何振乾，李明忠，亓玉浩，張金虎

（1.北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司，北京100013；2.天地科技股份有限公司開采設計事業(yè)部，北京100013；3.兗礦集團有限公司技術(shù)質(zhì)量中心，山東鄒城537000）

?

文玉煤礦1.5m較薄煤層年產(chǎn)3Mt智能化成套裝備選型及系統(tǒng)集成設計

何振乾1，李明忠2，亓玉浩3，張金虎2

（1.北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司，北京100013；2.天地科技股份有限公司開采設計事業(yè)部，北京100013；3.兗礦集團有限公司技術(shù)質(zhì)量中心，山東鄒城537000）

針對文玉煤礦V號煤層高產(chǎn)高效開采目標，進行了較薄煤層智能化綜采工作面年產(chǎn)3Mt設備選型配套及系統(tǒng)集成設計。研發(fā)了工作阻力為9000kN的薄煤層液壓支架及電液控制系統(tǒng)，提出了薄煤層大功率采煤機系統(tǒng)的參數(shù)要求，裝機功率達到951kW，研發(fā)了薄煤層刮板輸送機系統(tǒng)，為單一工作面實現(xiàn)年產(chǎn)3Mt的目標奠定了基礎，推動了我國煤礦薄煤層智能化開采技術(shù)的發(fā)展。

薄煤層綜采；智能化；設備選型配套；系統(tǒng)集成

薄煤層的高效、安全、綠色開采一直是一個世界難題，根據(jù)我國已探明煤炭資源和開采現(xiàn)狀調(diào)研分析，目前薄煤層儲采比嚴重失衡［1-3］。

由于薄煤層開采空間狹小，設備能力與尺寸矛盾突出，成套裝備小尺寸與大功率、大適應范圍和高可靠性要求的矛盾突出，而且薄煤層單一煤層有時變化較大，常規(guī)液壓支架頂梁、底座箱型斷面較大，無法實現(xiàn)這種大伸縮比支護的要求，采煤機和刮板輸送機矮機身大功率也難以實現(xiàn)。

近年來，我國學者針對薄煤層開采進行了一系列的研究，近距離薄煤層群的聯(lián)合開采技術(shù)和裝備、自動化及智能化開采成為目前采礦領域的重要攻關(guān)方向，國內(nèi)雖然研制成功了多種類型的較薄煤層綜采裝備，薄煤層工作面產(chǎn)量也呈逐年增長趨勢，但是對于1.5m左右的薄煤層，年產(chǎn)量均在1.0Mt以下，總體產(chǎn)量不高。薄煤層開采難度大，自動化和智能化水平較低是造成產(chǎn)量不高、效率低下的主要原因［4-7］。

面對煤炭生產(chǎn)單位安全、高效生產(chǎn)的迫切需求和煤炭利潤急劇下滑的形勢，筆者希望通過研發(fā)減少設備投資、保證高品質(zhì)煤質(zhì)，掌握薄煤層智能化綜采關(guān)鍵技術(shù)與裝備，突破薄煤層高強度、薄頂梁液壓支架和大功率矮機身薄煤層采煤機、薄煤層刮板輸送機等關(guān)鍵裝備與技術(shù)的難題。以文玉煤礦薄煤層綜采實踐為基礎，進行了1.5m較薄煤層年產(chǎn)3Mt智能化成套裝備選型及系統(tǒng)集成設計。

1　煤層賦存條件概況

文玉煤礦位于鄂爾多斯市伊金霍洛旗納林陶亥鎮(zhèn)。該礦V煤有2個分層，V-1煤埋深61.6～161.68m，與上部Ⅳ-2煤層間距為35.8～45.6m，平均 40.7m，與下部 V-2煤層間距為 10.2～13.5m，平均12.8m。

V煤厚度如表1所示:V-1煤層厚度0.94～1.68m，V-2煤層厚度比 V-1煤層稍厚，厚度1.21～1.92m。V-1煤層有效鉆孔數(shù)20個，煤層厚度在1.25～1.7m的鉆孔數(shù)為16個，占總數(shù)的80%。V-2煤層有效鉆孔數(shù)19個，煤層厚度較V-1厚，煤層厚度在1.3～1.6m的鉆孔數(shù)為16個，占總數(shù)的84%。

