吳桐， 尉瑞， 劉清， 魏文艷

(1.北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司, 北京 100013;2.中煤華晉集團(tuán)有限公司 王家?guī)X煤礦, 山西 運(yùn)城 043000)

0 引言

我國(guó)儲(chǔ)量豐富的特厚煤層主要采用綜放開(kāi)采方法[1]。綜放開(kāi)采是一種開(kāi)采緩傾斜特厚煤層和急傾斜特厚煤層的方法[2],其放煤方式有單輪順序放煤、多輪順序放煤和單輪間隔放煤。單輪順序放煤操作簡(jiǎn)單、速度快，但是含矸率高，頂板管理困難。多輪順序放煤頂板管理較好、混矸量低，但是工序復(fù)雜，占用時(shí)間較長(zhǎng)。單輪間隔放煤結(jié)合了單輪順序放煤與多輪順序放煤方式的優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的放頂煤控制主要依靠人工放煤控制，采用單輪順序放煤。配有電液控制系統(tǒng)的工作面主要采用程序控制與人工補(bǔ)放結(jié)合的雙輪順序放煤方式，如果放煤控制實(shí)施不充分，則會(huì)大幅降低煤炭采出率，如果放煤過(guò)程中摻有大量煤矸石，則會(huì)降低煤炭的開(kāi)采質(zhì)量，放煤控制的智能化是制約智能化綜放開(kāi)采的主要技術(shù)瓶頸[3]。

智能放煤控制主要包括2個(gè)方面內(nèi)容：放煤工藝和放煤時(shí)間。放煤工藝研究如何放煤，放煤時(shí)間研究何時(shí)停止放煤[4]。本文主要研究智能放煤工藝，依照單架放煤控制工序，通過(guò)分析智能放煤工藝流程，研究了綜放工作面智能放煤工藝，并定制了智能放煤方案，將其應(yīng)用于山西中煤華晉集團(tuán)有限公司王家?guī)X煤礦，使用綜放工作面智能化控制與人工干預(yù)輔助放煤，為礦區(qū)提高放煤效率、采出率和煤質(zhì)，實(shí)現(xiàn)安全高效開(kāi)采提供參考[5]。

1 綜放工作面智能放煤工藝

1.1 放頂煤工藝

綜放工作面放頂煤控制是指控制放煤出口在尾梁不同角度下完成放煤工作[6],分為手動(dòng)放煤與智能放煤。手動(dòng)放煤:按采煤工藝正規(guī)循環(huán)作業(yè)，放煤工人利用放煤遙控器進(jìn)行放煤，根據(jù)后部刮板輸送機(jī)煤量多少控制放煤量，放煤過(guò)程嚴(yán)格執(zhí)行“見(jiàn)矸關(guān)門(mén)”的原則。智能放煤:移架后，通過(guò)程序設(shè)定，滯后拉移支架5～30架開(kāi)始放煤，通過(guò)振動(dòng)、聲波、視頻等信號(hào)分辨出矸石，從而有效控制支架放煤口進(jìn)行放煤。放煤動(dòng)作時(shí)間的長(zhǎng)短取決于頂煤厚度和冒放性、工作面長(zhǎng)度、輸送機(jī)的生產(chǎn)能力以及支架放煤口的通過(guò)能力等[7]。

1.2 單架放煤控制工序

全工作面放頂煤控制的基礎(chǔ)是單架放煤控制。單架放煤動(dòng)作預(yù)警后，動(dòng)作執(zhí)行順序如下：收插板→收尾梁→伸尾梁→伸插板→放煤動(dòng)作結(jié)束。尾梁與插板的動(dòng)作時(shí)間根據(jù)各自傳感器的數(shù)據(jù)和時(shí)間確定。用傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)動(dòng)作是否到位。伸尾梁階段結(jié)束后，可以進(jìn)行增強(qiáng)放煤控制，即循環(huán)執(zhí)行收尾梁和伸尾梁動(dòng)作，循環(huán)次數(shù)可設(shè)定。單架放煤工序如圖1所示。

