中厚煤层23303 智能化工作面采煤工艺研究

张中腾 翟霄龙 苏龙庆

（1.兖矿能源集团股份有限公司鲍店煤矿，山东 邹城 273500；2.兖矿能源集团股份有限公司济宁二号煤矿，山东 济宁 272000）

我国中厚煤层有多种开采方式，综合机械化采煤技术是[1]是主要方式之一。在工作面回采过程中保证三机等相关设备高效、稳定运转是实现煤炭资源高效、安全开采关键。国内外诸多学者深入开展综采设备智能化相关技术研究[2-4]，并取得了一定的研究成果。常态化运行的智能综采工作面在国内不断建设，达到了减人提效并提高产量的目的。以兖矿能源集团股份有限公司转龙湾煤矿23303 综采工作面为工程实例，阐述该工作面智能化三机控制系统。

1 概况

兖矿能源鄂尔多斯能化转龙湾煤矿是一座年产千万吨矿井。其中，23303 工作面为该矿井首个建成常态化运行的智能综采工作面，工作面长度为295 m，推进距离为2388 m。开采的23 煤层厚度为3.45 m，平均倾角3°，埋深平均200 m。23303 工作面顶板岩性为粉砂岩，底板岩性为泥质砂岩。

23303 工作面内主要设备配置见表1，包括工作面直线度检测及智能控制系统、采煤机智能截割系统、刮板输送机智能控制系统及液压支架智能化控制系统。经过智能化技术升级后的采煤机，达到了基于惯性导航技术的采煤机三维空间精确惯性定位测量智能化控制。刮板输送机智能控制系统具有自动张紧、断链监测、驱动部监测、煤量监测及智能控制等功能。液压支架配备压力、倾角及采高传感器等一系列智能控制设备，满足采煤机割煤过程中自动跟机移架功能。23303工作面设备连接如图1。

图1 综采工作面设备协同控制示意图

表1 综采工作面设备配置

2 综采装备智能化成套控制系统

2.1 工作面直线度检测及智能控制系统

开展工作面直线度检测的多种技术研究，理解基于惯性导航的采煤机运行直线度检测，通过电液控制系统实现对液压支架连续推进过程中实现工作面直线度的智能找直控制系统。为满足以上技术实现，首先保证系统行程精度；第二保证LASC 轨迹精度；第三保证直线度修正精度。经过现场不断试验与修正得到：（1）通过启用、不启用逻辑阀执行移架后对比行程值，排除地质条件影响因素外，开启逻辑阀后执行移架后的行程值比不开启时更接近控制器移架目标行程，启用逻辑阀能更好地控制移架动作的执行精度。（2）经曲线精度测试证实，排除正常结构因素导致的误差外，LASC 曲线与实测曲线吻合，检测精度cm 级。（3）成组推溜找直修正后，曲线横向最大差值有效减少，找直效果良好。

2.2 采煤机智能截割系统

对23303 工作面使用的MG900/2395-WD 采煤机进行现场改造，使其满足采煤机智能截割和LASC 现场应用的技术要求。采煤机实现以下各种功能：（1）基于惯性导航技术的采煤机三维空间精确惯性定位测量；（2）基于记忆截割的采煤机全工作面循环过程自动化。

为了对采煤机三维姿态进行精度检测，在井下使用直尺测量的距离为线绳到运输机线槽煤壁方向挡板的距离，运输机线槽的两个挡板距离为153 cm，线绳固定在支架方向的线槽挡板上，将实测距离减去153 cm，采用全站仪对水平距离和高程距离进行测量，再与计算出的理论曲线值比较，水平测量结果和高程测量结果分别如图2 和图3。

如图2 和图3 所示，将LASC 惯性导航系统记录的水平和高程数据同人工测量水平和高程数据进行对比分析，通过LASC 惯性导航系统对采煤机三维坐标中水平和高程的测量，获得了采煤机在三维空间内的姿态。由于采煤机本身在三维空间内的实际位置很难测量，采用全站仪进行辅助对比，但全站仪测量结果也存在一定误差，因此采用两种测量方式取平均差值，水平方向平均差值约34 mm，高程平均差值12 mm，满足项目采煤机三维定位误差小于10 cm 的要求。

