邢旭東，張永杰，刁宗憲，盧甲斌，鄭祥奇，王波

(北京天地華泰礦業(yè)管理股份有限公司， 北京 100013)

0 引言

目前我國已經(jīng)建成200多個智能化綜采工作面，智能化綜采工作面基本能夠達到“機械化換人、智能化減人”的目標[1-5]。但是總體來說，現(xiàn)階段智能化工作面技術(shù)尚不成熟，在關(guān)鍵技術(shù)上還存在許多問題需要解決[6-8]。學者們對智能開采技術(shù)進行了研究，取得了一定成果。王國法等[9]展望了綜采智能化發(fā)展的重點方向，指出智慧煤礦是智能化開采發(fā)展升級的趨勢。王峰[10]提出了以煤層透明化、綜采裝備透明化、決策及控制透明化為核心的基于透明工作面的智能化開采概念，可為最終實現(xiàn)無人化開采奠定堅實基礎(chǔ)。郭浩[11]研究了綜采工作面超前支護智能控制方式，實現(xiàn)了對初撐力設(shè)定值及移動步距的預測，以及巷道支護過程中整體裝備的降架、移架、升架，同時解決了裝備移架過程中支撐力的波動問題。

現(xiàn)有研究大多是從宏觀上研究智能化綜采技術(shù)發(fā)展規(guī)律，沒有具體分析智能化綜采工作面實際運行現(xiàn)狀及建設(shè)規(guī)劃。在技術(shù)不成熟而需求擴張的情況下，亟需對當前智能化綜采工作面的應(yīng)用情況進行有效評價，總結(jié)智能化綜采工作面現(xiàn)場應(yīng)用經(jīng)驗，優(yōu)化采煤工藝，提高智能化綜采的技術(shù)水平，為其他煤炭企業(yè)提供參考。因此，筆者以內(nèi)蒙古鄂爾多斯新能礦業(yè)集團王家塔煤礦2S103智能化綜采工作面為例，分析智能化綜采工作面的具體實現(xiàn)方案和應(yīng)用效果，總結(jié)存在的技術(shù)難題。

1 2S103工作面概況

2S103智能化綜采工作面是王家塔煤礦的首個智能化綜采工作面，在2017年9月立項并實施建設(shè)，于2018年12月進入試生產(chǎn)階段。2S103工作面埋深為170.3～240 m，位于2-2下煤南一盤區(qū)，推進長度為1 440 m，工作面長度為260 m；煤層厚度為2.8～3.79 m，平均厚度為3.18 m；工作面沿南北方向布置，整體呈單斜構(gòu)造，煤層傾角為1～3°，平均傾角為2°；工作面布置有膠帶運輸巷與輔助運輸巷，膠帶運輸巷用于回風和煤炭運輸，輔助運輸巷主要用于進風、運送材料、行人及機電設(shè)備布置。

2 王家塔煤礦智能化綜采工作面建設(shè)

根據(jù)2S103工作面實際情況，研究了刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機智能變頻調(diào)速方案，確定了穩(wěn)定的智能調(diào)速方案；根據(jù)記憶截割、支架自動跟機移架情況，確定了兼顧工作面工程質(zhì)量、人員投入的采煤工藝；實現(xiàn)了地面一鍵啟動、采煤機記憶截割、自動跟機移架、刮板輸送機智能調(diào)速、自動集成供液[12]等功能，并對設(shè)備進行針對性改造，保證了智能化綜采工作面的穩(wěn)定、高效運行。

2.1 智能變頻調(diào)速方案的研究與應(yīng)用

考慮到智能化綜采工作面的節(jié)能高效與綠色環(huán)保的建設(shè)目標，需要對刮板輸送機和轉(zhuǎn)載機進行聯(lián)動調(diào)速。根據(jù)工作面實際情況，共提出3種變頻調(diào)速控制方案，并比較3種方案的運轉(zhuǎn)效率和電能消耗，最終確定理想的調(diào)速方案。

通過實時掃描的煤流量、采煤機速度、采煤機位置、采煤機電流、刮板輸送機電流等主要參數(shù)，確定相應(yīng)的權(quán)值，計算刮板輸送機變頻調(diào)速的綜合評判指標A：

