牛 磊，張學(xué)亮，劉 清，霍 棟，郝 躍

(1.北京天瑪智控科技股份有限公司，北京 101399；2.中煤華晉集團有限公司 王家?guī)X煤礦，山西 運城 043000；3.國家能源集團新疆能源公司 烏東煤礦，新疆 烏魯木齊 830002)

0 引 言

綜放開采自20世紀80年代引入中國以來，因其具有開采效率高，適應(yīng)性強等優(yōu)勢，逐漸成為厚煤層的首選開采手段[1-2]。我國現(xiàn)階段已經(jīng)處于智能開采初級階段[3-4]，綜放開采逐步向自動化、智能化方向發(fā)展。在綜放開采放煤工藝的基礎(chǔ)上，發(fā)展形成了自動化放煤工藝[5-7]。在高瓦斯綜放工作面，采煤機通常會搭載機載瓦斯傳感器，用于采煤機處瓦斯超限時斷電停機，除了采煤機處，放煤產(chǎn)生的瓦斯影響也不容忽視，研究表明，綜放工作面采放落煤造成的瓦斯涌出量可占總量的40%[8-9]，總體上從進風(fēng)巷至回風(fēng)巷瓦斯體積分數(shù)逐漸增大。綜放工作面瓦斯涌出量增加，容易造成工作面上隅角瓦斯超限，進而影響綜放開采的順利進行。

由于采煤機割煤產(chǎn)生的瓦斯與放煤產(chǎn)生的瓦斯經(jīng)過一段時間的運行才能到上隅角處，加之放煤的不均衡性，對綜放工作面瓦斯體積分數(shù)進行適度的預(yù)測，是對綜放工作面采煤機運行和放煤準(zhǔn)確控制的前提。在瓦斯體積分數(shù)預(yù)測方面，根據(jù)瓦斯體積分數(shù)變化規(guī)律進行預(yù)測的方法有時間序列模型[10]、商空間模型、灰色動態(tài)模型[11]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[12]、馬爾科夫模型[13]，人工蜂群優(yōu)化算法[14]等，這些方法均利用實測瓦斯體積分數(shù)的動態(tài)變化特性，對采集到的瓦斯體積分數(shù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行研究，結(jié)合各方法的適用條件對瓦斯體積分數(shù)變化趨勢進行預(yù)測，為預(yù)防瓦斯事故提供重要信息。在采煤工作面瓦斯體積分數(shù)與采煤機控制方面，有學(xué)者研究給出了工作面在經(jīng)歷一個周期來壓過程中不同割煤速度與瓦斯體積分數(shù)的擬合關(guān)系[15]；有學(xué)者研究指出上隅角瓦斯體積分數(shù)與采煤機割煤速度基本呈正相關(guān)關(guān)系、與采煤機距上隅角距離基本呈負相關(guān)關(guān)系，調(diào)節(jié)采煤機割煤速度以降低工作面瓦斯體積分數(shù)是可行的[16]；有學(xué)者利用ARMA模型預(yù)測5 min瓦斯體積分數(shù)區(qū)間，結(jié)合瓦斯體積分數(shù)序列的統(tǒng)計特征參數(shù)對采煤機運行狀態(tài)進行控制[17]；有學(xué)者根據(jù)礦壓、瓦斯數(shù)據(jù)設(shè)計了采煤機截割電機速度動態(tài)控制方案[18-20]。上述研究表明，對綜放工作面瓦斯體積分數(shù)進行適度預(yù)測并與采煤機、放煤控制進行聯(lián)動是可行的。

筆者系統(tǒng)分析了綜放開采工作面瓦斯聯(lián)動模型原理，基于SAM綜采自動化系統(tǒng)對綜放工作面上隅角瓦斯與采煤機割煤、綜放開采后部放煤進行關(guān)聯(lián)控制，通過在王家?guī)X煤礦12309綜放工作面進行現(xiàn)場應(yīng)用，驗證了技術(shù)可靠性，相關(guān)研究可為綜放工作面自動化放煤安全保障提供技術(shù)借鑒。

