综放开采瓦斯安全联动控制技术研究

牛 磊，张学亮，刘 清，霍 栋，郝 跃

(1.北京天玛智控科技股份有限公司，北京 101399；2.中煤华晋集团有限公司 王家岭煤矿，山西 运城 043000；3.国家能源集团新疆能源公司 乌东煤矿，新疆 乌鲁木齐 830002)

0 引 言

综放开采自20世纪80年代引入中国以来，因其具有开采效率高，适应性强等优势，逐渐成为厚煤层的首选开采手段[1-2]。我国现阶段已经处于智能开采初级阶段[3-4]，综放开采逐步向自动化、智能化方向发展。在综放开采放煤工艺的基础上，发展形成了自动化放煤工艺[5-7]。在高瓦斯综放工作面，采煤机通常会搭载机载瓦斯传感器，用于采煤机处瓦斯超限时断电停机，除了采煤机处，放煤产生的瓦斯影响也不容忽视，研究表明，综放工作面采放落煤造成的瓦斯涌出量可占总量的40%[8-9]，总体上从进风巷至回风巷瓦斯体积分数逐渐增大。综放工作面瓦斯涌出量增加，容易造成工作面上隅角瓦斯超限，进而影响综放开采的顺利进行。

由于采煤机割煤产生的瓦斯与放煤产生的瓦斯经过一段时间的运行才能到上隅角处，加之放煤的不均衡性，对综放工作面瓦斯体积分数进行适度的预测，是对综放工作面采煤机运行和放煤准确控制的前提。在瓦斯体积分数预测方面，根据瓦斯体积分数变化规律进行预测的方法有时间序列模型[10]、商空间模型、灰色动态模型[11]、神经网络模型[12]、马尔科夫模型[13]，人工蜂群优化算法[14]等，这些方法均利用实测瓦斯体积分数的动态变化特性，对采集到的瓦斯体积分数监测数据进行研究，结合各方法的适用条件对瓦斯体积分数变化趋势进行预测，为预防瓦斯事故提供重要信息。在采煤工作面瓦斯体积分数与采煤机控制方面，有学者研究给出了工作面在经历一个周期来压过程中不同割煤速度与瓦斯体积分数的拟合关系[15]；有学者研究指出上隅角瓦斯体积分数与采煤机割煤速度基本呈正相关关系、与采煤机距上隅角距离基本呈负相关关系，调节采煤机割煤速度以降低工作面瓦斯体积分数是可行的[16]；有学者利用ARMA模型预测5 min瓦斯体积分数区间，结合瓦斯体积分数序列的统计特征参数对采煤机运行状态进行控制[17]；有学者根据矿压、瓦斯数据设计了采煤机截割电机速度动态控制方案[18-20]。上述研究表明，对综放工作面瓦斯体积分数进行适度预测并与采煤机、放煤控制进行联动是可行的。

笔者系统分析了综放开采工作面瓦斯联动模型原理，基于SAM综采自动化系统对综放工作面上隅角瓦斯与采煤机割煤、综放开采后部放煤进行关联控制，通过在王家岭煤矿12309综放工作面进行现场应用，验证了技术可靠性，相关研究可为综放工作面自动化放煤安全保障提供技术借鉴。

1 综放开采瓦斯安全联动控制方案

综放开采工艺包含割煤和放煤2部分工艺。割煤工艺是指采煤机割煤动作及其与前部刮板输送机、液压支架相互配合而形成的回采过程；综放工作面放煤工艺紧密配合割煤工艺，在采煤机割煤、综放支架移架后，顶煤失去支承发生垮落，通过控制综放支架后部放煤机构的尾梁和插板动作，可将顶煤放出，放出的顶煤由后部刮板输送机运出。