圖1 單架放煤工序

1.3 自動(dòng)化放煤工藝流程分析

綜放工作面的放煤工藝與采煤工藝緊密配合[7]。我國(guó)高產(chǎn)高效綜放工作面常用的采煤工藝模式如下：① 端部斜切進(jìn)刀、單向割煤、一刀一放。② 端部斜切進(jìn)刀、雙向割煤、一刀一放。③ 端部斜切進(jìn)刀、雙向割煤、兩刀一放，采放分段平行作業(yè)，采煤機(jī)在工作面下半段割煤，上半段平行放煤，或采煤機(jī)在工作面上半段割煤，下半段平行放煤。3種采煤工藝特點(diǎn)見(jiàn)表1。

表1 常用3種采煤工藝特點(diǎn)

為了提高頂煤采出率，綜放工作面頂煤放出控制包括以下幾個(gè)方面：① 控制放煤口的開(kāi)啟大小和位置。② 控制放煤口開(kāi)啟的時(shí)間和次數(shù)。③ 全工作面各支架放煤口的開(kāi)啟順序。綜放工作面常見(jiàn)自動(dòng)化放煤工藝內(nèi)容見(jiàn)表2。

表2 綜放工作面常見(jiàn)放煤工藝內(nèi)容

若采用多輪放煤工藝模式，如雙輪放煤，第1輪放煤時(shí)，根據(jù)刮板輸送機(jī)能力、頂煤厚度等確定打開(kāi)放煤口的個(gè)數(shù)，每個(gè)放煤口的開(kāi)啟時(shí)間都由采煤機(jī)的位置決定。第1個(gè)放煤口是在滯后采煤機(jī)前滾筒(或后滾筒，視移架位置與采煤機(jī)前后滾筒的關(guān)系而定)5架打開(kāi)，隨著采煤機(jī)向前割煤，依次按一定時(shí)間間隔打開(kāi)最大放煤口數(shù)[8]。當(dāng)?shù)?個(gè)放煤口的開(kāi)啟時(shí)間達(dá)到預(yù)計(jì)單架放煤時(shí)間的1/2時(shí)即自動(dòng)關(guān)閉，并打開(kāi)下一個(gè)放煤口，依此類(lèi)推。

1.4 智能放煤工藝流程

結(jié)合以上自動(dòng)化放煤工藝流程的分析，要想實(shí)現(xiàn)智能放煤工藝需要在自動(dòng)化放煤工藝的基礎(chǔ)上，對(duì)綜放工作面采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)等設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)化的智能升級(jí)[9],也就是在綜放支架上安裝音視頻監(jiān)視系統(tǒng)，工作人員在監(jiān)控中心對(duì)放煤過(guò)程進(jìn)行直觀的監(jiān)測(cè)，可監(jiān)測(cè)是否有大塊煤堵住放煤口、影響頂煤放出等異常情況。在后部刮板輸送機(jī)安裝電動(dòng)機(jī)電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)放落煤流的自動(dòng)控制，同時(shí)具備人工干預(yù)功能，即補(bǔ)放和停放功能[10]。當(dāng)巡視人員發(fā)現(xiàn)某一支架的頂煤尚未放干凈時(shí)，可人工啟動(dòng)該架放煤口進(jìn)行補(bǔ)放，并在補(bǔ)放完畢后關(guān)閉放煤口；當(dāng)發(fā)現(xiàn)某架放煤口在關(guān)閉之前出現(xiàn)竄矸時(shí)，可人工干預(yù)提前關(guān)閉該架放煤口，并能依次啟動(dòng)下一個(gè)未打開(kāi)放煤口，保證同時(shí)打開(kāi)的放煤口數(shù)量滿(mǎn)足要求[11]。在帶式輸送機(jī)機(jī)尾處安裝灰分檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)灰分是否增多進(jìn)行在線分析；在綜放支架上安裝基于振動(dòng)傳感器的煤矸識(shí)別裝置，根據(jù)振動(dòng)傳感器數(shù)據(jù)分辨矸石下落量，辨識(shí)是否有嚴(yán)重混矸情況。在以上完善的智能感知系統(tǒng)基礎(chǔ)上，將感知數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控中心進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，可實(shí)現(xiàn)人工遠(yuǎn)程控制或智能決策，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能放煤。單架智能化放煤流程如圖2所示。綜放工作面智能化放煤工藝流程應(yīng)以圖2所示單架智能放煤流程為標(biāo)準(zhǔn)，并且根據(jù)具體工作面進(jìn)行定制。

