现代化矿井智能升级案例及经济性分析

连二堂

（长治市上党区能源局， 山西 长治 047100）

0 引言

在现代工业高速发展的当下，煤炭资源在能源产业中仍然承担着重要职责，新时期要求，智能化矿井建设也在如火如荼地进行着。为了能够全面提升煤炭工业的开采效率降低开采成本，煤矿企业应立足于自身，不断推动综采工作面技术与设备的工业化、自动化、智能化改造，向新型现代化矿井建设的目标不断前进，积极适应时代发展需求。基于此，笔者重点分析了综采工作面智能化技术与设备的井下应用，经过对比发现产生了良好的效益，改善了传统煤矿开采受限于人力而导致的开采效率较低、存在安全隐患等问题[1]。

随着智能化技术和设备逐步在综采工作面的应用，不但有效提高了开采效率和质量，同时还降低了开采风险和成本，为安全开采保驾护航，对于推动煤矿行业整体的现代化改造建设和智能化发展水平的提升意义重大[2]。

1 智能化采煤系统建设

煤矿工业发展的初期阶段，由于经济条件所限，工作面布置较为简单，现代化水平较低。开采所使用的机械设备笨重且效率低下，多种因素造成开采系统缺乏稳定性，不利于开采工作的高效展开。现阶段，我国工业化发展迅猛，煤炭企业有必要开展智能化的建设工作，而实现工作面系统和设备的高效管理是智能化矿山建设的首要一步。

笔者针对现有的长壁式综合机械化一次采全高的采煤工作面，通过智能化综采系统将每个独立的设备连接为一个整体，在集控中心对采煤设备进行统一操控和精准管理，做到整体的高度智能化运作[3-4]。智能化综采系统结构如图1 所示，主要包括矿井环网、井下巷道监控设备及工作面各个系统。

图1 智能化综采系统结构

2 智能化采煤设备概述

建设智能化自动采煤集控系统可以实现综合化自动采煤的目标，需要对各项设备及系统做到全天候监测及自动控制，可以完成远程开采任务的同时做到及时人工干预[5]。建成投产后，采煤工作面上的作业人员大幅减少，不但提高了开采效率，还提升了井下安全系数，保证安全高效开采。对此，主要智能化设备如表1 所示。

表1 综采工作面主要设备选型及技术特征

2.1 智能化采煤机

智能化采煤机可以通过多传感器融合感知、自主截割、数据远程传输及监测技术来实现智能化作业。结合煤层的硬度、夹矸、工作面采高等情况，笔者对工作面选用型号为MG450/1020-QWD 的电液控无链电牵引采煤机，其中无链电牵引采煤机是其核心构成，可以实现往复循环割煤，见图2。采煤机主要技术参数如表2 所示。

表2 采煤机技术特征

图2 采煤机智能割煤

为满足本矿年产0.90 Mt/a 的生产任务，本工作面的日产量要保证在1 800 t 左右。采煤机的平均生产能力可用公式（1）计算：

式中：Qm为正常条件下采煤机平均生产能力，t/h；H为工作面煤层平均厚度，取3.04 m；B:采煤机滚筒截深，取0.8 m；vC为采煤机工作期间平均牵引速度，取3.1 m/min；γC为煤的容重，取1.4 t/m3；C为工作面采出率，取0.95。

由此可得采煤机平均生产能力Qm=60×3.04×0.8×3.10×1.40×0.95=602 t/h。

采煤机设计最大生产能力按公式（2）计算：

式中：Qmax为采煤机设计最大生产能力，t/h；K为采煤机割煤不均衡系数，取1.2。

由此可得采煤机最大生产能力Qmax=1.2×602=722 t/h。

2.2 液压支架

随着电液控制技术的日益稳定，为实现井下液压支架智能化控制、自动调直等技术对工作面的自动化放煤、移架、喷雾等作业，笔者对本工作面煤层选用的是ZZD8500/19/38 型液压支架，总计6 部，具体参数如表3 所示。