表1　V-1和V-2煤層厚度統(tǒng)計

煤層頂、底板多數(shù)以泥巖、泥質(zhì)粉砂巖為主，井田地質(zhì)構(gòu)造簡單，煤層為近水平煤層，走向北西，傾向南西，傾角1～3°。井田內(nèi)沒有明顯的褶皺構(gòu)造，僅有一些寬緩的微波狀起伏，波幅小于10m，對煤層開采基本無影響。井田內(nèi)斷裂構(gòu)造不發(fā)育，地表巖層露頭及鉆孔中未見斷層，只見有小的層間錯動，為瓦斯礦井，水文地質(zhì)屬中等類型。

2　工作面生產(chǎn)能力的確定

綜采工作面生產(chǎn)能力主要取決于采煤機割煤能力，與采煤機最大割煤牽引速度、無故障割煤時間、截深、采高、煤的密度等有關(guān)。通過對不同截深、不同割煤速度情況下生產(chǎn)能力的對比，確定工作面采煤機截深取800mm，平均采高1.5m，按“四、六”制工作方式，每班工作6h，3班產(chǎn)煤1班檢修，工作面長度260m，支架中心距1750mm，根據(jù)國內(nèi)綜采設備的技術(shù)參數(shù)和性能，日割煤22刀，采煤機割煤速度8m/min，可實現(xiàn)年產(chǎn)3.0Mt的要求，工作面生產(chǎn)能力對設備性能要求計算如表2所示。

表2　截深800mm工作面年產(chǎn)3.0Mt設備要求

3　工作面綜采設備選型設計

3.1高工作阻力薄煤層液壓支架選型設計

（1）支架高度 由表1所示煤層厚度分析，最終確定工作面采高為1.3～1.6m比較合適，根據(jù)支架伸縮比及最大最小采高要求，確定支架高度為1.0～1.8m。

（2）支護強度 目前常用的支護強度計算方法主要有經(jīng)驗估算法、基于 “關(guān)鍵層”理論的計算法、數(shù)值分析和類比法等。由于要考慮相近煤層及不同工作面長度變化對支護強度的影響，數(shù)值模擬分析具有便于計算、接近現(xiàn)場實際開采效果等優(yōu)勢。

由支架支護強度P與頂板最終下沉量ΔL關(guān)系曲線（圖1）可知，支護強度的增加可以有效減少頂板的下沉量，同時當支護強度增加到一定值后對頂板的控制作用逐步減?。?］，該值可視為合理的支護強度。工作面長度為220m，260m和300m時合理支護強度分別為0.8MPa，0.85～0.9MPa和1.0～1.1MPa?？紤]生產(chǎn)組織及礦壓控制，確定首采工作面面長為260m，支護強度不小于0.85MPa。

圖1　支架支護強度與頂板下沉量關(guān)系曲線

（3）支架寬度確定 架寬的確定應考慮支護強度、跟機速度及結(jié)構(gòu)本身的可行性?？紤]移架速度、支架數(shù)量及工人操作強度等因素，可供選擇的支架寬度有1750mm和2050mm兩種。

1750mm中心距 為滿足年產(chǎn)3.0Mt的要求，采煤機的機面高度在850～900mm之間。給定最低采高1300mm時，移架后采煤機和支架的過機空間留200mm，支架的頂梁厚度就限定在 250～300mm。1750mm中心距時，根據(jù)此箱型梁的厚度反算支架的工作阻力應在8000～9000kN之間，相應的支護強度在0.85～1.0MPa之間。

2050mm中心距 要達到0.85MPa以上的支護強度，工作阻力應在10000kN以上，頂梁相同位置的厚度應在400mm以上，即2050mm中心距的支架其箱型梁的厚度為250～300mm時，支護強度達不到0.85MPa。

從結(jié)構(gòu)上分析，相同伸縮比的情況下，工作阻力越大，立柱的傾斜角度越大，支撐效率越低；工作阻力越大，需要的箱體的厚度就越大，不利于液壓系統(tǒng)及各類千斤頂?shù)牟贾茫Y(jié)構(gòu)上越不易實現(xiàn)。綜上分析，支架的架寬定為1750mm。

