煤矿综采智能化开采技术研究及应用

刘强

摘要：针对煤矿开采量与使用量较大差异，导致煤矿资源开采损失的问题，展开煤矿综采智能化开采技术研究。布置煤矿综采工作面，在综采面两端各布置运输巷与回风巷，根据煤矿区域的地质条件，确定智能化综采煤矿采动应力分布。钻进煤矿综采工作面探查疏放孔，根据煤层底板等高线工作面推进方向，划分综合机械智能化开采范围，计算工作面覆岩开采垮落带高度。进行煤矿综采智能化开采远程控制，采用PLC逻辑控制作为开采计算核心，并对煤矿开采过程进行全方位监测与控制，为煤矿开采智能化管理提供保障。采用实例分析，验证了该开采技术的配采均衡性更高，能够应用于实际生活中。

关键词：煤矿；综采；智能化；开采技术；应用

0   引言

当今社会，由于人们环保意识的提高和资源供应逐渐紧张，越来越多的国家开始探索绿色能源技术。与此同时，为了给煤炭资源的合理化利用提供保障，煤炭能源业开始向绿色开采与科学开采发展[1]。

通常，煤矿区域内的水文、瓦斯地质条件较为复杂，受到煤矿工作面开采技术水平、智能化控制水平等条件制约，煤矿资源的开采推进长度较短，严重影响了矿压控制难度。随着煤矿开采强度的不断增大，浅部煤炭资源储量急剧减少，开采深度逐年增加[2]。为了开采更深层的煤炭资源，煤矿开采工作面的长度随之增加，工作面动应力分布更加复杂，加剧了矿压控制难度。

煤矿开采普遍以长壁采煤法为主，开采工作面较长。就煤矿开采效率而言，长壁采煤法能够在工作面推进之后及时处理采空区，煤矿资源运输方式、支护形式、采空区处理方法，在煤层无倾角处更具优势[3]。但煤层普遍为大倾角工作面，以此种方法开采容易突出矿区的瓦斯，从而造成较大的开采事故。

高效回采技术、沿空留巷技术、协同锚护技术的应用，为煤矿开采带来了显著的经济、社会效益，资源开采逐渐面向绿色、安全方面发展[4]。本文根据煤矿开采区域的倾角大小，分析煤层的推进方向，并布置多个综采工作面，同时进行煤矿开采，提升开采效率。在配采均衡的条件下，设计了一种煤矿综采智能化开采技术。

1   煤矿综采智能化开采技术设计

1.1   布置煤矿综采工作面

本文在煤矿开采的过程中，以开采稳定性控制为主，在综采面两端各布置运输巷与回风巷，确定智能化综采煤矿采动应力分布。本文根据工作面回采的数据，对煤层的动应力分布进行分析。工作面应力分布如图1所示。

如圖1所示，工作面回采的煤岩支承压力沿着回采方向，与工作面的支承压力呈现相对空间位置关系[5]。考虑到前支承压力、围岩支承压力、压力重分布等情况对工作面开采的影响，本文在开采过程中，以单、双工作面交替布置的形式，使工作面保持一定的错距进行煤矿开采。

工作面的长度布置为150～200m左右，每个工作面的间距在5m之内，以架棚加强工作面开采的支护结构[6]。每两个单工作面之间，布置一个双工作面，减少一条平巷、一个煤柱，从而提升煤炭开采效率。

1.2   钻进煤矿综采工作面探查疏放孔布设

单工作面布置在开采区域的同一翼，本文将煤层底板等高线工作面作为推进方向，并结合煤矿区域的地质条件，将工作面配套设备进行配置。工作面部分设备配置如表1所示。其中，乳化液泵为现有设备，其他设备均为新购设备。新购设备是为了达到综采工作阻力要求值，确保开采质量。

为了确保工作面开采效果，本文划分了综合机械智能化开采范围，将开采的上限标高提高至-290m水平，工作面倾斜长870m，使工作面可采存量增加。

在工作面钻进多个钻孔，钻孔的密度为6.46个/km²。在工作面附近分布9个钻孔，以控制含水层顶、底界面与基岩面[7]。在临近工作面风巷的位置，布置39个探查疏放钻孔，以便探查出开采区域的岩性结构与岩层厚度，确保工作面开采效果。在工作面中部附近，计算工作面覆岩开采垮落带高度，具体公式如下：

1.3   煤矿综采智能化开采远程控制

本文将智能化技术与开采技术融合，在煤矿资源开采的过程中，采用PLC逻辑控制作为开采计算核心，并对煤矿开采过程进行全方位监测与控制，为煤矿开采提供智能化管理保障。

利用梯形图编程，将开采设备的开关状态进行采集与控制，并向设备发送开始、停止开采的远程控制信号，形成智能化开采远程控制环境。在综采工作面上，根据工作面环境选择刮板输送机，并在远程控制模块计算出开采区域的重段运行阻力、空段运行阻力、总运输阻力。重段运行阻力计算公式如下：