為了提高頂煤采出率和智能化放煤控制[10]，至少采用雙輪放煤，第2輪放煤開(kāi)始時(shí)，適當(dāng)減少第1輪放煤口數(shù)量，當(dāng)?shù)?輪放煤全部結(jié)束時(shí)，第2輪放煤口數(shù)量適當(dāng)增加[11]。結(jié)合常用采煤工藝和放煤工藝，將綜放工作面智能化放煤工藝分為以下幾種：① 采煤機(jī)端部斜切進(jìn)刀、雙向割煤、雙輪順序放煤。② 采煤機(jī)端部斜切進(jìn)刀、雙向割煤、雙輪間隔放煤。③ 采煤機(jī)端部斜切進(jìn)刀、雙向割煤、三輪順序放煤。④ 采煤機(jī)端部斜切進(jìn)刀、雙向割煤、三輪間隔放煤。⑤ 采煤機(jī)端部斜切進(jìn)刀、單向割煤、雙輪順序放煤。⑥ 采煤機(jī)端部斜切進(jìn)刀、單向割煤、雙輪間隔放煤。⑦ 采煤機(jī)端部斜切進(jìn)刀、單向割煤、三輪順序放煤。⑧ 采煤機(jī)端部斜切進(jìn)刀、單向割煤、三輪間隔放煤。

圖2 單架智能化放煤流程

順序放煤一般是從機(jī)頭處基本支架開(kāi)始按支架順序進(jìn)行放煤，直至工作面尾部基本支架；間隔放煤一般是從機(jī)頭處基本支架開(kāi)始按單數(shù)號(hào)支架順序放煤，完成后開(kāi)啟雙數(shù)號(hào)支架進(jìn)行放煤,直至工作面尾部基本支架。

在放煤時(shí)間方面，第1輪放煤應(yīng)在移架完成3架后進(jìn)行。第2輪放煤一般滯后第1輪10架支架，按同樣順序進(jìn)行放煤。第3輪放煤一般滯后第2輪放煤10架支架，按同樣順序進(jìn)行放煤。

在放煤量控制方面，雙輪放煤時(shí)，第1輪放煤量為該架總煤量的1/3～1/2，第2輪見(jiàn)矸關(guān)門(mén)。3輪放煤時(shí)，第1輪放煤量為該架總煤量的1/3，第2輪放煤量為該架總煤量的1/3，第3輪見(jiàn)矸關(guān)門(mén)。

2 智能放煤工藝應(yīng)用

本文以王家?guī)X煤礦12309智能化綜放工作面為例研究智能放煤工藝的應(yīng)用。王家?guī)X煤礦12309智能化綜放工作面位于123盤(pán)區(qū)西翼中部，推進(jìn)長(zhǎng)度為1 320 m，寬度為260 m，煤層傾角為-5～+2°，可采儲(chǔ)量為265.3萬(wàn)t[7]。工作面采用單一走向長(zhǎng)壁采煤法和綜合機(jī)械化低位放頂煤采煤工藝，采煤機(jī)兩端頭斜切進(jìn)刀，采煤機(jī)割煤一刀，放煤一次，按一刀一放正規(guī)循環(huán)作業(yè)，采高為3.1 m，放煤高度為3 m，循環(huán)進(jìn)度為0.865 m，采用自然跨落法管理采空區(qū)頂板。在自動(dòng)化放煤工藝基礎(chǔ)上，結(jié)合智能化放煤工藝流程，為王家?guī)X煤礦綜放工作面定制了基于振動(dòng)信號(hào)的煤矸識(shí)別控制和人工放落煤流控制方案,以實(shí)現(xiàn)工作面智能化放煤。