（4）額定工作阻力確定 額定工作阻力F可按下式進行計算:

式中，P為綜采工作面額定支護強度，0.85MPa；L為支架中心距1750mm；Bc為控頂距，取5m；η為支撐效率，取0.85。代入得F≥8750kN。

即支架型號初步定為ZY9000/10/18D。

（5）支架結(jié)構(gòu) 架型為兩柱掩護式液壓支架，立柱前設有行人通道；整體頂梁結(jié)構(gòu)，頂梁和掩護梁設有單側(cè)活動側(cè)護板；支架的前、后連桿采用雙連桿，提高支架的抗扭能力；平衡千斤頂采用側(cè)置式，分別布置在頂梁和掩護梁的左右兩側(cè)；支架底座前端設置抬底機構(gòu)；推移機構(gòu)采用箱型長推桿千斤頂?shù)寡b形式。

根據(jù)上述確定的支架型號和支架結(jié)構(gòu)特點，對支架進行優(yōu)化設計，其外形如圖2所示。

圖2　ZY9000/10/18D兩柱掩護式液壓支架

3.2大功率薄煤層采煤系統(tǒng)選型設計

根據(jù)文玉煤礦煤層賦存條件及長期發(fā)展的戰(zhàn)略要求，工作面綜采設備配套生產(chǎn)能力應達到年產(chǎn)3Mt；并考慮到其地理位置的特殊性，設備性能應高可靠，生產(chǎn)能力具有一定富余量，以適應長期單套設備運行的要求。

當采高與截深一定時，工作面生產(chǎn)能力即取決于采煤機的牽引速度、裝機功率。

（1）機面高度的確定 考慮支架頂梁厚度、頂板下沉和底板起伏。要求采煤機機身盡量短小，以適應底板起伏。最小采高為1300mm時，移架后支架與采煤機之間要留200mm間隙，采煤機電纜夾處對應的頂梁厚度為250mm，機面高度應在850mm左右。

（2）采煤機裝機功率的確定 裝機功率是衡量采煤機生產(chǎn)能力和破煤能力的綜合性參數(shù)。裝機功率大的采煤機，截割硬煤能力及過地質(zhì)構(gòu)造時割巖能力較強。理論裝機功率可用下式估算:

式中，Hw為滾筒采煤機的單位能耗，Hw=0.3～1.2（kW·h）/m3；Q為采煤機小時截煤量，取794m3/h。

將各參數(shù)代入得，采煤機理論裝機總功率約為556kW?？紤]過地質(zhì)構(gòu)造等影響因素，采煤機的實際裝機總功率應有約30%～50%的富裕系數(shù)，確定裝機功率為723～834kW。

根據(jù)采煤所需的功率要求，MG350/811-WD型采煤機是一種比較適合的機型，經(jīng)過對MG350/811-WD型采煤機技術(shù)參數(shù)、結(jié)構(gòu)特點以及實際使用情況的了解，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有采煤機并不能完全滿足文玉煤礦煤層賦存條件下的產(chǎn)量要求，但該機型存在改進提升的空間，主要在以下幾方面進行改進優(yōu)化提升:

（1）進一步增強對較薄煤層厚度的適應性并提高煤質(zhì)，需在現(xiàn)有條件下盡可能地降低最小采高，如滿足最小采高1200mm，在配套SGZ800輸送機的條件下，通過優(yōu)化使機面高度控制在825mm以下，并提升過煤高度至329mm，如圖3所示。

圖3　MG350-811改進型采煤機關(guān)鍵尺寸示意

（2）增大截割電機及牽引電機功率，提高采煤機生產(chǎn)效率。在保證原350kW截割電機體積不變的情況下，已經(jīng)將電機功率增容到400kW；將原50kW牽引電機功率增加到70kW。整機裝機功率達到951kW。

（3）降低牽引傳動鏈傳動比。由原傳動比i=174.42變?yōu)閕=123.54。使牽引電機增容到70kW后，采煤機牽引速度在0～12m/min范圍內(nèi)實現(xiàn)恒扭矩輸出。

（4）優(yōu)化確定滾筒直徑，合理分配前后滾筒載荷。最低采高確定為1200mm，為保證采煤機在煤壁中有足夠的過機間隙以及前滾筒的裝煤效率，滾筒直徑確定為1100mm。

