吳少偉

(山西中煤華晉集團有限公司 王家?guī)X礦， 山西 運城 043000)

1 工程概況

王家?guī)X煤礦12309工作面位于123盤區(qū)西翼中部，開采山西組下部2#煤層，煤層均厚6.1 m，含有1～2層夾矸，夾矸層厚度為0.2 m，煤層頂板巖層為粉砂巖和細粒砂巖，底板巖層為泥巖和細粒砂巖。12309工作面采用綜合機械化放頂煤采煤工藝，開采高度為3.1 m，放煤高度為3 m，一采一放，循環(huán)進度0.865 m. 為提升該礦智能化水平，將12309工作面建設(shè)為智能化綜放工作面，進行了智能化開采技術(shù)研究。

2 智能化放煤控制技術(shù)

根據(jù)12309工作面的地質(zhì)特征及開采條件，結(jié)合目前智能化工作面發(fā)展現(xiàn)狀，分別從支架放煤機構(gòu)的精確控制、頂煤精準探測及煤矸識別技術(shù)、自動跟機放煤控制技術(shù)建立工作面智能化放煤控制，具體建設(shè)方案如下：

1) 支架放煤機構(gòu)的精確控制。該機構(gòu)主要包含支架精準位姿監(jiān)測和支架放煤機構(gòu)防碰撞控制兩個部分。

a) 支架精準位姿態(tài)及放煤機構(gòu)監(jiān)測技術(shù)。12309工作面放煤支架設(shè)計時,選用高精度、高可靠性的尾梁行程傳感器和插板行程進一步保障放煤機構(gòu)的精準控制[1-3]. 此外每臺支架還配置了壓力、推移行程、測高、紅外、傾角等傳感器。傳感器在井下監(jiān)測收集到的信息通過以太網(wǎng)傳輸至地面調(diào)度指揮中心，指揮中心能夠?qū)?shù)據(jù)進行顯示、處理和保存等，具體傳感器監(jiān)測軟件界面見圖1.

b) 支架放煤機構(gòu)防碰撞控制技術(shù)。為了實現(xiàn)液壓支架姿態(tài)的精準控制和支護高度監(jiān)測，指導(dǎo)放頂煤工作面生產(chǎn)作業(yè)調(diào)整，在液壓支架頂梁與底座之間安裝高精度的測高傳感器，在尾梁安裝傾角傳感器實現(xiàn)了放頂煤液壓支架整體姿態(tài)和放煤機構(gòu)局部姿態(tài)檢測，防止液壓支架過低現(xiàn)象。尾梁傾角傳感器安裝位置見圖2.

液壓系統(tǒng)中增加降尾梁與收插板聯(lián)動功能。當放煤開始后，優(yōu)先收插板一定時間(或達到設(shè)定行程值)，然后再降尾梁；當放煤結(jié)束后，尾梁升到一定時間或達到設(shè)定行程值后，開始伸插板動作[4-5].

2) 頂煤精準探測及煤矸識別技術(shù)。精準頂煤探測是實現(xiàn)智能化開采關(guān)鍵技術(shù)之一，準確測量出未開采的煤層厚度是煤炭智能開采的必要條件。綜放工作面煤巖分界不能直接觀察到，需要具有穿透能力的雷達技術(shù)才能探測出具有一定厚度的煤層與巖層的分界位置，從而實時控制采放比。由于煤和巖石存在明顯的介電常數(shù)差異，采用脈沖雷達發(fā)射出的信號在兩者的分界處會有較強的反射信號，依此可以較容易地確定出煤巖分界面的位置，計算出頂煤煤層的厚度。該技術(shù)能夠提前預(yù)測放煤量，結(jié)合放煤時間、放落煤矸比例和放煤量指導(dǎo)放煤過程，達到精準放煤。

圖1 傳感器監(jiān)測軟件界面圖

12309工作面頂煤探測傳感器采用探地雷達技術(shù)，采用頻率0.9～8.8 GHz的無線電脈沖技術(shù)，能夠達到探測煤層厚度3 m、探測精度10%的透地測量需求[6]. 12309綜放工作面使用煤矸放落自動識別傳感器，該傳感器采用先進的傳感采樣技術(shù)，對煤矸信號振幅、能力等振動信號處理，通過內(nèi)部的加速度計模塊，對采集的加速度信號進行濾波算法求得物體的振動頻率[6-7].

圖2 尾梁傾角傳感器安裝示意圖

煤矸識別傳感器牢固吸附在液壓支架尾梁處，傳感器另一端直接插在智能放煤控制器指定接口上，安裝時需確保安裝面平整，接觸處無煤灰等雜物，具體煤矸識別傳感器接口及安裝位置見圖3.

