特厚煤层低位放顶煤智能化成套装备的应用探索

王 宇

（同煤集团机电管理处， 山西 大同 037003）

引言

煤炭是我国主体能源，安全智能、绿色高效矿井是我国煤矿发展的主要方向。特别是近年来，在国家发展“互联网＋”战略方针的大力推动下，以实现少人化、无人化开采为目标的智能化开采技术成为煤炭开采的主要发展趋势[1]。目前在国内神东、陕煤、阳煤等煤矿集团公司实施的一次采全高智能化装备已取得一系列成果，综采工作面的主要装备已基本具备感知、自学习和决策、自动执行功能，实现了工作面的高度自动化少人远程监控、安全高效开采[2]，但综放智能化装备的水平仍不能满足特厚煤层放顶煤工作面的开采，在装备的稳定性、可靠性、各设备间的协调性、放顶煤工艺的整体适应性上都需要进一步研究发展，尤其是智能化放煤仍是制约我国特厚煤层综放工作面自动化程度和产量再提高的重要因素。2016 年，国家“千万吨级高效综采关键技术创新及产业化示范工程”项目在同煤集团同忻矿成功实施，实现了放顶煤工作面的智能化开采，在装备的配套可靠性、智能化配合、集中、远程控制系统等方面取得了一定的突破。下面对同煤集团现有的特厚煤层低位放顶煤智能化装备技术进行阐述[1-7]。

1 特厚煤层低位放顶煤智能化成套装备的主要配套

同煤集团的特厚煤层主要集中石炭系，煤层赋存厚度在14～20 m之间，工作面倾向长度200～280 m，走向2 000 m 左右，单面年产量10～15 Mt。主要配套工作阻力在15 000～17 000 kN 的支撑掩护式放顶煤支架、总功率1 630～2 360 kW 的采煤机，2×1 050 kW 以上的前、后刮板输送机、600 kW 以上转载机、400 kW 以上破碎机、400 L/min 至630 L/min 的乳化液泵、3×500 kW 以上顺槽皮带机、天玛自动化采煤控制系统等装备。

2 智能化的组成及可实现的主要功能

目前，智能化成套装备自动化装备以采煤机记忆截割、液压支架自动随机以及可视化远程监控为基础，通过智能化控制算法，综合应用以太网、视频、通信、电液等多种技术，对采煤机、支架电液控制、运输系统等综采设备整体协调控制，具有感知、自学习和决策、自动执行能力，实现设备的就地、集中、远程三级网络管理，实现“工作面自动控制为主、监控中心远程干预为辅”的智能运行模式，达到综采工作面少人、无人的目的，如图1 所示。

图1 综采自动化控制系统结构图

液压支架电液控制系统，主要由电控系统、电液换向阀、顺槽监控主机系统、井上下数据传输系统、顺槽过滤系统组成，具备支架与围岩耦合监测控制、单架控制、成组控制、跟机自动化控制、闭锁及紧急停止、故障显示及报警、自动补压、带压移架、矿压监测、智能喷雾降尘控制、工作面数据集成及上传、顺槽及地面监测、数据分析及信息发布等功能[8-12]。

工作面顺槽监控中心是整个工作面协调机制的“大脑”，主要由矿用监控主机、显示器、操作台、交换机等设备组成。具备采煤机、电液控液压支架、泵站系统、运输系统的监测监控、远程控制功能，同时具备机电保护、视频监测、通信监测、矿压分析、工况报表及故障监测等功能。

工作面以太网主要由综采综合接入器、光电转换器、交换机、稳压电源、矿用光缆等组成，用于传输数据，是整个系统的神经，实现工作面数据的高速传输。

工作面视频系统由摄像仪、显示器和操作台等组成，用于远程可视监控，是整个系统的“眼睛”。

支架、采煤机、刮板运输设备、胶带输送机、泵站等设备的远程协调控制系统，通过综采设备的数据接口开放，实现设备数据的基本数据传输功能、远程控制功能、安全保护功能；实现综采设备的远程一键启停、采煤机的记忆截割、刮板运输设备的煤流平衡控制等功能。

地面分控中心是地面调度室对井下工作面综采设备进行指挥、集控和统一管理的平台，由视频监视、远程控制、安全监控等系统构成；实现地面实时监控、大数据分析、系统优化、智能化远程干预控制。主要实现工作面系统集成及数据上传查看、视频监控存储、图像巡检、实时报警等功能，同时通过设置相应的安全机制，在取得相应授权的条件下，可在地面调度指挥中心对综采工作面设备实现一键起停功能[13-18]。

3 现场情况

减人方面：生产班由原先23 人（皮带机司机2人，泵站工1 人，采煤机司机2 人，支架工4 人，放煤工4 人，三机工4 人，电工1 人，两巷支护工5 人），降低至11 人（皮带机司机1 人，泵站/电工1 人，采煤机司机2 人，支架工2 人，放煤工（两巷支护工）共3 人，三机工2 人）。