最終確定采煤機型號為MG400/951-WD。

3.3智能化運輸系統(tǒng)

（1）刮板輸送機型號 根據(jù)采煤機最大割煤能力、工作面布置等參數(shù)確定刮板輸送機的運輸能力應不小于884t/h，電機功率不小于854kW。推薦刮板輸送機型號為SGZ800/2×525。

（2）刮板輸送機卸載口結(jié)構(gòu) 根據(jù)薄煤層刮板輸送機機頭與轉(zhuǎn)載機的卸載原理，通過改變傳統(tǒng)的卸載方式，薄煤層刮板輸送機機頭采用重疊側(cè)卸技術(shù)。該技術(shù)實現(xiàn)薄煤層輸送機機頭與轉(zhuǎn)載機的同步移動，改善輸送機機頭、轉(zhuǎn)載機機尾與液壓支架布置空間，降低機頭巷道支護難度，提高工作面的安全性和采煤效率，同時工作面中過渡槽采用“下仰”式結(jié)構(gòu)，使得采煤機在過渡段挖底量與中部段一致，解決頭尾三角煤問題。

4　工作面自動化控制系統(tǒng)

4.1設計目標

（1）實現(xiàn)綜采工作面生產(chǎn)過程中的自動化，包括采煤機、刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機、破碎機、巷道膠帶輸送機和泵站單設備的遠程啟停等操作，以及進行逆煤流順序起動和順煤流順序停止控制。

（2）實現(xiàn)對主要生產(chǎn)設備工況和生產(chǎn)過程的實時在線監(jiān)視，包括采煤機、液壓支架、供電設備、輸送機、泵站等，采用數(shù)字和視頻方式傳輸信號，在監(jiān)控中心通過動畫、視頻、文字等方式直觀查看設備信息和狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)故障隱患、及時采取措施避免設備損壞，提高設備正常率和開機率。

（3）實現(xiàn)對工作面綜采設備數(shù)據(jù)的集成與上傳，在工作面采煤機、三機、泵站等單機子系統(tǒng)的層級之上構(gòu)建統(tǒng)一開放的百兆工業(yè)以太網(wǎng)控制網(wǎng)絡，實現(xiàn)單機設備信息匯集到工作面巷道監(jiān)控中心的隔爆服務器上，并能接入礦井環(huán)網(wǎng)，實現(xiàn)系統(tǒng)集成及數(shù)據(jù)上傳。

4.2系統(tǒng)組成

根據(jù)綜采工作面的生產(chǎn)工藝要求和工作面環(huán)境狀況，確定該綜采工作面自動化控制和視頻監(jiān)視系統(tǒng)包括以下幾個子系統(tǒng):

（1）支架電液控制系統(tǒng) 實時監(jiān)測和顯示液壓支架的工作狀態(tài)，實現(xiàn)支架的遠程控制，并能實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳。

（2）采煤機工作面巷道控制系統(tǒng) 實現(xiàn)對采煤機的工況監(jiān)測、遠程控制及信號采集與上傳。

（3）工作面語音通訊控制系統(tǒng) 實現(xiàn)對刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機、破碎機的控制，運行數(shù)據(jù)的采集、工作狀態(tài)的監(jiān)測與數(shù)據(jù)上傳，以及起停預告、故障報警等。

（4）三機動力部監(jiān)測子系統(tǒng) 實現(xiàn)對刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機、破碎機各個動力部運行參數(shù)的監(jiān)測。減速器監(jiān)測點包括軸承溫度、潤滑油油溫；冷卻水流量、溫度；電動機監(jiān)測點包括定子繞組、轉(zhuǎn)子軸承溫度，以實現(xiàn)對減速器、電動機的實時監(jiān)測，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳。

（5）泵站集中控制系統(tǒng) 實現(xiàn)對工作面泵站數(shù)據(jù)的采集、控制和通訊上傳。

（6）供電控制系統(tǒng) 實現(xiàn)對工作面移動變電站、組合開關(guān)等電氣設備運行數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測，保證工作面電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性。