2.1 定制自動(dòng)化放煤工藝

王家?guī)X煤礦12309智能化綜放工作面排頭支架為4架，總支架數(shù)為150架，采用雙向割煤工藝，定制自動(dòng)化放煤工藝為順序放煤和間隔放煤。

2.1.1 順序放煤

(1) 開(kāi)啟1個(gè)放煤口，共1組支架依次向前放煤。當(dāng)采煤機(jī)由機(jī)頭向機(jī)尾割煤，移架至9號(hào)支架時(shí)，由5號(hào)支架依次向機(jī)尾方向放煤至機(jī)尾146號(hào)支架，放煤順序?yàn)?→6→7→…→144→145→146。當(dāng)采煤機(jī)由機(jī)尾向機(jī)頭割煤，移架至142號(hào)支架時(shí)，由146號(hào)支架向機(jī)頭方向開(kāi)始依次向前放煤至機(jī)頭5號(hào)支架，放煤順序?yàn)?46→145→144→…→7→6→5。

(2) 開(kāi)啟1個(gè)放煤口，共3組支架依次向前放煤。當(dāng)采煤機(jī)由機(jī)頭向機(jī)尾割煤，移架至9號(hào)支架時(shí)，放煤由5號(hào)支架開(kāi)始，6號(hào)支架在5號(hào)支架放煤1/3時(shí)間后開(kāi)始放煤，各架放煤均滯后前架1/3的放煤時(shí)間，依次向前放煤推進(jìn)至機(jī)尾146號(hào)支架，放煤順序?yàn)?5→6→7)→(8→9→10)→…→(141→142→143)→(144→145→146)。當(dāng)采煤機(jī)由機(jī)尾向機(jī)頭割煤，移架至142號(hào)支架時(shí)，放煤由146號(hào)支架開(kāi)始，145號(hào)支架在146號(hào)支架放煤1/3時(shí)間后開(kāi)始放煤，各架放煤均滯后前架1/3的放煤時(shí)間，依次向前放煤推進(jìn)至機(jī)頭5號(hào)支架，放煤順序?yàn)?146→145→144)→(143→142→141)→…→(10→9→8)→(7→6→5)。

2.1.2 間隔放煤

(1) 開(kāi)啟1個(gè)放煤口，共1組支架間隔向前放煤。當(dāng)采煤機(jī)由機(jī)頭向機(jī)尾割煤，移架至9號(hào)支架時(shí)，由5號(hào)支架向機(jī)尾方向開(kāi)始依次間隔向前放煤至機(jī)尾145號(hào)支架，放煤順序?yàn)?→7→9→…→141→143→145。當(dāng)采煤機(jī)由機(jī)尾向機(jī)頭割煤，移架至142號(hào)支架時(shí)，由146號(hào)支架向機(jī)頭方向開(kāi)始依次間隔向前放煤至機(jī)頭6號(hào)支架，放煤順序?yàn)?46→144→142→…→10→8→6。

(2) 開(kāi)啟1個(gè)放煤口，共3組支架間隔向前放煤。當(dāng)采煤機(jī)由機(jī)頭向機(jī)尾割煤，移架至9號(hào)支架時(shí)，放煤由5號(hào)支架開(kāi)始，7號(hào)支架在5號(hào)支架放煤1/3時(shí)間后開(kāi)始放煤，各架放煤均滯后前架1/3的放煤時(shí)間依次向前放煤，推進(jìn)至機(jī)尾145號(hào)支架，放煤順序?yàn)?5→7→9)→(11→13→15)→…→(135→137→139)→(141→143→145)。當(dāng)采煤機(jī)由機(jī)尾向機(jī)頭割煤，移架至142號(hào)支架時(shí)，放煤由146號(hào)支架開(kāi)始，144號(hào)支架在146號(hào)支架放煤1/3時(shí)間后開(kāi)始放煤，各架放煤均滯后前架1/3的放煤時(shí)間依次向前放煤，推進(jìn)至機(jī)頭6號(hào)支架，放煤順序?yàn)?146→144→142)→(140→138→136→)…→(16→14→12)→(10→8→6)。