圖3 煤矸識別傳感器接口及安裝示意圖

3) 自動跟機放煤控制技術(shù)。液壓支架跟機過程中，增加支架依據(jù)采煤機位置自動放煤功能，同一時間放煤口開關(guān)數(shù)量不大于2個，采煤機從機頭向機尾作業(yè)，液壓支架依次按照跟機移架區(qū)域、跟機伸/收伸縮梁護幫板聯(lián)動區(qū)域、跟機放煤區(qū)域、跟機推溜區(qū)域進行自動動作，具體跟機放煤工藝見圖4.

3 智能化開采技術(shù)

3.1 智能化開采方案

12309智能工作面綜合采用輸送機負荷監(jiān)測技術(shù)、液壓支架精確控制放煤機構(gòu)、智能化綜放面三機工況檢測與控制技術(shù)、智能化綜放工作面直線度控制技術(shù)、系統(tǒng)定位及防碰撞安全保障技術(shù)、成套裝備大數(shù)據(jù)專家系統(tǒng)技術(shù)。工作面主要配備負荷監(jiān)控(煤量掃描裝置+負荷監(jiān)測平臺)、三機工況監(jiān)測與控制、系統(tǒng)定位及防碰撞設(shè)備，工作面設(shè)備配置情況見表1.

圖4 跟機放煤工藝圖

表1 工作面設(shè)備及系統(tǒng)明細表

12309智能化綜放工作面形成了以“前部記憶截割、后部智能放煤，遠程集中控制”的采放協(xié)調(diào)生產(chǎn)模式，工作面人員布置見圖5. 生產(chǎn)作業(yè)方式采用“四六”制生產(chǎn)組織方式，按照日推進10刀的正規(guī)循環(huán)組織生產(chǎn)。

圖5 工作面人員布置圖

工作面巡檢工、機頭機尾超前支護工、 監(jiān)控員及遠程放煤監(jiān)控工，其崗位職責(zé)包括：

1) 工作面巡檢工：包括液壓支架和采煤機巡檢工，其工作內(nèi)容主要是在開采時觀察設(shè)備運行情況，發(fā)現(xiàn)問題緊急停機，并聯(lián)系人員共同解決問題；原工作面后部放煤操作由放煤巡檢工完成，工作面放煤巡檢工主要監(jiān)測跟機放煤、記憶放煤過程，監(jiān)測大塊頂煤情況。

2) 監(jiān)控員及遠程放煤監(jiān)控工：遠程放煤監(jiān)測工負責(zé)監(jiān)測支架動作，同時通過視頻、數(shù)據(jù)等信息觀察工作面的運行狀態(tài)，根據(jù)遠程監(jiān)測放煤機構(gòu)動作情況補放，預(yù)判運輸機負荷，提前干預(yù)放煤口數(shù)量控制，進行工作面智能化開采；采煤機監(jiān)控員主要負責(zé)綜采設(shè)備的啟停、遠程人工干預(yù)采煤機進行各項動作。

3) 超前支架工：機頭進風(fēng)巷和機尾回風(fēng)巷分別配備兩名超前支架工，一人的主要職責(zé)是在超前支架移架過程中對支架自移不到位等情況進行調(diào)整，另一人負責(zé)對操作人員的安全情況進行監(jiān)視和指揮；同時超前支架工還負責(zé)兩巷的物料回收等工作。

3.2 應(yīng)用效果分析

12309工作面智能化開采系統(tǒng)經(jīng)過6個月調(diào)試和運行，自動化生產(chǎn)設(shè)備運行穩(wěn)定，實現(xiàn)全工作面自動化跟機作業(yè)的常態(tài)化、 采放工藝協(xié)同、智能化放煤。原工作面圓班人員100人，工作面工效為 145 t/工，減至目前井下65人+地面10人開采模式，圓班75人，工作面工效提升為181 t/工，達到了礦井減員提效的目的，同時將職工從操作工變?yōu)檠惨暪?，并從危險的作業(yè)現(xiàn)場解放到相對安全的監(jiān)控中心，提高了生產(chǎn)作業(yè)安全性。

采用智能化綜放技術(shù)后，生產(chǎn)能力提高了96萬t/a. 按照目前煤炭價格725元/t,年增加產(chǎn)值69 600萬元。每噸煤成本151元，年增加利潤55 104萬元。

4 結(jié) 論

王家?guī)X煤礦12309工作面地質(zhì)特征、開采條件及智能化設(shè)備現(xiàn)狀，利用支架放煤機構(gòu)的精確控制、頂煤精準探測及煤矸識別技術(shù)、自動跟機放煤控制技術(shù)建立工作面智能化放煤控制系統(tǒng)，形成“前部記憶截割、后部智能放煤，遠程集中控制”的智能綜放工作面。