综放开采割煤和放煤两个过程中，都会产生较大的瓦斯涌出。现有的综放开采自动化配套过程中，自动化配套集成度不够，在环境参数特别是瓦斯参数的融合与利用方面尚存在欠缺，根据国家相关政策要求，矿方瓦斯监控系统数据不能向第三方提供，更为系统的融合以及更高层次的自动化开采设置了障碍。为此，项目单独采购了符合要求的瓦斯传感器，采用GJG 100 J激光甲烷传感器(Modbus-RTU版本)4台，安装于综放工作面，实现综放工作面中后部和上隅角瓦斯体积分数的独立监测与采集，为预测分析和联动控制创造条件。

根据综放工作面瓦斯从进风巷至回风巷瓦斯体积分数逐渐增大的特点，通过在综放工作面上隅角布设一定数量的瓦斯传感器，实时采集综放工作面上隅角的瓦斯体积分数值，该瓦斯体积分数值通过综放工作面自动化系统的综合接入器(千兆网络)传送到巷道电液控制系统主机，通过电液控制系统主机逻辑控制系统实现对瓦斯体积分数的预测判断并将瓦斯体积分数值与采煤机割煤速度实时关联，电液控制系统主机通过以太网将瓦斯体积分数数据和逻辑判断结果传送到采煤机控制集控主机，采煤机控制集控主机依据综放工作面瓦斯体积分数高低的逻辑判断结果进行采煤机割煤速度的控制，最终实现综放工作面上隅角瓦斯体积分数与采煤机的联动控制。

2 综放开采瓦斯安全联动控制策略

项目采用的综采自动化系统为SAM型，通过对综采自动化系统进行瓦斯体积分数预测模型分析并进行程序设计，预留瓦斯传感器数据接口，实现瓦斯体积分数传感器数据接入与预测分析，为综放开采瓦斯体积分数与采煤机等安全联动控制提供条件。

2.1 瓦斯体积分数预测分析

矿井瓦斯体积分数预测采用以时间序列为基础进行，预测未来一段时间的瓦斯体积分数或区间值，综放工作面瓦斯体积分数预测需要综合考虑采煤机运行控制特点和放煤控制特点，运用自回归滑动平均模型，通过预测工作面风流特别是上隅角的瓦斯体积分数关联控制采煤机运行速度和综放工作面放煤动作。

根据自回归滑动平均模型，若xt取值不仅与其前n步的各个取值xt-1，xt-2，…，xt-n有关，而且与前m步的各个干扰αt-1，αt-2，…，αt-m有关(n、m=1,2，…)，得到最一般的ARMA模型：

xt=φ1xt-1+φ2xt-2+…+φnxt-n-
θ1αt-1-θ2αt-2-…-θmαt-m+αt

(1)

上述公式表示了n阶自回归m阶滑动平均模型，记为ARMA(n，m)；{αt}为白噪声序列，φi(i=1,2，…，n)、θj(j=1,2，…，m)分别为模型参数。对于时间序列{xt}(t=1,2，…，n)建立ARMA(n，m)模型，当模型阶次n，m给定时，利用后移算子B有：

φ(B)xt=θ(B)αt

(2)

如果时间序列xt可逆，则有：

θ-1(B)φ(B)xt=αt

(3)

令：

γ(B)=θ-1(B)

(4)

εT=φ(B)xt

(5)

φ(B)的阶次为m，确定γ(B)的阶次为p，p

γ(B)εT=αt

(6)

针对瓦斯预测，需要考虑一定时间历史数据的时间序列，为得到后续一段时间内的变化趋势，需采取动态修正的预测模式，同时要充分考虑误差传递的可能，每一次预测完成后，评价预测误差，选取预测误差最小的参数，或误差较小的二次模型参数重构模型，以当前新数据为基础数据，重新建立模型，并对预测结果取平均，可修正预测结果，一方面使得预测向误差减小的方向运行，另一方面使得预测结果更加符合实际趋势。