(1)

(2)

Ae=A1eK1+A2eK2+A3eK3+A4eK4

(3)

同理，通過煤量掃描儀動態(tài)掃描得到煤量，結(jié)合轉(zhuǎn)載機轉(zhuǎn)矩，計算轉(zhuǎn)載機變頻調(diào)速的綜合評判指標B：

(4)

(5)

Be=B1eL1+B2eL2

(6)

綜合評判指標與對應(yīng)轉(zhuǎn)速關(guān)系見表1。

表1 綜合評判指標與對應(yīng)轉(zhuǎn)速關(guān)系Table 1 Relationship between comprehensive evaluation indexes and corresponding speed

方案1：通過對綜合評判指標A,B進行判斷后，根據(jù)評判指標的動態(tài)變化對刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機分別進行相應(yīng)的變頻調(diào)速。在實際運行過程中，由于轉(zhuǎn)載機存在調(diào)速滯后的現(xiàn)象，導致轉(zhuǎn)載機過載停機多次，影響正常生產(chǎn)，導致生產(chǎn)效率下降。

方案2：通過對綜合評判指標A進行判斷后，根據(jù)評判指標的動態(tài)變化對刮板輸送機進行相應(yīng)調(diào)速。轉(zhuǎn)載機在高速模式下定速運行，因此，在實際運行中，不存在轉(zhuǎn)載機因調(diào)速滯后過載停機的問題，但轉(zhuǎn)載機不能根據(jù)相應(yīng)的負荷量進行變頻調(diào)速。

方案3：通過對綜合評判指標A,B進行判斷后，根據(jù)評判指標的動態(tài)變化對刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機分別進行相應(yīng)調(diào)速。增加轉(zhuǎn)載機與刮板輸送機速度比較判斷模塊，當轉(zhuǎn)載機運行速度低于刮板輸送機時，將轉(zhuǎn)載機速度調(diào)整為刮板輸送機的運行速度;當轉(zhuǎn)載機運行速度高于刮板輸送機的運行速度時，按當前速度運行。實際運行中，沒有出現(xiàn)轉(zhuǎn)載機因調(diào)速滯后而過載停機的情況，同時也保證了轉(zhuǎn)載機的聯(lián)動調(diào)速運行。

3種方案的周噸煤電耗統(tǒng)計結(jié)果見表2。方案2與方案1的周噸煤電耗基本持平，與定速運行方案相比，降低了約9.78%，達到了良好的節(jié)能效果。方案3的周噸煤電耗比方案2降低4.83%，比定速運行方案降低14.61%。

表2 周噸煤電耗統(tǒng)計結(jié)果Table 2 Statistic results of electricity consumption per ton of coal per week

實際運行效果和噸煤電耗統(tǒng)計分析結(jié)果表明，方案3成功解決了轉(zhuǎn)載機因調(diào)速滯后而過載停機的問題，同時也保證了轉(zhuǎn)載機的聯(lián)動調(diào)速運行，避免了刮板輸送機輕載或空載時刮板鏈仍以額定鏈速運行的情況，達到了較理想的節(jié)能降耗效果，為目前最理想的調(diào)速方案。

此外，通過投入使用刮板輸送機自動張緊裝置，同時有效利用變頻器的軟啟動特性實現(xiàn)控制，大大降低了刮板、鏈條、中部槽等設(shè)備的磨損，延長了設(shè)備使用壽命。特別是對轉(zhuǎn)載機和刮板輸送機鏈輪的磨損降低了50 %以上，每年可降低采購費用100萬元左右，按照每年發(fā)生3次大的刮板輸送機斷鏈事故(影響6個小班的生產(chǎn))計算，至少可提高原煤產(chǎn)量5萬t，效益可觀。

2.2 智能化采煤工藝優(yōu)化

減人增效是智能化綜采工作面的一大目標。因此，在確定采煤工藝時，需在保證工作面工程質(zhì)量和滿足設(shè)備運行需要的前提下，盡量減少人工投入。本文以工程質(zhì)量和人工投入作為衡量指標，對各采煤工藝進行評分。工程質(zhì)量和人工投入的分值各占50%，均為50分。