增效方面：由于放顶煤工作面的产量以放煤为主，工作面装备的推进快慢与放煤速度有关，采煤机的截割速度影响不大，目前支架的放煤自动化仍未成熟，采用人工操作，由以前的单架、间隔放煤变为现在的成组、间隔成组放煤，可以提高1/4 的放煤速度，每天可多割1 刀。

智能化方面：目前采煤机在顶板条件好的情况下可以按照自动割煤程序进行割煤，支架跟机，放煤动作仍需人工现场参与，自动放煤存在一定安全隐患，倾角传感器矫正过程复杂。

与人工对激光走架相比较，跟机移架存在“走不齐，走不平，走的慢”的问题。目前自动找直系统的算法仍不能满足生产需求。

自动化采煤控制系统与各类采煤设备的兼容性、控制性上仍不稳定，时有中断现象。

控制系统对支架推移千斤、抬底千斤等各类油缸的控制速度、准确度仍无法满足生产条件的要求。

控制面板、传输线路、各类传感器受井下恶劣环境影响，故障点多，故障率高，更换困难，维护强度大。如：推移行程传感器损坏后，需对油缸整体更换；护帮传感器受煤矸、粉尘影响，经常误动作；控制面板容易进水失灵；摄像仪受工作面粉尘浓度大、湿度大的干扰，经常性出现视频模糊的情况，需不断清理。

4 后期的探索

在煤岩识别上进行探索，目前基于射线、振动、声频、激光、热成像等多种原理的传感试验在煤岩识别上效率依然很低，针对不同矿井煤炭赋存的条件，需要设计不同的识别方法。

探索工作面自动找直。由于地质条件的约束，在开采过程中刮板输送机随经常会出现“上窜下窜”的问题，目前主要采用人工操作割刀调节，如可根据地质情况，利用自动化程序，实现调直调平，将极大地提高工作面开采质量。

探索适合自动化割煤的割煤工艺。目前采煤机割煤主要采用记忆截割，工作面地质条件较好时，在中部割刀时基本可满足生产，但在复杂的两端头、过渡段割刀时，由于割煤工艺、支护难度、设备集中空间小等原因，经常需调整，自动化难度较大。

探索符合刮板机运力的自动化多段放煤技术，目前自动化放煤与采煤机截割、支架推移的整体配合算法、工艺、包括放煤识别都处于研究阶段，无法实现自动化，需要人工肉眼干预。

探索液压支架的姿态监测调整，由于工作面地质条件不同，顶板来压、工作面倾角、放煤时冲击、底板平整度等多方面因素对支架的工作形态影响巨大，要保证支架合理的工况，需要确立支架对于围岩、对于刮板机、采煤机等各方面的整体三维立体的位置把控，并予以调整协调。

多装备、多系统的进一步协调工作，目前工作面的设备基本实现自动化，但在各设备之间的协调动作、两巷支护、无煤柱切顶、工作列车自移、两巷管路、电缆移动等的自动化上，还无法实现随工作面的自动回缩。

探索进一步加强自动控制的可靠性，矿井地质条件复杂，自动化线缆多，维护极为困难，但无线网络在信号响应、灵敏度上并不能满足工作面需求，必须设计研究适合井下使用的通讯控制系统网络[19-21]。

探索矿井工作面整体的监测控制，目前工作面的监测控制仅能保证设备间的互动联系，但整个工作面在开采过程中受影响的是整个上下覆及周边煤层，顶底板状况、周边煤壁压力、未开采段的夹层等是自动化无法有效适应的重要原因，如能在工作面开采前、开采中对工作面的整体赋存、压力、夹矸变化等能实时监控，再调整工艺工序，可大大提高自动化的适应性。

探索拟人机器人在工作面现场的巡回检查、现场操作，从本质上提高人员安全性，并可以保证人员根据现场情况处理复杂问题，提高工作面自动化能力。

随着工作面装备的不断发展，开采工艺的不断进步，自动化控制系统的自拓展、自学习、自更新也应不断探索。例如适应三级放煤液压支架的自动化程序、适应7 m 以上大采高的采煤机割煤程序、适应放顶煤交叉侧卸式转载机的刮板运输程序，适应高压力、大流量乳化液泵的智能化调节程序，适应根据煤流永磁变频调控运输设备的集中控制程序等。

5 结语

目前，国内煤矿智能化综放开采装备已从理论研究完全进入井下工业性试验阶段，虽然无法完成真正的无人化开采，但已经在自动截割、自动移架、远程一键启停、实时监控等方面取得了很大的进步，但就其存在的一些问题还需不断地探索。例如，目前在同煤大唐塔山矿实施的智能化工作面，在研究特厚煤层综放工作面采煤与放煤平行作业协调控制机理与方法、基于工作面直线度控制的综放工作面多信息集成智能控制技术、基于后部刮板输送机煤流负荷控制的放煤控制技术、支架位姿及放煤机构动作实时精准监控技术及装备、综放工作面高效高强度开采装备自适应技术、开发智能放煤控制程序、研制智能放煤控制系统上将做进一步的探索论证。