煤矿井下机械化综采技术方案的应用研究

摘  要：近年来，随着综采技术的不断提升，以采煤机、液压支架、刮板输送机为核心的自动化综采设备不断投入应用，极大的提升了煤矿井下的自动化水平和综采效率，但由于缺乏统一的联合控制技术，各类设备之间均为孤岛式作业，需人工配合调整，效率低、可靠性差。而且由于井下支护技术方案落后，在巷道支护过程中支护流程繁琐、支护稳定性差，需要反复调整。因此井下各机械设备的联合运行特性差、巷道支护方案落后，已经成为限制煤矿井下综采作业效率进一步提升的核心瓶颈。

关键词：煤矿井下机械化;综采技术;方案应用

中图分类号：TD823.97                                       文献标识码：A                                                 DOI：10.12296/j.2096-3475.2021.05.079

引言：随着经济社会对煤炭需求量的不断增加，煤炭生产企业之间的竞争不断加剧，现有井下综采作业人员多、自动化程度低的综采模式已经无法适应新形势下的综采作业需求。因此，各煤炭生产企业不断寻求提升井下综采作业效率、减少综采作业人员的新型综采工艺。

一、综合机械化采煤技术特点分析

1.开采效率高

综采技术在煤层开采过程中的应用实现了开采的完全机械化，大幅度提高了综采的效率，这使得矿井的产量逐年上升，由过去的几百万吨上升到现在的上千万吨。这项技术效率较高的原因是在顶板支护时使用了自移式液压支架，即液压支架跟随采煤机移动，这使得原来用于顶板支护的时间大大缩短。与此同時，该项技术的应用还大幅度减少了工人的使用数量，使得生产过程中单人工效大幅度提升。目前，很多矿井正在研发无人化开采技术，其生产效率将会更高。综采技术采用的是成套设备，采煤机、刮板机以及输送机的配套实现了生产的集约化，有助于实现矿井的“一矿一面”。此外，煤层开采效率的提高降低了煤矿开采过程中的能耗，响应了国家节能减排的号召。

2.对地质条件的要求高

虽然综采技术具有效率高、安全性高的优点，但是并不是所有的矿井都适合采用综采技术。综采技术对煤层的赋存条件有着较高的要求，一般地，综采技术只适用于煤层倾角较小的倾斜煤层以及近水平煤层的开采，而且煤层开采厚度不能小于2m。若工作面内的地质构造比较复杂，例如存在断层、陷落柱等，则需要对工作面进行搬家。由于综采技术使用的多是重型机械设备，而且井下作业空间狭小，工作面的搬家成本非常高。此外，在煤层厚度变化比较大时，若采用综采技术，不仅煤层的煤炭采出率会降低，还会导致采煤机的截齿磨损加剧。因此，为了发挥综采技术的优势，需选择条件比较好的煤层进行开采。

二、煤矿井下机械化综采技术方案

1.顶板支护方案优化

由于通常的井下巷道断面宽度为6m，导致实际综采作业过程中矿压波动时对顶板的压力冲击作用明显，为了确保顶板支护安全性，需要增加大量辅助支护锚杆，从而限制了综采作业效率的提升，因此在经过合理的计算，同时结合各机械化综采设备综采作业需求，采用将巷道断面宽度降低为5.2m的窄面巷道结构，该类型的断面宽度能够将拱形的承压效果发挥到最大，从而达到优化支护结构，提升支护效率的目的。优化后的巷道支护结构，其支护锚杆由最初的6根降低到现在的5根，支护锚索的长度由最初的9m降低到目前的6m，同时综采面之间的连接间距也由最初的60m，提升为目前的180m。优化后的支护方案比优化前降低了约1/6的工作量，而且支护结构更为合理，能够在确保对巷道支护安全的情况下降低支护作业时间，提升支护效率，为进一步提升综采速度奠定基础。根据实际应用，采用该综合化综采方案后井下综采作业效率提升11.7%以上，而且综采安全性和支护安全性得到了有效的提升，目前已经得到了广泛的应用。

