煤矿井下无人综采方案的应用研究

毛玉龙

（同煤集团马脊梁矿， 山西 大同 037001）

目前多数煤矿综采作业过程中，均是通过大量的人工控制井下综采面的采煤机、液压支架、刮板输送机的运行来满足井下综采作业需求。由于煤矿井下地质环境复杂，大量人员在综采面作业不仅容易产生人员伤亡事故而且也容易使作业人员患“尘肺病”等职业疾病，给综采作业安全带来了严重的隐患。因此从提升综采作业效率、综采作业经济性及人员健康方面，各煤炭生产企业均在无人化综采作业方面进行了大量的努力。在前人研究的基础上，本文结合煤矿井下实际情况，提出了一种新的矿井下无人综采技术方案，通过采用大采高综采面的防片帮自动化控制方案、综采面底板的自动控制方案、煤矿井下高效自动化降尘技术等实现了综采面的无人化作业，该无人化综采技术方案的提出，为实现煤矿井下无人化智能综采奠定了坚实的基础，具有极大的应用推广价值。

1 大采高综采面的防片帮自动化控制方案

当在煤矿井下综采面采用自动化综采作业时，采煤机的整体工作效率较高而且没有专门的人工进行修正处理，煤壁被切割时，由于存在着应力路径效应，因此采煤机将煤炭从煤壁上分裂出来时，煤壁片帮会经过滑移失稳和拉裂破坏两个阶段[1]。根据煤炭剥离时的力学模型，可得出截齿截割作业时煤炭的剥离深度、直径与煤层强度之间的相互关系可以推断出煤壁在发生片帮时可以分为三个不同的阶段，根据每个阶段的不同特点制定了不同的控制方案，第一个阶段是煤体的拉裂阶段，在该阶段可利用对液压支架的初撑力的监测、间断性的连续补压的方案来实现降低顶板的下沉量。第二个阶段是煤壁的滑移失稳阶段，在该阶段可采用压力传感器对护帮板的压力进行监测，确保其保持持续的护帮力。第三个阶段是煤壁的片帮阶段，在该阶段主要采用液压支架自动跟进工艺确保生产的正常进行。

液压支架的自动跟机工艺主要是利用位移传感器、视频监控等实现对液压支架和采煤机之间相对位置关系的确定，根据采煤机的运行状态来控制不同区域液压支架护帮板的收放，煤矿进行液压支架自动跟机工艺流程如图1 所示[2]。

图1 液压支架自动跟机工艺流程示意图

该弱底板条件下的液压支架自动跟机工艺流程主要是融合了人工记忆学习方案，同时在该控制系统中还增加了模拟人工操作控制系统，将液压支架在不同硬度底板条件下的移架停顿时间、初撑力、降柱动作等进行编程固化，优化了在跟机过程中液压支架的移架、支护及与采煤机的配合工艺，有效地解决了液压支架在弱底板条件下的自动支护可靠性问题。

2 综采面底板的自动控制方案

由于煤矿井下综采面底板的硬度不一，会对综采面液压支架的支护产生较大的影响，因此为了确保支护安全，需要在支护前对支护区域内的底板状态进行分析，对不同底板硬度调节下的支护需求，可通过反复调整液压支架的支护状态来进行调和记录[3]，在自动化跟机支护过程中根据记录情况完成跟机工艺流程的处理，底板硬度较弱情况下的自动控制方案如图2 所示。

图2 弱底板条件下的液压支架支护方案

3 煤矿井下高效自动化降尘技术

井下综采面在作业过程中会产生极大的粉尘，给煤矿井下综采作业效率和作业安全带来较大的隐患，为了适应无人综采作业情况下的降尘需求，提出了煤矿井下高效自动化降尘技术方案[4]。该方案中设置了一个高压除尘装置，能够将液体转换为10~15 MPa 的高压水，通过设置在采煤机摇臂上的水管和旋流雾化喷嘴结构喷出水雾，水雾内水滴的颗粒直径约为80 μm 的颗粒，有效的降尘半径可达4.5 m，具有射程远、抗强风能力强的特点，该新型的煤矿井下高效自动降尘装置结构如图3 所示。

图3 煤矿井下自动降尘装置结构示意图

该自动降尘装置在综采作业过程中，喷雾通过设置在截割机构上的雾化喷嘴向截割区域喷射出降尘，形成一个湿式的截割，通过喷雾将颗粒粘合下来，形成有效的沉降，根据实际验证表明采用该自动喷雾降尘装置后对综采作业过程中的呼吸性粉尘的沉降效率可达95%左右，而且能够满足高效自动化综采作业过程中的需求，提升煤矿井下综采作业安全。

4 结论

为了提升煤矿井下综采作业效率和经济性，提升综采作业安全，提出了一种煤矿井下无人综采技术方案，通过采用大采高综采面的防片帮自动化控制方案、综采面底板的自动控制方案、煤矿井下高效自动化降尘技术等实现了综采面的无人化作业，极大的提升了煤矿井下综采作业效率和经济性，根据实际分析表明：

1）大采高综采面的防片帮自动化控制方案，利用位移传感器、视频监控等实现对液压支架和采煤机之间相对位置关系的确定，根据采煤机的运行状态来控制不同区域液压支架护帮板的收放。

2）综采面底板的自动控制技术，能够根据底板硬度情况，自动调整液压支架的支护状态，满足安全支护的需求。

3）煤矿井下高效自动降尘技术，能满足高综采率条件下的高效降尘需求，其对综采作业过程中的呼吸性粉尘的沉降效率可达95%左右，极大地提升了井下综采作业的安全性。