倾斜煤层单向割煤工艺智能开采技术的研究与应用

任予鑫，马 昆，康向南，杜 昭

(1.国家能源集团宁煤公司 枣泉煤矿，宁夏 银川 751411；2.中国矿业大学 公共管理学院，江苏 徐州 221006)

智能化开采是煤矿工业发展进入一个新的阶段标志，是现代煤炭工业高质量发展的核心技术。王国法等提出矿井智能化建设技术，工作面智能化开采技术与装备发展迅速[1-5]。随着智能化技术发展，智能化装备投入使用，国内煤炭领域智能化开采从数量上、智能化程度上、常态化应用水平上已处于3.0阶段[6-9]。

枣泉煤矿一直将智能化开采作为推动现代化矿井高质量发展的技术途径。坚持加大智能化开采技术的应用与研究，通过积极开展技术攻关和对内技术服务工作，努力探索工作面智能开采的技术途径[10，11]。

目前智能化开采工业示范应用中，多为近水平工作面，工艺采用双向对称性的割煤工艺[12-18]。倾斜工作面单向割煤工艺，回采中上、下行工艺不同，在机头、机尾割煤工艺不同，智能化化开采不能在全工作面常态化的运行。通过现场的示范工程应用提出单向割煤的智能化开采工艺，提出了采煤机与支架的智能联动跟机工艺。并对工程现场工艺方案优化。从而实现了倾斜工作面的单向智能化开采在全工作面的常态化运行。

1 工程地质概况

220704综采工作面，工作面位于22采区+980m水平上山阶段，工作面走向长度1970m，倾斜长度295m，平均厚度3.85m，工作面倾角为13.5°～16.9°，平均倾角15.4°。工作面距地表层间距为110～200m，回采过程中共揭露8条断层，最大落差6.9m，最小落差0.9m。采用走向长壁综合机械化采煤方法进行开采。

工作面布置MG650/1750-WD型采煤机1台，液压支架168台，其中在机头配置3台排头架1台过渡架，机尾配置4台排头架1台过渡架。配套使用电液控及自动化集控装置。

2 单向割煤工艺

2.1 工艺特点

1)单向割煤工艺在回采过程中采煤机上行、下行工艺不同，支架跟机动作不同。在机头、机尾两端头的三角煤工艺不对称。

2)工作面回采时下行时采煤机割煤、支架跟机移架；下行到机头三角煤直接截割，清理浮煤，不在机头做进刀斜切段。上行时采煤机返机清理浮煤、支架跟机推溜；返至机尾，在机尾做进刀斜切段进行斜切进刀割机尾的方式。

2.2 示范工作面单向割煤工艺

1)根据工程应用现状，工作面倾向长度295m，布置电液控支架168架，采煤机机身长度为15m，支架中心距为1.75m，采煤机机身占9台支架。根据采煤工艺、生产方式将支架智能化移架工艺、采煤机自动截割划分为10个工艺阶段。

2)根据工作面单向割煤工艺，将工作面168台支架对应的分为三个阶段。1#—20#，21#—142#，143#—168#。分别对应采煤工艺为机头三角煤移架推机头工艺，中部跟机移架、推溜工艺，机尾三角煤斜切进刀工艺。

3)根据工作面现场回采，在过断层期间单向割煤工艺整体工艺不变，依然采用10个工艺阶段的单向割煤工艺。但对采煤机运行速度、滚筒采高进行人工干预调整，并进行重新学习。对跟机移架的动作时间进行设置以及跟机移架位置进行设置。

3 采煤机截割工艺

3.1 循环深度

通过工艺的研究与应用改进，采煤机单向智能截割的工艺循环深度设置10较为适宜[10]。学习模式在工作面中部开始，但需躲避开采煤机在工作面设置的零点位置。下行进行学习，初始工艺段为0段，通过一个完整单向割煤循环，采煤机截割工艺工艺段为从0至10，其中工艺段0与10为同一工艺。共计不同工艺为10个。在10个工艺段中，偶数工艺段均为采煤机下行割煤方向，与初始学习方向相同。奇数工艺段均为向右向上的工艺。