1 綜放開采瓦斯安全聯(lián)動控制方案

綜放開采工藝包含割煤和放煤2部分工藝。割煤工藝是指采煤機割煤動作及其與前部刮板輸送機、液壓支架相互配合而形成的回采過程；綜放工作面放煤工藝緊密配合割煤工藝，在采煤機割煤、綜放支架移架后，頂煤失去支承發(fā)生垮落，通過控制綜放支架后部放煤機構(gòu)的尾梁和插板動作，可將頂煤放出，放出的頂煤由后部刮板輸送機運出。

綜放開采割煤和放煤兩個過程中，都會產(chǎn)生較大的瓦斯涌出?，F(xiàn)有的綜放開采自動化配套過程中，自動化配套集成度不夠，在環(huán)境參數(shù)特別是瓦斯參數(shù)的融合與利用方面尚存在欠缺，根據(jù)國家相關(guān)政策要求，礦方瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)不能向第三方提供，更為系統(tǒng)的融合以及更高層次的自動化開采設(shè)置了障礙。為此，項目單獨采購了符合要求的瓦斯傳感器，采用GJG 100 J激光甲烷傳感器(Modbus-RTU版本)4臺，安裝于綜放工作面，實現(xiàn)綜放工作面中后部和上隅角瓦斯體積分數(shù)的獨立監(jiān)測與采集，為預(yù)測分析和聯(lián)動控制創(chuàng)造條件。

根據(jù)綜放工作面瓦斯從進風(fēng)巷至回風(fēng)巷瓦斯體積分數(shù)逐漸增大的特點，通過在綜放工作面上隅角布設(shè)一定數(shù)量的瓦斯傳感器，實時采集綜放工作面上隅角的瓦斯體積分數(shù)值，該瓦斯體積分數(shù)值通過綜放工作面自動化系統(tǒng)的綜合接入器(千兆網(wǎng)絡(luò))傳送到巷道電液控制系統(tǒng)主機，通過電液控制系統(tǒng)主機邏輯控制系統(tǒng)實現(xiàn)對瓦斯體積分數(shù)的預(yù)測判斷并將瓦斯體積分數(shù)值與采煤機割煤速度實時關(guān)聯(lián)，電液控制系統(tǒng)主機通過以太網(wǎng)將瓦斯體積分數(shù)數(shù)據(jù)和邏輯判斷結(jié)果傳送到采煤機控制集控主機，采煤機控制集控主機依據(jù)綜放工作面瓦斯體積分數(shù)高低的邏輯判斷結(jié)果進行采煤機割煤速度的控制，最終實現(xiàn)綜放工作面上隅角瓦斯體積分數(shù)與采煤機的聯(lián)動控制。

2 綜放開采瓦斯安全聯(lián)動控制策略

項目采用的綜采自動化系統(tǒng)為SAM型，通過對綜采自動化系統(tǒng)進行瓦斯體積分數(shù)預(yù)測模型分析并進行程序設(shè)計，預(yù)留瓦斯傳感器數(shù)據(jù)接口，實現(xiàn)瓦斯體積分數(shù)傳感器數(shù)據(jù)接入與預(yù)測分析，為綜放開采瓦斯體積分數(shù)與采煤機等安全聯(lián)動控制提供條件。

2.1 瓦斯體積分數(shù)預(yù)測分析

礦井瓦斯體積分數(shù)預(yù)測采用以時間序列為基礎(chǔ)進行，預(yù)測未來一段時間的瓦斯體積分數(shù)或區(qū)間值，綜放工作面瓦斯體積分數(shù)預(yù)測需要綜合考慮采煤機運行控制特點和放煤控制特點，運用自回歸滑動平均模型，通過預(yù)測工作面風(fēng)流特別是上隅角的瓦斯體積分數(shù)關(guān)聯(lián)控制采煤機運行速度和綜放工作面放煤動作。