由于自回归滑动平均模型在预测时会产生误差，因此，需要及时修正，以提高预测的准确性。根据综放工作面的开采实际，综合现有瓦斯传感器响应时间，确定自回归滑动平均模型预测以30 s为周期[17]对未来5 min进行区间预测，选定模型预测结果包含未来5 min瓦斯体积分数，样本参数置信区间定为95%。选模型预测结果的上限值作为综放工作面采煤机控制和放煤控制的关联因素。

2.2 采煤机及放煤控制关联分析

综放工作面采煤和放煤是瓦斯主要来源，对综放工作面瓦斯联动控制主要是对采煤机速度和放煤动作的控制。以采煤机控制原理为主进行表述，放煤控制可参照。根据上述原则确定的采煤机控制规则见表1，表中取山西省规定瓦斯体积分数0.8%作为控制值，不同的管理模式和要求，预警值可以适当浮动，但不应超过1.0%(《煤矿安全规程》规定值)，为便于系统远程监测识别，设置了0、1、2三个报警级别，在软件界面进行提醒。

表1 基于瓦斯安全联动的采煤机控制策略

放煤过程的判断与采煤机控制类似，但是考虑到放煤过程是以支架放煤口数量为基本单位，单纯的放煤口开口大小并不能严格控制放煤煤量，因此综合考虑决定以1台支架的放煤口为单位，即最少开关1台支架的放煤口来配合控制瓦斯体积分数，基于瓦斯安全联动的放煤控制策略见表2。

表2 基于瓦斯安全联动的放煤控制策略

瓦斯与采煤机、放煤联动逻辑如图1所示。需要说明的是，当系统判定报警级别为0时，不执行采煤机降速指令，采煤机可按照正常割煤速度运行，放煤按智能判断结果进行，此时采煤机割煤和放煤的主要限制边界为前部刮板输送机和后部刮板输送机的运输能力；当报警级别为2时，立即下发采煤机停机指令，采煤机停止割煤；同时下发支架放煤口关闭指令，所有支架放煤口立即关闭。当报警级别为1时，由于考虑的情况较为复杂，设定的基本逻辑是，先降低采煤机割煤速度，同时减少1个放煤口，当放煤口数量只有1个时，则仅降低采煤机割煤速度。

图1 瓦斯-采煤机-放煤联动控制逻辑Fig.1 Gas-shearer-discharge linkage control logic diagram

3 现场应用

王家岭煤矿12309综放工作面位于123盘区西翼中部，走向长度1 320 m，宽度260 m，工作面回采2号煤层，煤层倾角2°～5°，可采储量265.3万 t。12309综放工作面采用单一走向长壁采煤法，综合机械化低位放顶煤采煤工艺，设计采用采煤机两端头斜切进刀，煤机割煤一刀，放煤一次，按一刀一放正规循环作业，采高3.1 m，放煤高度3 m，循环进度0.865 m，采用自然垮落法管理采空区顶板。12309综放工作面配备MG620/1540-WD型变频电牵引采煤机，配备150架综放支架，基本支架选用ZFY12 000/23/34D型放顶煤电液控支架(支架中心距1.75 m)，搭配SGZ1000/2×1000型前、后部变频刮板输送机，SZZ1200/700型转载机，DSJ-140/250/2×450型可伸缩带式输送机等设备，配备了SAC电液控制系统和SAM综采自动化系统。

王家岭煤矿为高瓦斯矿井，全矿井绝对瓦斯涌出总量为17.46 m3/min，其中，风排绝对瓦斯涌出量9.94 m3/min，抽放量为7.52 m3/min；相对涌出量1.48 m3/ t。回采工作面最大绝对瓦斯涌出总量为8.29 m3/min，其中，风排绝对瓦斯涌出量4.33 m3/min, 抽放量为3.96 m3/min。无煤与瓦斯突出情况，无瓦斯喷出情况。