3.2 截割工艺

1)机头三角煤工艺包括0-4，其中工艺段0为机头割顶煤，工艺段2为机头割底煤，工艺段4为机头清理浮煤。1、3为采煤机改变方向的一种记忆工艺。

2)机尾三角煤的工艺包括5-10，其中工艺段5为割机尾顶煤，7为机尾割底煤，9为机尾清理浮煤。其余工艺作为采煤机变方向的一种记忆工艺。

3)中部割煤工艺为工艺段0、5、10。0、10为下行割煤工艺，5为返机清浮煤。

工作面采煤机行走最长距离为工艺2的最大距离到工艺7最大距离为272.61m。采煤机记忆截割循环如图1所示。

4 支架跟机工艺

4.1 工艺阶段

1)支架跟机工艺程序设置为10个阶段，为工艺段1到工艺段10。对应单向智能化割煤工艺3个阶段。

机头三角煤移架推机头工艺，支架序号为1#—20#。在此段支架工作需触发跟机程序工艺阶段为阶段1，阶段2，阶段3，阶段4，阶段5。中部跟机移架，推溜，支架序号为21#—142#，在此段支架动作需触发跟机程序工艺段为阶段1，阶段6。机尾三角煤斜切进刀工艺，支架序号为143#—168#，在此段支架需触发跟机程序工艺段为阶段6，阶段7，阶段8，阶段9，阶段10。

4.2 中部跟机工艺

1)下行时中部跟机进行移架，(中部跟机移架支架序号为21#—142#)。

2)采煤机中部下行是中部跟机工艺，采煤机下行至135#，触发跟机程序阶段1。进入中部下行工艺。对应采煤机工艺段为10和0。

支架跟机动作为超前采煤机前滚筒5架位置的支架收回伸缩梁、护帮板；滞后前滚筒3架位置的支架打出伸缩梁(支护顶板) ；滞后后滚筒3架位置的支架跟机移架；滞后后滚筒5架位置的支架后打出伸缩梁护帮板。

3)采煤机上行返机清理浮煤时中部跟机工艺：触发跟机程序阶段6。对应采煤机工艺段5。

支架对应动作为超前采煤机后滚筒5架收回护帮板，滞后前滚筒5架打出护帮板，滞后采煤机前滚筒13架进行推溜动作。

4.3 机头三角煤工艺

1)采煤机下行至14#架时，触发跟机程序阶段2。此阶段进行20#—15#支架进行顺序移架。采煤机对应工艺段0。

2)采煤机机头割透，返机到达8#架时，触发跟机程序阶段3。对应采煤机工艺段1。

3)采煤机在机头割底煤上行至15#架时，触发跟机程序阶段4。此阶段进行6#—14#支架顺序拉架。对应采采煤机工艺段2—4。

4)浮煤清理完毕后进行返机，返机至21#时，触发跟机程序阶段5。开始中部返机清理浮煤。此阶段动作为机头1#—10#顺序进行推移刮板机，推移刮板机结束后进行1#—5#的顺序补充拉架。

5)采煤机返机至25#架，触发阶段6进入中部返机工艺，对应的采煤机工艺段5。

4.4 机尾三角煤斜切进刀工艺

1)采煤机返机至163#架时，触发跟机程序阶段7。此阶段进行补充推溜：推溜范围为150#—157#，推至满行程。对应采煤机工艺段5。

2)采煤机机尾割透后需改变牵引方向向下牵引，当牵引至162#架，触发跟机程序阶段8。在此段采煤机为工艺段6清理浮煤。

3)采煤机向下牵引至156#架时触发跟机程序阶段9。在此段触发动作进行162#—142#支架顺序拉架。采煤机进行机尾拉低、清扫浮煤，对应采煤机工艺段7—9。

4)采煤机下行至139#架时，触发跟机程序阶段10。此阶段进行推出机尾斜切段：148#—157#为斜切进刀段，158#—168#为直线段推移行程为满行程。推移完毕后顺序补充拉架163#—168#。