W_z=9.8（qω+q₀ω₀）Lcosβ±9.8（q+q₀）Lsinβ（3）

式（3）中，Wz为刮板输送机重段运行阻力；q为工作面槽内单位长度质量；ω为煤矿资源在溜槽中的运行阻力系数；q0为刮板链单位长度质量；ω0为刮板链的运行阻力系数；L为刮板链长度；β为煤层工作面倾角。空段运行阻力计算公式如下：

W_k=9.8q₀L（ω₀cosβ±sinβ）（4）

式（4）中，Wk为刮板输送机的空段运行阻力。总运输阻力计算公式如下：

W₀=K₁K₂（W_z+W_k）（5）

式（5）中，W₀为刮板输送机的总运输阻力；K₁为曲段附加阻力系数；K₂为绕头部、尾部链回转附加阻力系数。

结合开采区域的重段运行阻力、空段运行阻力、总运输阻力计算结构，选择安全的液压支架、刮板机、采煤机，使其“三机”配套，避免煤矿资源开采利用率低的问题。

2   实例分析

2.1   矿区概况

为了验证本文设计的智能化开采技术是否满足配采均衡性需求，本文以M煤矿为例，对上述技术进行实例分析。

M煤矿综采工作面整体为一单斜构造，工作面中部受到断层影响，存在1～8°的倾斜，平均煤深约为820m。工作面地质构造存在多个断层，延展长度为100～400m，对回采的影响程度较大。

06工作面位于M煤矿的第11个开采区，能够存储的煤量约为1.665×10⁶t，回采煤层厚度最大约为3.4m，最小约为2.3m。在M煤矿开采过程中，本文选用巷道掘进开采的形式，在06综采工作面上布置3条顺槽，工作面巷道布置情况如图2所示。

如图2所示，在06综采工作面上布置了上巷、中巷、下巷等巷道，巷宽分别为4.2m、4.2m、4.4m。为了确保06综采工作面的有效开采，本文将相邻的08工作面作为顺槽，并以沿空留巷技术采掘接续，确保M煤矿的开采效果。使用采煤机进行开采，采煤机牵引速度為0～13.75m/min，滚筒直径约为Ф2000mm，采高范围为2200～3800mm，能够满足M煤矿开采需求。同时，采用液位传感器，将M煤矿06工作面的开采数据进行实时监测，确保煤矿智能化开采效果。

2.2   应用结果

在上述条件下，本文按照煤矿生产能力布置出一大两小共3个开采工作面。已知煤矿日生产能力为11800t/天（含掘进煤量），年生产能力为3.9×10⁶t/年。在煤矿开采条件、施工环境、地质条件已知的情况下，使用本文设计的煤矿综采智能化开采技术，对煤矿工作面进行智能化开采，取消晚班开采时段，将煤矿开采规划在早班与中班中，取得的开采效果如表2所示。

如表2所示，本次工程以煤矿合理化开采为主要目标，对于提升主井均衡性具有重要作用。在煤矿开采的过程中，以早班、中班为主，取消了晚班的开采时间，为瓦斯治理赢得充分的时间。

在主井、1#煤仓、2#煤仓中，工作面呈南北方向布置。为了满足煤矿开采规划需求，工作面日生产量（开采煤量+掘进煤量）需要与主井提煤量保持一致。一水平的工作面宽150m，采高为2.8m；二水平的工作面宽300m，采高为2.8m。在其他条件均一致的情况下，使用本文设计的煤矿综采智能化开采技术之后，工作面开采煤量+掘进煤量达到了11900t，主井提煤量为10900t。

由此可见，使用本文设计的开采技术之后，智能化控制效果更佳，能够均衡煤矿的配采，从而提升煤矿综采均衡性，为煤矿矿井开采取消夜班，治理瓦斯创造条件。

3   结束语

近些年来，能源结构发生了重大调整，煤炭资源在能源结构的占比逐年下降，但在短期内仍然占据主导地位。在煤炭消费能源良好的发展势头下，煤炭资源开采方式逐渐向环保、节约、智能化的方向转变。

为了避免煤矿开采资源的损失，提升资源开采效率，本文研究了煤矿综采智能化开采技术研究及应用这一课题。从工作面布置、探查孔钻进、开采远程控制等方面进行优化，使煤矿资源的开采更加智能，均衡了整个开采过程的配采均衡性，为煤矿资源的开采与使用提供理论支撑。

参考文献

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[2] 邓雪杰，刘浩，张吉雄，等.煤矿微生物诱导碳酸钙沉积胶结充填开采技术研究[J].矿业科学学报，2023，8（4）：439-451.

[3] 方新秋，宋扬，梁敏富，等.煤矿开采光纤智能感知与安全决策关键技术分析及探讨[J].智能矿山，2023，4（5）：20-24.

[4] 齐庆新，李海涛，杨冠宇.煤矿数字化与智能开采面临的挑战及对策：兼论新建冲击地压矿井建设对策[J].智能矿山，2023，4（4）：8-13.

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