算机是核心部件，负责回采工作面自动化系统井下主要控制职能。显示器主要显示液压支架、刮板输送机、转载机等主要设备运行状况。操作台是工作面远程操控的主要执行单位，7302 综采工作面配备两台本安型操控台，一台负责液压支架及乳化液泵站远程控制，一台负责采煤机及三机远程控制。

2.2.2 监测系统

监测系统是自动化回采工作面的神经，实时监测7302 工作面主要设备运行情况。监测系统主要包括：采煤机运行工况监测，监测采煤机运行速度、运行位置、轴承的温度、截割高度、机身仰俯角等运行信息[2]；输送机监测系统，监测刮板输送机、转载机工作的链速电流、工作电压、功率、液压系统压力、邮箱温度等输送机运行状态及设备完好状况；液压支架工况监测，主要监测各支架支撑高度、工作阻力、推移行程等参数[3]；乳化液泵站监测系统，主要监测泵站出口压力、泵站油温、油箱油位等参数；各类电器设备工况监测，监测工作面各类变压器、组合开关运行负荷，包括漏电、断相、过载保护完好情况。

2.2.3 信息传输系统

信息传输系统相当于自动化系统的血脉，是自动化回采工作面各设备进行信息交换的路径。7302工作面信息传输系统由矿用隔爆兼本安型稳压电源、本安型网络交换机、本安型综合接入器、本安型光电转换器、连接器、光缆等组成，通过矿用光缆连接，接入矿井工业以太环网，可实现地面实时监测、远程操控工作面设备运转。

2.2.4 工作面视频系统

工作面视频系统是自动化回采的双眼，由矿用本质安全型摄像仪、矿用本质安全型显示器、矿用本安型操作台、安装电缆及附件等组成。工作面每3 个支架安装1 台矿用本质安全型摄像仪，摄像仪分别安装于支架顶梁及前梁上，实现采煤机、煤壁及人行通道的实时监测。

2.2.5 电液控系统

电液控系统是实现液压支架自动化操作的核心系统。系统元件主要包括电液控操作阀、压力传感器、行程传感器、回液过滤站、高压反冲洗过滤站、液压过滤装置及乳化液自动配比装置等核心部件组成，其中电液控换向阀是主要执行元件。

通过采煤机、三机、泵站控制系统、电液控制系统、供电系统、语音通讯控制系统等具备检测功能并开放相应的通讯接口、数据及远程控制权限，实现了五大主要系统相互通讯，集成于监控中心统一控制。

3 实践成果及技术研究

3.1 实践成果

3.1.1 记忆割煤

人工操作采煤机割一刀煤后，采煤机记忆截割路径及主要截割参数，如煤层倾角、煤层厚度变化，并自动进行参数设置后，按照设置参数进行自动割煤。如工作煤层赋存条件或者截割工艺发生变化，可进行人工干预，修改采煤机运行参数，调整采高、煤机提刹刀角度、端头斜切进刀距离等参数，干预内容均可写入记忆[3]。

3.1.2 自动跟机移架推溜

实现单架或成组自动控制功能，可以按照事先设定的参数，既能实现单个支架的“推、降、移、升”动作的自动控制功能，也可进行成组自动移架、成组自动推溜、成组自动伸收前梁、成组自动伸收伸缩梁等功能。

3.1.3 综采设备远程监控

刮板输送机、转载机、破碎机、胶带输送机、泵站系统的工作状态远程监测监控、常见故障诊断预警、“一键”启停及设备联动闭锁控制。能够在监控中心对综采设备数据集成、处理、故障诊断，并且当工作面自动化控制系统出现故障时，各子系统不受工作面控制系统控制，能够保证在检修和工作面控制系统出现故障时，各子系统能单独运行，确保生产不受影响。

3.2 技术研究

3.2.1 关键参数确定

（1）端头斜切进刀。传统人工跟机推移刮板输送机，支架工、采煤机司机相互配合完成端头斜切进刀，操作灵活，可根据实际情况进行调整。自动化采煤，一旦设定参数，即按照设定参数进行。端头斜切进刀长度过长，影响效率，进刀长度过短，会导致刮板输送连接部位及采煤机摇臂铰接机构受力损坏[4]。根据7302 工作面煤层赋存情况及设备配套情况，通过不断摸索，最终确定端头斜切进刀段等于刮板输送机最大可弯曲长度1.5 倍，定为30 m。7302 自动化工作面进刀示意图如图1。

图1 7302 自动化工作面进刀示意图（m）

（2）自动跟机移架、推溜参数确定。跟机移架滞后采煤机距离过小，煤机和支架相互干扰，处理不当甚至会出现煤机割支架，移架滞后割煤距离过远，不利于顶板管理[5]。综合考虑刮板输送机最大弯曲角度、煤机运行速度及顶板情况，最终自动化操作系统设置滞后采煤机20 m 推移刮板输送机，移架滞后采煤机后滚筒3 架，成组移架，每组拉移6 架，顶板破碎区域人工干预，紧跟采煤机前滚筒移架，单个移架。

3.2.2 采煤自动化难点探究

（1）顶板破碎区段自动拉移支架难点探索。顶板破碎区域顶板拉移是现阶段自动化回采工作面难点，一直未得到有效解决。如设定支架初撑力为升架动作关键参数，因顶板破碎，支架顶梁接顶不实，在未达到初撑力前，会一直执行升架动作，导致与相邻支架咬架、挤架，大面顶板破碎区域还会出现歪架、倒架。通过实际使用过程中的摸索，最终通过将支架支撑高度与初撑力两项关键参数作为支架升架动作中止参数，根据不同顶板状况设置两参数优先级，顶板破碎区域将升架高度作为升架终止动作的参数，顶板完整区域将支架初撑力作为中止升架动作关键参数，顶板破碎区支架自动化操作问题得到一定程度解决。

（2）记忆割煤难点探索。采煤机割煤自动化是通过记录已割煤区域煤层赋存条件，设定采高、倾角等关键参数，对于倾角变化较大煤层，或是工作面通过构造时，采煤机煤岩识别功能还未实现，如按照设定参数进行记忆割煤，会出现割顶底板岩石。通过对回采工作面两顺槽进行全面测量，构造发育、煤层倾角变化区段增加测点密度，通过实际测量，构建工作面煤层三维赋存图，提前输入煤机截割控制系统，煤机根据煤层赋存情况，实时调整提刹刀角度，无需进行煤岩识别，解决了因煤层倾角变化，割顶割底的问题。

4 结语

星村煤矿7302 工作面生产实现割煤、移架、推移刮板输送机、拉移转载机等主要生产工序自动化，工作面参与生产人数已由原来的30 人左右降至16 人以下，工人劳动效率提高一倍以上。通过设定合理升架中止动作参数，初步解决顶板破碎区域自动拉移支架难题；通过绘制工作面煤层赋存三维立体图，设定采煤机合理运行参数，解决记忆割煤煤岩识别问题、采煤机割顶、割底难题。