根據(jù)自回歸滑動平均模型，若xt取值不僅與其前n步的各個取值xt-1，xt-2，…，xt-n有關(guān)，而且與前m步的各個干擾αt-1，αt-2，…，αt-m有關(guān)(n、m=1,2，…)，得到最一般的ARMA模型：

xt=φ1xt-1+φ2xt-2+…+φnxt-n-
θ1αt-1-θ2αt-2-…-θmαt-m+αt

(1)

上述公式表示了n階自回歸m階滑動平均模型，記為ARMA(n，m)；{αt}為白噪聲序列，φi(i=1,2，…，n)、θj(j=1,2，…，m)分別為模型參數(shù)。對于時間序列{xt}(t=1,2，…，n)建立ARMA(n，m)模型，當(dāng)模型階次n，m給定時，利用后移算子B有：

φ(B)xt=θ(B)αt

(2)

如果時間序列xt可逆，則有：

θ-1(B)φ(B)xt=αt

(3)

令：

γ(B)=θ-1(B)

(4)

εT=φ(B)xt

(5)

φ(B)的階次為m，確定γ(B)的階次為p，p

γ(B)εT=αt

(6)

針對瓦斯預(yù)測，需要考慮一定時間歷史數(shù)據(jù)的時間序列，為得到后續(xù)一段時間內(nèi)的變化趨勢，需采取動態(tài)修正的預(yù)測模式，同時要充分考慮誤差傳遞的可能，每一次預(yù)測完成后，評價預(yù)測誤差，選取預(yù)測誤差最小的參數(shù)，或誤差較小的二次模型參數(shù)重構(gòu)模型，以當(dāng)前新數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，重新建立模型，并對預(yù)測結(jié)果取平均，可修正預(yù)測結(jié)果，一方面使得預(yù)測向誤差減小的方向運行，另一方面使得預(yù)測結(jié)果更加符合實際趨勢。

由于自回歸滑動平均模型在預(yù)測時會產(chǎn)生誤差，因此，需要及時修正，以提高預(yù)測的準(zhǔn)確性。根據(jù)綜放工作面的開采實際，綜合現(xiàn)有瓦斯傳感器響應(yīng)時間，確定自回歸滑動平均模型預(yù)測以30 s為周期[17]對未來5 min進行區(qū)間預(yù)測，選定模型預(yù)測結(jié)果包含未來5 min瓦斯體積分數(shù)，樣本參數(shù)置信區(qū)間定為95%。選模型預(yù)測結(jié)果的上限值作為綜放工作面采煤機控制和放煤控制的關(guān)聯(lián)因素。

2.2 采煤機及放煤控制關(guān)聯(lián)分析

綜放工作面采煤和放煤是瓦斯主要來源，對綜放工作面瓦斯聯(lián)動控制主要是對采煤機速度和放煤動作的控制。以采煤機控制原理為主進行表述，放煤控制可參照。根據(jù)上述原則確定的采煤機控制規(guī)則見表1，表中取山西省規(guī)定瓦斯體積分數(shù)0.8%作為控制值，不同的管理模式和要求，預(yù)警值可以適當(dāng)浮動，但不應(yīng)超過1.0%(《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定值)，為便于系統(tǒng)遠程監(jiān)測識別，設(shè)置了0、1、2三個報警級別，在軟件界面進行提醒。

表1 基于瓦斯安全聯(lián)動的采煤機控制策略

放煤過程的判斷與采煤機控制類似，但是考慮到放煤過程是以支架放煤口數(shù)量為基本單位，單純的放煤口開口大小并不能嚴格控制放煤煤量，因此綜合考慮決定以1臺支架的放煤口為單位，即最少開關(guān)1臺支架的放煤口來配合控制瓦斯體積分數(shù)，基于瓦斯安全聯(lián)動的放煤控制策略見表2。

