超大采高综采智能开采技术研究与实践

苏龙庆 张中腾 翟霄龙

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

为进一步提升煤炭资源回收率与矿井生产技术水平，填补超大采高综采智能开采技术的缺口，兖矿能源金鸡滩煤矿进行了配套技术及装置的研究开发与智能控制技术的应用试验[1-7]。

1 智能工作面配套设备

1.1 工作面液压支架选型及智能耦合控制系统

1.1.1 超大采高液压支架选型

工作面开采的2-2 上煤层厚度在5.6～8.2 m 之间，最大采高8.0 m，节理、裂隙不发育。基本顶属Ⅱ～Ⅲ级，压力显现强烈；底板多为粉砂岩和泥岩，单向抗压强度19.95 MPa，属Ⅲ类较软底板。为满足工作面的正常运行，实现快速移架，选用ZY21000/38/82D 型液压支架，如图1。

图1 ZY21000/38/82D 型两柱掩护式支架（mm）

液压支架采用大缸径能量耗散抗冲击立柱、三级协动护帮装置等新结构，开发了超大采高液压支架与围岩智能耦合控制技术，研发应用了Q890、Q1150 新材料及焊接工艺、超大采高液压支架三维动态优化设计软件，解决了超大采高液压支架大尺度高动压敏感结构稳定性和可靠性难题，液压支架减重15%，有效提高支架移架速度和抗冲力能力。

1.1.2 液压支架耦合控制系统

液压支架配套SAC 型电液控制系统。SAC 液压支架电液控制系统是集工作面控制系统、过滤系统、工作面数据集成及上传系统为一体的对液压支架实施多功能、高效率、自动化控制的成套设备，是一个多层次多计算机集成的网络控制系统。

液压支架配套电液控系统由电液换向阀、控制器、遥控器、矿用本安型红外线接收器、发送器、矿用隔爆兼本质安全型稳压电、隔离耦合器、连接器、矿用本安型信号转换器等组成，具有全中文显示，能够实现单架控制、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、工作面数据集成及上传、数据分析及信息发布等功能，能够最大限度地满足采煤工作面自动化控制的需要。

1.2 采煤机选型及记忆截割控制系统

1.2.1 采煤机选型

根据已回采工作面情况和现有设备配置，采用7LS8 双滚筒电牵引采煤机，装机功率2925 kW，滚筒直径4 m，滚筒截深0.86 m，重量210 t。

1.2.2 采煤机记忆截割控制系统

由采煤机位置编码器、左右滚筒截割高度传感器、机身倾角传感器、传感检测及截割控制模块等几部分组成，实现工作面记忆截割为主、远程控制为辅的采煤方式。基于采煤机记忆截割为基础，配置惯导系统，可对整体模式、全局参数、局部模式、局部参数进行修正，实现煤机实时状态监测、记忆割煤、远程控制和工作面自动找直等功能。采煤机主要传感器配置如图2。

图2 采煤机主要传感器配置

1.3 工作面运输装备选型及智能控制系统

1.3.1 运输装备选型

根据金鸡滩矿千万吨生产能力要求，研发了首套超大采高煤量变频可弯曲SGZ1400/4800 型智能刮板运输机，功率4800 kW，运输能力6000 t/h，中部槽槽宽1400 mm，创新研制了高可靠性耐磨中部槽，采用Φ56 mm、Φ60 mm 防腐千万吨级链传动系统，转载机采用SZZ1600/1200 型，破碎机采用PCM1200 型齿辊式大块煤连续破碎装置、带可旋转槽体的抗冲压电缆槽，解决了有不连续大块煤条件下超大采高工作面刮板运输系统的智能自适应、可靠、连续运行难题。

1.3.2 智能运输装备控制系统

刮板输送机、转载机、破碎机采用智能变频式可控制程序进行启动，实现变频器和电机自动划分，主机、辅机之间配合工作，启动过程中主机先运行，辅机跟随变频主机实施运转，可以实现设备集中顺序启停控制，提高设备的可靠性和稳定性。工作面刮板输送机、转载机、破碎机采用综合在线检测集中控制系统，针对“三机”设备动力部分散的情况，通过传感器等设备实现运行数据在线工况检测、预警停机等功能集中显示，完成自动伸缩机尾链条张紧力控制，通过安装专用压力传感设备，能够很好地控制张紧程度，同时保持张紧的稳定性。