在王家岭煤矿12309综放工作面进行了瓦斯与采煤机关联控制、瓦斯与放煤关联控制应用。在12309工作面117、129、141及150架位置分别安装瓦斯传感器，并接入所在支架的电液控制系统中，通过对综放工作面运行的SAC电液控制系统软件、SAM综采自动化系统软件进行修改，同时开发了相应的智能分析模块，实现瓦斯传感器数据接入、逻辑判断与运行控制，在对应的软件界面增加瓦斯与采煤机关联控制显示。现场瓦斯与采煤机关联控制系统界面如图2所示。

图2 瓦斯与采煤机关联控制软件界面Fig.2 Interface of gas and coal mining authority joint control software

由于瓦斯含量大，12309综放工作面采煤机回采速度一般不超过7 m/min，通过试验现场不采取关联控制措施时，回采速度7 m/min时且同时开启2个放煤口，则每8 h生产班出现瓦斯体积分数接近0.8%(因管理限制，现场未测试超过0.8%)的次数达到10次，其中必须停机等待10 min以上至少2次；回采速度7 m/min时且同时开启1个放煤口，则每8 h生产班出现瓦斯体积分数接近0.8%的次数减少到5次，其中必须停机等待减少至1次，等待时间减少至5 min以内；回采速度6 m/min时且同时开启2个放煤口，则每8 h生产班出现瓦斯体积分数接近0.8%的次数达到4次，其中必须停机等待1次；回采速度6 m/min时且同时开启一个放煤口，则每8 h生产班出现瓦斯体积分数接近0.8%的次数减少到2次，其中必须停机等待1次；回采速度5 m/min时且同时开启两个放煤口，则每8 h生产班出现瓦斯体积分数接近0.8%的次数仅出现1次且未出现停机等待的情况；回采速度5 m/min以下时且同时开启2个放煤口，则每8 h生产班出现瓦斯体积分数接近0.8%的次数接近0。

通过应用综放开采瓦斯安全联动控制技术，12309综放工作面根据实际情况，采煤机割煤速度稳定在2.5～3.0 min/10架，即割煤速度5.83～7.00 m/min，实际采用同一时间放煤口开关数量不大于2个，现场实际采用的跟机放煤工艺如图3所示，通过一段时间运行，实现了瓦斯与采煤机关联控制、瓦斯与放煤关联控制，综合提升采放效率20%以上。

图3 综放工作面工艺运行Fig.3 Process operation drawing of fully-mechanized top-coal caving face

4 结 论

1)给出了综放开采工作面瓦斯联动控制方案，通过安装符合要求的瓦斯传感器，接入已有的综放工作面液压支架电液控制系统，实现了瓦斯传感器的数据采集与上传。

2)给出了综放开采工作面瓦斯联动控制方案，通过加装瓦斯传感器与综采自动化系统进行连接；利用自回归滑动平均模型预测以30 s为周期对未来5 min进行区间预测，以采煤机速度和放煤动作与瓦斯进行联动控制，形成瓦斯体积分数0.8%作为控制值但不超过1.0%的联动控制逻辑，给出了控制策略和控制逻辑图，同时划定0、1、2三级预警利于软件界面展示。当系统判定报警级别为0时，不执行采煤机降速指令，采煤机可按照正常割煤速度运行，放煤按智能判断结果进行，此时采煤机割煤和放煤的主要限制边界为前部刮板输送机和后部刮板输送机的运输能力；当报警级别为2时，立即下发采煤机停机指令，采煤机停止割煤；同时下发支架放煤口关闭指令，所有支架放煤口立即关闭。当报警级别为1时，由于考虑的情况较为复杂，设定的基本逻辑是，先降低采煤机割煤速度，同时减少1个放煤口，当放煤口数量只有1个时，则仅降低采煤机割煤速度。

3)在王家岭煤矿12309综放工作面进行了现场应用，分别在工作面117、129、141及150架液压支架处安装瓦斯传感器，接入所在支架的电液控制系统中。现场应用表明，采煤机割煤速度稳定在5.83～7.00 m/min，实际采用同一时间放煤口开关数量不大于2个，实现了瓦斯与采煤机关联控制、瓦斯与放煤关联控制，综合提升采放效率20%以上。