表2 基于瓦斯安全聯(lián)動的放煤控制策略

瓦斯與采煤機、放煤聯(lián)動邏輯如圖1所示。需要說明的是，當(dāng)系統(tǒng)判定報警級別為0時，不執(zhí)行采煤機降速指令，采煤機可按照正常割煤速度運行，放煤按智能判斷結(jié)果進行，此時采煤機割煤和放煤的主要限制邊界為前部刮板輸送機和后部刮板輸送機的運輸能力；當(dāng)報警級別為2時，立即下發(fā)采煤機停機指令，采煤機停止割煤；同時下發(fā)支架放煤口關(guān)閉指令，所有支架放煤口立即關(guān)閉。當(dāng)報警級別為1時，由于考慮的情況較為復(fù)雜，設(shè)定的基本邏輯是，先降低采煤機割煤速度，同時減少1個放煤口，當(dāng)放煤口數(shù)量只有1個時，則僅降低采煤機割煤速度。

圖1 瓦斯-采煤機-放煤聯(lián)動控制邏輯Fig.1 Gas-shearer-discharge linkage control logic diagram

3 現(xiàn)場應(yīng)用

王家?guī)X煤礦12309綜放工作面位于123盤區(qū)西翼中部，走向長度1 320 m，寬度260 m，工作面回采2號煤層，煤層傾角2°～5°，可采儲量265.3萬 t。12309綜放工作面采用單一走向長壁采煤法，綜合機械化低位放頂煤采煤工藝，設(shè)計采用采煤機兩端頭斜切進刀，煤機割煤一刀，放煤一次，按一刀一放正規(guī)循環(huán)作業(yè)，采高3.1 m，放煤高度3 m，循環(huán)進度0.865 m，采用自然垮落法管理采空區(qū)頂板。12309綜放工作面配備MG620/1540-WD型變頻電牽引采煤機，配備150架綜放支架，基本支架選用ZFY12 000/23/34D型放頂煤電液控支架(支架中心距1.75 m)，搭配SGZ1000/2×1000型前、后部變頻刮板輸送機，SZZ1200/700型轉(zhuǎn)載機，DSJ-140/250/2×450型可伸縮帶式輸送機等設(shè)備，配備了SAC電液控制系統(tǒng)和SAM綜采自動化系統(tǒng)。

王家?guī)X煤礦為高瓦斯礦井，全礦井絕對瓦斯涌出總量為17.46 m3/min，其中，風(fēng)排絕對瓦斯涌出量9.94 m3/min，抽放量為7.52 m3/min；相對涌出量1.48 m3/ t?；夭晒ぷ髅孀畲蠼^對瓦斯涌出總量為8.29 m3/min，其中，風(fēng)排絕對瓦斯涌出量4.33 m3/min, 抽放量為3.96 m3/min。無煤與瓦斯突出情況，無瓦斯噴出情況。

在王家?guī)X煤礦12309綜放工作面進行了瓦斯與采煤機關(guān)聯(lián)控制、瓦斯與放煤關(guān)聯(lián)控制應(yīng)用。在12309工作面117、129、141及150架位置分別安裝瓦斯傳感器，并接入所在支架的電液控制系統(tǒng)中，通過對綜放工作面運行的SAC電液控制系統(tǒng)軟件、SAM綜采自動化系統(tǒng)軟件進行修改，同時開發(fā)了相應(yīng)的智能分析模塊，實現(xiàn)瓦斯傳感器數(shù)據(jù)接入、邏輯判斷與運行控制，在對應(yīng)的軟件界面增加瓦斯與采煤機關(guān)聯(lián)控制顯示?，F(xiàn)場瓦斯與采煤機關(guān)聯(lián)控制系統(tǒng)界面如圖2所示。

圖2 瓦斯與采煤機關(guān)聯(lián)控制軟件界面Fig.2 Interface of gas and coal mining authority joint control software