图2 水平测量结果

图3 高程测量结果

2.3 综采工作面刮板输送机智能控制系统

23303 工作面选用SGZ1000/3×1000 智能化刮板输送机，该输送机能实现以下功能：（1）智能启动控制功能。在启动之初先张紧底部的链条，之后机头机尾电机同时启动，链条速度从零开始慢慢加速最后达到设定速度。（2）功率协调控制功能。根据负载自动分配机头和机尾的驱动功率，使机头尾电机随负载的变化准确自动平衡分配功率。（3）链条自动保护功能。设备开始运行时自动张紧链条，设备停止运行时能自动松开链条，释放应力和链条张力，从而保证设备正常运行。

刮板输送机的机头动力部和机尾动力部两台电机均由两台变频器驱动。在变频器的驱动下，可以设定电机的加速曲线使得电机的速度逐步升高。如图4 所示，刮板输送机的两台电机平稳启动，降低了对供电系统的冲击，也降低对机械系统的冲击，从而达到了软启动目的。

智能控制刮板输送机采用了中电压、大功率防爆变频调速技术，并具有机头尾动态功率协调、链速实时多参数混合逻辑控制调整、链条张紧力动态控制、数据监测与专家系统等特性。智能刮板输送机通过改变运行速度进而调节输送能力，刮板运输机可以用最少的转动圈数达到设定的运输能力，显著降低刮板运输机能耗的同时延长刮板输送机的寿命。

2.4 综采工作面液压支架智能化控制系统

工作面内采煤机与液压支架两种关键设备之间相互配合作业才能将煤炭完全采出。在智能化工作面中，采煤机通过记忆截割技术来实现自动割煤，工作面内液压支架全部配备电液控制系统，整个生产过程无须人员操作，完全由这两套设备的控制系统自主完成。工作面液压支架配备有采高、倾角、压力及推移行程等多种传感器，如图5。

图5 智能化液压支架

液压支架前移采用双速控制阀控制推移千斤顶实现，可消除液压支架与刮板输送机销孔间隙，确保液压支架移架距离统一，从而避免采面多次移动液压支架后导致液压支架、刮板输送机弯曲问题。现场测算发现，通过使用双速控制阀控后刮板输送机推移控制精度提高50%以上，可满足刮板输送机平直度要求。采煤机位置通过煤机红外发射器将信号传递到液压支架红外接收器中，并将定位数据传输给集控中心进行数据处理，最后集控中心将控制指令发出给液压支架控制模块，实现液压支架跟机、移架、喷雾、护帮等工作自动化开展。液压支架工由原来的3 人降为1 人。

3 结论

（1）转龙湾煤矿23303 工作面通过完善的智能化开采设备配套，实现了煤矿智能化开采的常态化应用，顺利完成了单工作面年产能为1000 万t 生产目标，生产操作人员由9 人减少至4 人。（2）通过对采煤机两个摇臂采高传感器零点和线性系数的准确校准，采煤机完全满足记忆截割状态下摇臂自动调整高度需求，并保证端点特别是前部运输机头、机尾处精准测量度，使采煤机在工作面内安全平稳运行。（3）采煤机记忆截割系统可以实现工作面机头、机尾部程序自动截割，简单快速操作控制，带真彩显示端头站，远程显示信息准确，自动截割端点位置定位精确，左右滚筒截割高度重复精度精确。（4）智能刮板运输机实现了链条自动张紧、刮板速度实时智能调速等智能化相关功能，全面降低了刮板运输机的刮板磨损程度，减少了刮板运输机运输过程中电力资源损耗，提高设备可靠性的同时显著提高生产效率，充分实现了采煤机、液压支架、刮板运输机三种不同设备之间的同步控制。（5）基于LASC 惯性导航的工作面智能化找直系统，在实际智能化推进过程中可有效实现工作面矫直，保持工作面曲线横向最大差值在30 cm 范围内，同时通过逻辑阀实现液压支架精确控制移架。