2.2 人工放落煤流控制

放落煤流控制是指在放煤過(guò)程中，根據(jù)后部刮板輸送機(jī)上煤流負(fù)荷的大小自動(dòng)開(kāi)啟、控制放煤工藝操作[12]。當(dāng)后部刮板輸送機(jī)上運(yùn)輸?shù)拿毫鬟^(guò)小時(shí)，開(kāi)啟多架支架進(jìn)行補(bǔ)充放煤；當(dāng)后部刮板輸送機(jī)上運(yùn)輸?shù)拿毫鬟^(guò)大時(shí)，自動(dòng)減少放煤液壓支架數(shù)量,從而使后部刮板輸送機(jī)上運(yùn)輸?shù)拿毫髫?fù)荷始終保持在一個(gè)均勻穩(wěn)定的范圍，以實(shí)現(xiàn)后部刮板輸送機(jī)運(yùn)煤能力最大化[13]。

王家?guī)X煤礦12309智能綜放工作面采取了人工進(jìn)行放落煤流控制方法。放煤過(guò)程中，操作工隨時(shí)監(jiān)聽(tīng)、動(dòng)態(tài)巡視后部刮板輸送機(jī)煤流及放煤工作狀況，及時(shí)反饋或處理管路操作問(wèn)題，實(shí)時(shí)調(diào)整自動(dòng)放煤動(dòng)作參數(shù)，保證放煤系統(tǒng)完好。人工放落煤流控制過(guò)程中需要注意以下3點(diǎn)：

(1) 正常放煤時(shí)，操作人員實(shí)時(shí)監(jiān)控放煤量，使其保持均勻。人工控制放煤時(shí)，操作人員緩慢開(kāi)啟插板，先將插板收回1/3～1/2，讓頂煤緩慢均勻地流入刮板輸送機(jī)中，根據(jù)煤量多少調(diào)節(jié)插板收縮量。通過(guò)尾梁上下擺動(dòng)、插板來(lái)回伸縮放出頂煤，并根據(jù)煤量大小控制尾梁上下擺動(dòng)速度及角度。放煤完畢后，先升尾梁，恢復(fù)到原位，再伸插板。

(2) 放煤操作時(shí)需控制好后部刮板輸送機(jī)的過(guò)煤量，一旦發(fā)現(xiàn)過(guò)載時(shí)，需停止放煤移架操作，防止長(zhǎng)時(shí)間過(guò)載運(yùn)行而壓住后部刮板輸送機(jī)。

(3) 放煤過(guò)程中如遇大塊煤矸,必須用插板破碎，當(dāng)發(fā)現(xiàn)大塊煤或大塊矸石流入后部刮板輸送機(jī)時(shí)，執(zhí)行停機(jī)處理，防止運(yùn)輸過(guò)程中碰壞支架尾梁千斤頂及管路。