1.4 工作面供液设备选型及智能供液系统

1.4.1 供液设备选型

选用一套BRW630/37.5 型乳化液泵站，五泵二箱，三用两备，最大输出工作压力37.5 MPa，正常工作压力不小于30 MPa，公称流量≥630 L/min，功率5×450 kW。选用一套BPW516/16 型喷雾泵站，该泵站由四台泵两个水箱组成，三台泵工作，一台泵备用，工作压力16 MPa，公称流量≥516 L/min，功率3×160 kW。

1.4.2 智能供液系统

智能供液技术是实现智能化开采重要组成部分，智能供液技术原理如图3。在获得采煤机、刮板输送机和液压支架自动跟机参数条件，通过计算液压支架自动跟机移架动作时的流量需求，电液控制系统内的程序能够提前预知液压支架的动作次序。当工作面内液压支架执行跟机自动移架动作之前，可以根据总流量需求函数转为自动控制信号传递给综采工作面智能供液系统，达到工作面液压支架跟机移架动作时所需要供液压力，自动供液系统将自动进行变频调节，从而完成工作面液压支架自动跟机移架等成套动作。

图3 智能供液系统控制技术原理

2 超大采高综采智能工作面集中控制系统

为实现超大采高综采智能工作面设备的集中控制，加强综采工作面设备的三机协同控制、设备联动启停功能，首先必须建立一套综采工作面集控中心系统，使各设备之间实现数据信息交互，所有设备执行机组都可由集控中心统筹协调控制。

如图4 所示，12-2 上104 综采工作面采用SAC型电液控制系统和SAM 型自动化系统，建立一套以地面/顺槽集控中心为核心，工作面视频、以太网、“5G”网络、音频信号、远控为基础的“远程遥控式”集中智能化控制系统，实现在井下监控中心对液压支架、采煤机、刮板输送机、转载机、破碎机、开关等综采设备进行远程操控、数据工况监测及“一键启停”等功能，并协调各设备的相互衔接，达到工作面智能化开采的目的。

图4 工作面集控中心控制图

3 工业性试验

金鸡滩煤矿12-2 上104 超大采高智能化示范采煤工作面，液压支架配备电液控制系统，安装人员接近保护系统，实现自动跟机移架、自动补液、自动反冲洗、移架报警、收伸护帮、自动推溜、成组程序化拉后溜；刮板输送机具有断链保护、自动控制和远程控制；采煤机具备运行工况及姿态检测、机载无线遥控、记忆截割、“三角煤”机架协同控制割煤、故障诊断等功能；乳化液泵站可实现变频恒压供液，液位、油位、系统压力、配液状态、故障保护状态、泵组油位、油压、油温等参数实时在线监控分析等功能；可视化集控系统可实现液压支架、刮板运输机、转载机、破碎机、乳化液泵站等设备数据实时在线监测分析，具有跟机视频功能。打造“以工作面自动控制为主，远程干预控制为辅”的智能开采新模式。

工作面自正常生产以来，经过12 个月的生产验证，工作面智能化常态运行，采煤机记忆截割率达到95%，支架自动跟机率达到95%，一直保持较高的生产效率。日平均产量7.9 万t，正常生产中仅需工班长1 人、煤机司机1 人、电工1 人、支架操作工1 人、运输机司机1 人、端头维护工1 人，共计6 人，达到了减人提效的目的，实现了高产高效，智能化水平达到国内领先水平。

4 结论

（1）超大采高配套设备及智能集中控制系统在金鸡滩矿成功应用，为相似地质条件煤矿提供了重要的技术支持。

（2）金鸡滩煤矿12-2 上104 综采工作面是兖矿能源第一个超大采高一次采全高智能化工作面，工作面最高月产量202 万t，具备年产量1000 万t的生产能力，工作面内人数减至7 人，成功达到了减员提效、保安全的目的。