2.综采工作面智能化技术的发展

综采工作面智能化技术发展分为3个阶段，即：a）单机自动化控制阶段。这一阶段的典型标志为可视化远程干预控制。b）全局自动化阶段。这一阶段的典型标志为工作面直线度检测与控制。c）时空可控的数字透明化开采阶段。这一阶段的典型标志为可建立三维地质模型，在三维坐标下进行精确定位与控制。中国煤炭智能化开采经历了基于远程可视化的智能化开采1.0阶段，以及基于设备自适应的智能化开采2.0阶段，实现了综采工作面“无人操作、有人巡视”的工作模式。但严格意义上讲，综采工作面智能化开采还停留在远程控制和综采装备自动化控制的生产方式上。由于煤层信息不全面、不准确，煤岩识别难题尚未破解等，目前大部分综采工作面还不能实现适应煤层条件的智能化开采，且现有的综采工作面基本以单机自动化为主，在实际生产过程中，受综采工作面生产作业工艺的约束，仍然需要通过人工调度实时干预采煤机和液压支架的作业工序，采煤机和液压支架的协同控制效率较低。当前，已有的相关技术解决了实际工作中存在的问题，即：a）基于透明工作面的智能化开采，围绕煤层透明化、综采装备透明化、决策及控制透明化，以煤层超前探测、“机-环”模型关联、采前规划决策、随采智能控制为实现路径，综合应用地质勘探技术、综采装备定位技术、三维激光扫描技术，达到综采装备智能决策和自主执行的目的，为最终实现无人化开采奠定坚实基础。b）将采煤机和液压支架的作业工序详细划分为子工序，重新匹配子工序生成机架协同工序，并增加协同控制逻辑，形成采煤机和液压支架协同控制技术，实现了采煤机和液压支架作业工序的对应统一。该技术降低了采煤机和液压支架控制对人工干预的依赖性，提高了生产效率，为实现综采工作面无人化开采提供了技术支持。

3.采煤机、刮板输送机联动控制

刮板输送机根据液压支架的运行情况，在调整直线度需求后，还需要根据采煤机的综采作业情况，实现和采煤机之间的联动控制，避免出现运量不足或者溢煤现象。在调节过程中遵循了最佳运量匹配理论，系统内存储有刮板输送机的最大负载运量，系统将采煤机记忆截割状态和刮板输送机的运行状态进行匹配，当综采量大于刮板输送机当前的运量时，刮板输送机提升运行速度，加大对煤炭的运输;若刮板输送机达到最大运量依然无法满足采煤机的综采作业需求时，系统将控制采煤机调整截割作业速度和进给速度，从而匹配刮板输送机的最大运输能力需求;当采煤机的综采作业情况不满足刮板输送机的运量需求时，系统则控制刮板输送机降速运行，从而保证刮板输送机上的煤炭量，实现井下采煤机、刮板输送机运行的自动调节控制，满足经济性和安全性的运行需求。

煤矿井下实际应用情况表明，采用该自动控制系后，井下综采面的作业人员数量降低了86%，综采作业效率提升了13.7%，显著提升了煤矿井下综采作业的安全性和效率，对提升煤炭生产企业的综采经济性具有十分重要的意义。

三、结语

煤矿的综合机械化开采是现代化矿井的发展方向，认识其特点有助于更好地推进煤矿的开采。综合机械化采煤技术的主要特点是能大幅度提高煤矿开采的效率和保证煤矿开采的安全性，但是对煤层的赋存条件要求高。这项技术效率较高的原因是，在顶板支护时使用了自移式液压支架，即液压支架跟随采煤机移动，这使得原来用于顶板支护的时间大大缩短。

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作者简介：沙永飞，1982年9月，男，汉族，山东威海人。2007年7月毕业于长春工业大学材料学院，材料成型及控制工程专业，本科学历。机电助理工程师职称;现在龙口矿业集团山西朔州平鲁区龙矿大恒煤业有限公司工作，从事综采队机电副队长工作。

（龙口矿业集团有限公司山西朔州平鲁区龙矿大恒煤业有限公司  山西朔州  036000）