2.3 煤矸識(shí)別的應(yīng)用

由于頂煤和矸石的堅(jiān)固性系數(shù)等不同，當(dāng)頂煤和矸石下落到尾梁上時(shí)，產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)會(huì)不同[14]。一般來(lái)說(shuō)，頂煤下落到尾梁時(shí)的振動(dòng)信號(hào)頻率主要集中于100～600 Hz內(nèi)，矸石下落的振動(dòng)信號(hào)頻率主要在1 kHz左右[15]。在王家?guī)X煤礦12309智能綜放工作面液壓支架尾梁上安裝1臺(tái)振動(dòng)傳感器,振動(dòng)傳感器是利用頂煤和矸石下落的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行煤矸識(shí)別的裝置，采集煤矸下落到支架尾梁產(chǎn)生的沖擊振動(dòng)數(shù)據(jù)，并報(bào)送至電液控制系統(tǒng)的控制器，控制器將相關(guān)數(shù)據(jù)報(bào)送至監(jiān)控中心進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，得出尾梁在不同狀態(tài)下的頻率特性，辨識(shí)出放煤過(guò)程煤矸比例的變化，以此作為煤矸識(shí)別的重要依據(jù)，實(shí)現(xiàn)基于煤矸識(shí)別的智能放煤。

本文調(diào)取并分析了12309工作面2020-03-27—31的開(kāi)采及放煤數(shù)據(jù)，如圖3所示。該工作面共生產(chǎn)8刀，工作面中部進(jìn)行了跟機(jī)放煤控制。

圖3 開(kāi)采數(shù)據(jù)分析

從圖3可看出，5 d內(nèi)，中部跟機(jī)與成組開(kāi)采占總開(kāi)采方式的63%，跟機(jī)放煤開(kāi)采方式占23%，工作面跟機(jī)自動(dòng)化放煤功能在生產(chǎn)實(shí)踐中能夠合理有序地配合生產(chǎn)。

跟機(jī)自動(dòng)化放煤過(guò)程中，監(jiān)控主機(jī)記錄了所有支架控制器在不同時(shí)刻的全部動(dòng)作數(shù)據(jù)以及液壓支架尾梁在3種不同狀態(tài)(靜止?fàn)顟B(tài)、煤塊下落狀態(tài)和矸石下落狀態(tài))下的振動(dòng)傳感器數(shù)據(jù)。分別對(duì)56—58號(hào)支架采集的振動(dòng)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖4—圖6所示。

圖4 56號(hào)支架煤矸下落振動(dòng)傳感器數(shù)據(jù)分析

圖5 57號(hào)支架煤矸下落振動(dòng)傳感器數(shù)據(jù)分析

圖6 58號(hào)支架煤矸下落振動(dòng)傳感器數(shù)據(jù)分析

通過(guò)智能放煤監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)分析可知，支架處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，振動(dòng)傳感器數(shù)值為0；煤塊下落狀態(tài)下，振動(dòng)傳感器數(shù)值在20 Hz左右；矸石下落狀態(tài)下，振動(dòng)傳感器數(shù)值為300～800 Hz。通過(guò)數(shù)據(jù)分析，在檢測(cè)時(shí)間內(nèi)的矸石識(shí)別比達(dá)66%，為進(jìn)一步的煤矸識(shí)別技術(shù)研究工作提供了數(shù)據(jù)支撐。

3 結(jié)論

(1) 研究了綜放工作面智能放煤工藝及流程，分析了常規(guī)采煤工藝及自動(dòng)化放煤工藝，在單架循環(huán)放煤工藝的基礎(chǔ)上，增加煤矸識(shí)別檢測(cè)、后部刮板輸送機(jī)過(guò)載信號(hào)檢測(cè)等智能感知手段，制定單架智能放煤工藝流程。

(2) 為王家?guī)X煤礦12309綜放工作面定制智能放煤方案：采用自動(dòng)化順序放煤與間隔放煤工藝和基于振動(dòng)傳感器的煤矸識(shí)別技術(shù)，使用人工和智能放煤結(jié)合的方式提高工作面的采出率。提取并分析實(shí)際應(yīng)用中的開(kāi)采數(shù)據(jù)，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)智能放煤控制提供數(shù)據(jù)支撐。

(3) 王家?guī)X煤礦12309綜放工作面并未使用灰分檢測(cè)和音視頻監(jiān)測(cè)技術(shù)，后續(xù)需要開(kāi)展持續(xù)的智能化放煤研究及試驗(yàn)。