考慮到區(qū)隊作業(yè)地點、生產(chǎn)條件等差異造成的管理難度不同，工程質(zhì)量評價引入管理難度系數(shù)概念。工程質(zhì)量得分計算公式：工程質(zhì)量得分=(驗收得分+工程觀感分-日常檢查工程質(zhì)量類問題平均扣分-其他扣分)×管理難度系數(shù)。驗收得分包括頂板管理得分與工作面質(zhì)量管理得分，其中頂板管理得分占60%。工程觀感分即考核小組到采煤工作面檢查時對工作面工程質(zhì)量的整體觀感印象得分，在進行采煤工作面工程質(zhì)量驗收與等級評定時，均考慮工程觀感得分情況。管理難度系數(shù)大小取決于是否臨近采空區(qū)、俯(仰)采坡度、工作面涌水量、受構(gòu)造影響程度、受災(zāi)害防治影響程度等因素。

人員投入僅考慮采煤機和液壓支架的操作人員，在規(guī)定時間內(nèi)，勞動人數(shù)越多，得分越少。人員投入得分計算公式：人員投入得分=人數(shù)得分×操作時間得分。采用記憶截割、自動移架時所需人數(shù)最少，為1人，設(shè)人數(shù)得分為100；均采用手動模式時所需人數(shù)最多，為5人，設(shè)人數(shù)得分為20；人數(shù)為2～4時，得分分別為80，60，40。操作時間單位為小時，試驗時間為8 h，每小時為1分。所有得分按50分折合。

開始試驗時，通過人工操作割兩刀煤，以保證記憶割煤的前期數(shù)據(jù)采集，所用時間為1.5 h，后續(xù)試驗所用時間為6.5 h。當遇到機電設(shè)備故障等特殊情況時，扣除故障時間并進行折合。每組試驗進行5次，以防止偶然誤差，計算5次試驗的平均值。

以工程質(zhì)量和人工投入為衡量指標，對試驗結(jié)果進行統(tǒng)計分析后發(fā)現(xiàn)，采用以下工藝割煤時評分最高(83.13分)：記憶截割、自動跟機移架5 h，然后人工操作割煤1.5 h。這種記憶截割、自動跟機移架、人工調(diào)整相結(jié)合的采煤工藝可兼顧工作面工程質(zhì)量、人員投入，因此，最終確定該方案為最佳方案。

采用記憶截割、自動跟機移架方式時，割三角煤工藝流程如圖1所示。其中1～29表示支架號,上、下表示方向，如“下1”表示第1個工序是下行，即從機尾向機頭方向割煤。機頭三角煤割煤工藝一個循環(huán)共分為9個工藝段。該工藝已在實際生產(chǎn)過程中成功應(yīng)用。

圖1 割三角煤工藝流程Fig.1 Triangular coal mining process

當遇到過斷層等特殊構(gòu)造時，控制系統(tǒng)無法預見性地進行提前拉架，因此，確定采用以人工移超前支架為主、自動跟機移架為輔的移架模式。通過人工調(diào)整進行超前拉架，及時對前移支架閉鎖，避免自動跟機過程中支架再次抬底、降柱，同時通過程序設(shè)定保證支架自動跟機的正常運行，避免破壞已穩(wěn)定的上覆巖層。

2.3 針對性的設(shè)備改造

針對采煤機進行以下改造：采煤機內(nèi)循環(huán)水路及水路防護裝置改造；采煤機加高拖纜裝置改造；采煤機位置同步傳感器防護裝置改造；采煤機破碎機調(diào)高油缸鎖防護裝置改造；搖臂油池排放塞防護改造；采煤機破碎機內(nèi)水路引導改造。

針對液壓支架進行以下改造：設(shè)計末采用絞盤加高裝置；加設(shè)推移油缸安全閥保護裝置；在工作面兩端頭各處設(shè)置電纜吊掛裝置；設(shè)計風巷超前支架電纜托架；設(shè)計推移油缸鎖及安全閥防護板；設(shè)計端頭支架電纜自動升降裝置等。