以上是工作面整个全智能化跟机控制工艺。触发点和动作范围是根据采煤机本身机身的长度，以及采煤机运行轨迹确定。单向割煤支架跟机工艺触发点见表1。

5 智能跟机移架

单向智能割煤工艺建立后，实现在工程现场的高效运行，需提高采煤机截割速度。煤机速度提高就需建立在下行跟机时快速移架模式。液压支架跟机需根据煤机位置判定速度的移架模式：根据红外传感器传输的煤机位置，采煤机运行速度，通过支架中心距判定需要移设的支架及千斤动作。通过红外传感器接收煤机位置信号进行模式调整。提升智能开采常态化高效运行。

5.1 智能跟机建立

1)建立智能化跟机模式，在单向割煤跟机移架过程中，根据采煤机与支架位置逻辑关系，加入采煤机截割速度控制关系。单向割煤采煤机返机工艺因支架不作移架动作，降低了对返机速度影响。通过现场工矿变化进行返机速度设置学习，常态化实际生产中工艺段5采煤机返机速度在14m/min。保证采煤机在中部返机只需16min。

2)智能跟机速度建立。 下行割煤工艺段需在适应现场工矿的条件下结合支架移架效果进行速度调整；对干预调整速度进行学习便于持续运行。保证在10个工艺段不变的情况下，在单独的工艺段调整速度。两端头的8个工艺段因采煤机频繁更换牵引方向、每个工艺段运行距离较短；对于采煤机截割速度不做调整。多以初始学习模式速度为主。

工作面实际生产中智能割煤常态化保持在三个速度。在两端头截割中速度小于6m/min，以及在中部截割倾角大于16°时采用此速度。中部截割过程中工作面倾角在14°时，截割速度常态化保持在8m/min。现场出现煤帮片帮截割阻力降低，倾角降低的工矿中截割速度可提升至10m/min以上。从而保证智能开采的高效运行。常态化运行中中部截割工艺段0，10只需30min。

5.2 智能跟机移架模式

1)采煤机速度小于6m/min情况下采用触发点顺序移架模式，如图2所示。根据单架移架参数设置单台支架移设时间为15s，根据移架工艺支架滞后采煤机后滚筒进行移架，只需根据位置推进按图中按顺序①、②、③进行顺序移架。

图2 智能移架模式一

2)当在下行截割过程中采煤机速度大于6m/min小于10m/min情况下，根据单架移架时间15s进行建立模型，此时需采用触发点触发进行差动移架，根据支架移架工艺程序设置在滞后采煤机同时进行2台支架的同时移设，两架进行采取差动移设模式，如图3所示。图3中在滞后煤机同时移动标识序号①的两台支架。移设完毕后再同时移设标识序号②的两台支架。

图3 智能移架模式二

3)采煤机速度大于10m/min情况下采用触发点差动移架，同时进行2台，或3台支架进行差动交替移设模式，如图4所示。图4中在滞后煤机同时移动标识序号①的两台支架。移设完毕后根据采煤机位置可同时移设标识序号②的三台支架，保证支架跟机移架支护顶板满足采煤机快速截割。

图4 智能移架模式三

6 结 论

1)智能化开采在倾斜工作面单向割煤工艺的应用，对于支架与采煤机的工艺划分为10个工艺段是符合工程现场条件，也满足生产工艺需求。

2)单向智能化开采工艺在国家能源集团枣泉煤矿效果良好。使得工作面智能开采得以常态化运行。实现了单日智能化开采13刀的成绩，采煤机自动化率达95%，支架跟机自动化率达到92%。提高了智能化开采效率。

3)对于我国大部分矿井地质较为复杂，存在倾角大，断层多。实现智能化开采常态化运行较为不易。通过对于采煤机截割，支架跟机工艺优化，大大提高了智能化开采现场工程契合度。为以后智能化开采奠定了基础。