表3 ZZD8500/19/38 液压支架技术特征

液压支架支护强度根据公式（3）计算：

式中：p为支护强度，kN/m2；n为岩重倍数，以中等稳定、中等坚固的岩石为界，取6；M为煤层最大高度，取3.6 m；γr为顶板岩石容重，取25 kN/m3。

由此可知液压支架的支护强度为p=720 kN/m3=0.72 MPa。

2.3 可弯曲刮板输送机

刮板运输机组主要包括破碎机、转载机和运输机，通过智能调速、链条张力自动控制技术完成对煤块的破碎、装载和运输。据此，笔者对本工作面刮板输送机选用型号为SGZ800/2×400 的电液控可弯曲刮板输送机，主要技术参数如表4 所示。

表4 刮板输送机技术特征

一次采全高刮板输送机输送能力可用公式（4）—式（6）计算：

式中：Q运1为刮板输送机运输能力，t/h；QK1为输送机装载不均衡系数，1.5；K2：设备修正系数；Q运2为刮板输送机最大运输能力，t/h；ve、vc分别为刮板输送机链速和采煤机平均割煤速度，方向相同时取“-”,相反取“+”；K3为煤层倾角及运输方向的系数；K为能力富裕系数，取1.2。

由此可知：Q运1=1.5×［0.86/（0.86±4.76）］×0.9×602=167 t/h，Q运2=1.2×722=866 t/h。

3 智能化设备使用效果

通过实施矿井工作面智能化的改造与建设，本智能化工作面可实现日均产煤达0.3 万t 的生产目标，最高可达0.6 万t。此外，采煤机自动截割率大于92%，最高可达100%。液压支架自动跟机率普遍大于96%，最高达98.97%，产生了以下良好效应。

3.1 经济效应

综采工作面经过智能化改造后，机械设备自动化水平显著得到提升，劳动力得到充分释放，生产效率得到改善。作业人员从原来每班需要15 人减至5 人，由此每年可节约出的人力成本达300 万元左右。各个机械设备在智能系统的科学调度调配下，能够有效解决空转的问题，不但节约了能耗，还提高了机器的运转效率。除此之外，设备在智能系统和工作人员的实时监测之下，有故障发生时可以迅速做出反应，停止工作发出警报，从而减少了设备的故障发生率和维修成本，每年可节约维修成本约60 万元。

3.2 规模效应

经过智能化设备的应用，矿井的产能和煤炭资源储备大幅增加，极大地促进了企业建设煤炭集团的战略部署。改造后，煤炭总产量可达到8000 万t，矿井产量可达到1 100 万t 以上。未来目标是将区域内分散的几大矿区全部整合建成千万吨级的高标准现代化集团，煤炭产量可达1 亿t 以上。

3.3 安全效应

由于过去的条件限制，井下作业只能依赖人工，尤其高危区域，事故隐患极大。依托各项智能化设备和技术之后，危险或者重要的区域就可以实现无人化工作和管理，不但可以规避人为操作的失误，减轻工作强度和难度，还极大减少了人员伤亡。各类事故发生率降低60%以上，安全隐患整改率达到95%以上，为长期的安全生产提供了硬件基础。

3.4 管理效应

通过智能系统的应用，使煤矿的一体化管理能够得以实现，借助平台可以在三维图中直观、明了地获取各类信息，并且对于资源和信息的调控能力大幅提升，矿井整体的管理水平和效率有了质的飞跃。

3.5 嫁接效应

为了能够积极、快速掌握智能化设备的使用，通过“帮、传、带”的机制，借调有经验、技术过硬的专业人才到井下进行现场教学指导，以提高技术水平和操作技能。此外，选派骨干进行学习进修，不仅可以化解人才断层带来的挑战和压力，还可以实现人才接续，做到硬件和软件同步、协调发展，为现代化矿井的建设做到人员保障。

4 结语

智能化开采的重要性不言而喻，智能化设备和技术的系统运用对矿井的生产安全和生产效率有着至关重要的影响。在工业化发展愈加激烈的市场竞争中，要紧跟时代脚步，继续加强对综采工作面智能化应用的不断深入研究和改进，为全面建成新型现代化、高标准矿井继续奋进。