對集成供液系統(tǒng)的水源過濾方案進行優(yōu)化，即采用二次過濾方式，使該工作面至末采結(jié)束時僅更換了1個支架過濾器濾芯，電液控制系統(tǒng)故障率僅為3%，僅此一項每年至少節(jié)約配件費30萬元(不包含間接效益)。

上述改造提高了設(shè)備的安全性、實用性和檢修效率，消除了大量安全隱患，對智能化綜采工作面的推廣和使用具有十分積極的作用。

3 智能化綜采工作面應(yīng)用效果分析

對比發(fā)現(xiàn)，2S103智能化綜采工作面在噸煤電耗、割煤效率、反滲透用水量、人員投入及中小修費用等方面均優(yōu)于王家塔煤礦其他綜采工作面，在節(jié)能、減員、降材方面取得了一定的效果。

(1) 噸煤電耗。在2020年3—6月生產(chǎn)過程中，智能化綜采工作面與普通綜采工作面總電耗、噸煤電耗情況對比如圖2所示。智能化綜采工作面總耗電量為35～49.18 kW·h，噸煤電耗為2.54～2.68 kW·h，平均噸煤電耗為2.62 kW·h；普通綜采工作面總耗電量為30.27～99.73 kW·h，噸煤電耗為2.72～2.87 kW·h，平均噸煤電耗為2.8 kW·h。智能化綜采工作面平均噸煤電耗較普通綜采工作面降低6.43 %，實現(xiàn)了節(jié)能增效的效果。

圖2 耗電量對比Fig.2 Comparison of electricity consumption

(2) 割煤效率。2020年4月中班期間智能化綜采工作面(2S103)、普通綜采工作面(2S203)割煤刀數(shù)如圖3所示。2S103，2S203工作面長度分別為260，242 m；平均采高分別為3.18，3.45 m；2個工作面均采用端部斜切進刀、雙向割煤工藝；2S103，2S203工作面單班一個月平均割煤刀數(shù)分別為10.3，9.47。智能化綜采工作面單班割煤效率比普通綜采工作面提高了9.5%。

圖3 割煤刀數(shù)對比Fig.3 Comparison of coal cutters

(3) 反滲透用水量。2020年3—6月檢修班+生產(chǎn)班在智能化綜采工作面與普通綜采工作面的反滲透用水量對比如圖4所示。智能化綜采工作面反滲透用水量為234～442 m3，平均值為365.25 m3；普通綜采工作面反滲透用水量為425～1 047 m3，平均值為682 m3。智能化綜采工作面平均反滲透用水量較普通綜采工作面降低46.44 %，實現(xiàn)了高效節(jié)能的效果。

圖4 反滲透用水量對比Fig.4 Comparison of reverse osmosis water consumption

(4) 人員投入。智能化綜采工作面檢修班出勤23人，生產(chǎn)班出勤9人，遇到過斷層等特殊構(gòu)造時生產(chǎn)班出勤12人；普通綜采工作面檢修班出勤30人，生產(chǎn)班出勤16人。與普通綜采工作面相比，智能化綜采工作面檢修班、生產(chǎn)班出勤人數(shù)分別減少7人、4人，達到了減人增效的效果。

(5) 中小修費用。2019年3—6月，智能化綜采工作面與普通綜采工作面中小修費用對比見表3。普通綜采工作面中小修費用合計為104.1萬元，月平均26.03萬元；智能化綜采工作面中小修費用合計為44.19萬元，月平均11.05萬元。智能化綜采工作面的中小修費用比普通綜采工作面降低14.98萬元/月，降低了57.55%。

表3 中小修費用對比Table 3 Comparison of small and medium repair costs

通過以上分析可知，現(xiàn)階段智能化綜采工作面建設(shè)實現(xiàn)了工作面自動化生產(chǎn)、少人化操作，減少了停產(chǎn)時間，提升了生產(chǎn)效率，降低了能源消耗。

4 智能化綜采工作面存在的技術(shù)難題

雖然智能化綜采工作面具有減人提效的優(yōu)勢，但在實際應(yīng)用中仍存在諸多問題。

(1) 遙控器與采煤機的通信信號影響采煤機泵站的啟停，且遙控器上沒有采煤機運行模式(自動截割模式、手動模式和學習模式)一鍵切換按鈕，不方便操作。

(2) 轉(zhuǎn)載機自動張緊裝置使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)壓力忽高忽低的現(xiàn)象，造成轉(zhuǎn)載機自動張緊伸縮油缸來回運動，轉(zhuǎn)載機過載停機多次。