由于瓦斯含量大，12309綜放工作面采煤機回采速度一般不超過7 m/min，通過試驗現(xiàn)場不采取關(guān)聯(lián)控制措施時，回采速度7 m/min時且同時開啟2個放煤口，則每8 h生產(chǎn)班出現(xiàn)瓦斯體積分數(shù)接近0.8%(因管理限制，現(xiàn)場未測試超過0.8%)的次數(shù)達到10次，其中必須停機等待10 min以上至少2次；回采速度7 m/min時且同時開啟1個放煤口，則每8 h生產(chǎn)班出現(xiàn)瓦斯體積分數(shù)接近0.8%的次數(shù)減少到5次，其中必須停機等待減少至1次，等待時間減少至5 min以內(nèi)；回采速度6 m/min時且同時開啟2個放煤口，則每8 h生產(chǎn)班出現(xiàn)瓦斯體積分數(shù)接近0.8%的次數(shù)達到4次，其中必須停機等待1次；回采速度6 m/min時且同時開啟一個放煤口，則每8 h生產(chǎn)班出現(xiàn)瓦斯體積分數(shù)接近0.8%的次數(shù)減少到2次，其中必須停機等待1次；回采速度5 m/min時且同時開啟兩個放煤口，則每8 h生產(chǎn)班出現(xiàn)瓦斯體積分數(shù)接近0.8%的次數(shù)僅出現(xiàn)1次且未出現(xiàn)停機等待的情況；回采速度5 m/min以下時且同時開啟2個放煤口，則每8 h生產(chǎn)班出現(xiàn)瓦斯體積分數(shù)接近0.8%的次數(shù)接近0。

通過應(yīng)用綜放開采瓦斯安全聯(lián)動控制技術(shù)，12309綜放工作面根據(jù)實際情況，采煤機割煤速度穩(wěn)定在2.5～3.0 min/10架，即割煤速度5.83～7.00 m/min，實際采用同一時間放煤口開關(guān)數(shù)量不大于2個，現(xiàn)場實際采用的跟機放煤工藝如圖3所示，通過一段時間運行，實現(xiàn)了瓦斯與采煤機關(guān)聯(lián)控制、瓦斯與放煤關(guān)聯(lián)控制，綜合提升采放效率20%以上。

圖3 綜放工作面工藝運行Fig.3 Process operation drawing of fully-mechanized top-coal caving face

4 結(jié) 論

1)給出了綜放開采工作面瓦斯聯(lián)動控制方案，通過安裝符合要求的瓦斯傳感器，接入已有的綜放工作面液壓支架電液控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了瓦斯傳感器的數(shù)據(jù)采集與上傳。

2)給出了綜放開采工作面瓦斯聯(lián)動控制方案，通過加裝瓦斯傳感器與綜采自動化系統(tǒng)進行連接；利用自回歸滑動平均模型預(yù)測以30 s為周期對未來5 min進行區(qū)間預(yù)測，以采煤機速度和放煤動作與瓦斯進行聯(lián)動控制，形成瓦斯體積分數(shù)0.8%作為控制值但不超過1.0%的聯(lián)動控制邏輯，給出了控制策略和控制邏輯圖，同時劃定0、1、2三級預(yù)警利于軟件界面展示。當(dāng)系統(tǒng)判定報警級別為0時，不執(zhí)行采煤機降速指令，采煤機可按照正常割煤速度運行，放煤按智能判斷結(jié)果進行，此時采煤機割煤和放煤的主要限制邊界為前部刮板輸送機和后部刮板輸送機的運輸能力；當(dāng)報警級別為2時，立即下發(fā)采煤機停機指令，采煤機停止割煤；同時下發(fā)支架放煤口關(guān)閉指令，所有支架放煤口立即關(guān)閉。當(dāng)報警級別為1時，由于考慮的情況較為復(fù)雜，設(shè)定的基本邏輯是，先降低采煤機割煤速度，同時減少1個放煤口，當(dāng)放煤口數(shù)量只有1個時，則僅降低采煤機割煤速度。

3)在王家?guī)X煤礦12309綜放工作面進行了現(xiàn)場應(yīng)用，分別在工作面117、129、141及150架液壓支架處安裝瓦斯傳感器，接入所在支架的電液控制系統(tǒng)中?，F(xiàn)場應(yīng)用表明，采煤機割煤速度穩(wěn)定在5.83～7.00 m/min，實際采用同一時間放煤口開關(guān)數(shù)量不大于2個，實現(xiàn)了瓦斯與采煤機關(guān)聯(lián)控制、瓦斯與放煤關(guān)聯(lián)控制，綜合提升采放效率20%以上。