(3) 刮板輸送機功率平衡調(diào)整不及時，需調(diào)整刮板輸送機運行程序中煤量掃描精度、程序反應(yīng)時間、傳感器精度來實現(xiàn)刮板輸送機功率快速調(diào)整。刮板輸送機機尾有飄高趨勢或已飄高時，視頻檢測系統(tǒng)檢測不到，且需要人工進行調(diào)整。

(4) 由于在實際割煤過程中每刀煤的割煤工藝都存在一定變化，在遇到特殊構(gòu)造、頂板破碎等特殊情況時，記憶截割和自動跟機移架無法正常運行，需人工干預。當調(diào)整刮板輸送機時，智能采煤系統(tǒng)無法判斷具體是機頭側(cè)還是機尾側(cè)進行超前割煤，支架無法自動打出側(cè)護板進行大腳方向調(diào)整，不能針對可能出現(xiàn)的頂板破碎、咬架等現(xiàn)象自動做出防御性動作。只有增加人工干預程度，才能保證達到工程質(zhì)量“三直(刮板輸送機直、煤壁直、支架直)、一平(頂?shù)装迤?、兩暢通(上下出口暢通)”的要求。

(5) 集中控制系統(tǒng)中視頻圖像僅有顯示功能，數(shù)據(jù)僅用于調(diào)度室實時顯示，缺少邏輯計算和大數(shù)據(jù)分析，無法進行預見性操作，以保證安全生產(chǎn)。工作面視頻監(jiān)控系統(tǒng)偶爾會出現(xiàn)死機、卡屏等現(xiàn)象，需進行系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性優(yōu)化研究。僅通過地面調(diào)度室及輔助運輸工作面集中控制臺進行視頻監(jiān)測不能完全保證遠程操作的安全性，需研制井下智能巡檢機器人來實現(xiàn)無人化操作。

要實現(xiàn)真正的智慧化采煤作業(yè)，需研究智能化分析系統(tǒng)(即智慧“大腦”)，使其具備較完善的自學習、自分析、自決策功能，同時提高各類傳感器的可靠性和有效性。傳感器將數(shù)據(jù)實時上傳給“大腦”，“大腦”根據(jù)工作面情況調(diào)整割煤工藝，轉(zhuǎn)載機、刮板輸送機自動調(diào)速，一個割煤循環(huán)后，超前支架、轉(zhuǎn)載機、輸送帶、設(shè)備列車自動移動。

現(xiàn)階段煤巖識別技術(shù)、采煤機三維定位和工作面自動找直技術(shù)[13]仍是實現(xiàn)采煤機記憶割煤的關(guān)鍵技術(shù)難點，還需要深入研究。同時智能化建設(shè)還需進一步研究安全監(jiān)控系統(tǒng)[14]，實現(xiàn)綜采工作面透明化實時監(jiān)測及異常事件預防、分析和處理，全面提升安全管理水平。

5 結(jié)論

(1) 針對2S103智能化綜采工作面，研究了刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機智能變頻調(diào)速方案，綜合考慮生產(chǎn)效率和噸煤電耗，確定出最佳方案；研究出兼顧工作面工程質(zhì)量、人員投入的采煤工藝，并進行針對性的設(shè)備改造，保證了智能化綜采工作面的穩(wěn)定、高效運行。

(2) 通過對比噸煤電耗、割煤效率、反滲透用水量、生產(chǎn)人數(shù)及中小修費用，得出智能化綜采工作面在節(jié)能、減員、降材方面取得了一定成效。

(3) 總結(jié)了智能化綜采工作面存在的技術(shù)難題，如遇特殊構(gòu)造時的采煤工藝還需改進、視頻監(jiān)控系統(tǒng)的分析功能還需完善等。指出要實現(xiàn)智慧礦山，需積極推進安全監(jiān)控系統(tǒng)、智慧“大腦”等的研究。