（7）巷道膠帶機控制系統(tǒng) 實現(xiàn)膠帶機的集中控制和綜合保護，實現(xiàn)對膠帶機運行數(shù)據(jù)的采集、工作狀態(tài)的監(jiān)測與數(shù)據(jù)上傳，以及起停預告、故障報警等。

（8）巷道監(jiān)控系統(tǒng) 建立巷道監(jiān)控中心，通過工業(yè)以太網(wǎng)和工作面視頻系統(tǒng)實現(xiàn)對主要生產(chǎn)設備工況和生產(chǎn)過程的實時在線監(jiān)視，通過操作臺和視頻顯示實現(xiàn)對生產(chǎn)設備的遠程控制，并能實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳。

通過對工作面智能化設備進行集成設計，只需在巷道監(jiān)控中心配置2名工人對工作面設備進行遠程監(jiān)控，適時干預或調(diào)整采煤機、支架等設備運行狀況，實現(xiàn)減人提效的終極目標。

5　結(jié)束語

智能化開采裝備及控制系統(tǒng)是實現(xiàn)工作面減人提效的根本途徑，通過對文玉煤礦薄煤層智能化開采成套裝備及控制系統(tǒng)的研發(fā)設計，保證了薄煤層綜采工作面年產(chǎn)3Mt生產(chǎn)能力，進一步完善提高了工作面有人值守、無人操作的智能化開采模式，促進了我國智能化開采水平的發(fā)展與提高。

［1］王國法.綜采自動化智能化無人化成套技術(shù)與裝備發(fā)展方向［J］.煤炭科學技術(shù)，2014，42（9）:30-34，39.

［2］王國法.薄煤層安全高效開采成套裝備研發(fā)及應用［J］.煤炭科學技術(shù)，2009，37（9）:86-89.

［3］張 良，李首濱，黃曾華，等.煤礦綜采工作面無人化開采的內(nèi)涵與實現(xiàn)［J］.煤炭科學技術(shù)，2014，42（9）:26-29，51.

［4］徐建軍.薄-中厚煤層綜采面自動化開采技術(shù)與實踐［J］.煤炭科學技術(shù)，2014，42（9）:35-39.

［5］毛德兵，藍 航，徐 剛.我國薄煤層綜合機械化開采技術(shù)現(xiàn)狀及其新進展［J］.煤礦開采，2011（9）:11-14，76.

［6］郭周克.薄煤層綜采自動化配套裝備開采技術(shù)［J］.煤炭科學技術(shù)，2013，41（4）:24-27.

［7］范京道，王國法，張金虎，等.黃陵智能化無人工作面開采系統(tǒng)集成設計與實踐［J］.煤炭工程，2016，48（1）:84-87.

［8］毛德兵，王延峰.數(shù)值模擬方法確定綜放工作面支架工作阻力［J］.煤礦開采，2005，10（1）:1-2，5.

［9］唐恩賢，王懷平.較薄煤層綜采工作面無人化開采技術(shù)實踐［J］.陜西煤炭，2014，33（6）:42-44.

［10］王國法.煤礦綜采自動化成套技術(shù)與裝備創(chuàng)新和發(fā)展［J］.煤炭科學技術(shù)，2013，41（11）:1-5，9.

［11］符大利，袁建平.黃陵礦業(yè)首套薄煤層國產(chǎn)裝備采場無人化綜采工作面的設備選型［J］.中國高新技術(shù)企業(yè)，2014（27）:94-95.

［責任編輯：鄒正立］

Intelligent Outfit Equipment Selection and System Integrated Design of Wenyu Coal Mine with 1.5m Thin Coal Seam and 3Mt Output

HE Zhen-qian1，LI Ming-zhong2，QI Yu-hao3，ZHANG Jin-hu2
（1.Beijing Tiandi Ma'ke Electro-hydraulic Control System Co.，Lt.，Beijing 00013，China；2.Coal Mining&Designing Department，Tiandi Science&Technology Co.，Ltd.，Beijing 00013，China；3.Technology Quality Center，Yuankuang Corporation Co.，Ltd.，Zoucheng 537000，China）

To the high production and high-efficiency mining aim of the V coal seam of Wenyu coal mine，equipment selection and system integrated design of intelligent fully mechanized working face with thinner coal seam and 3Mt annual output was finished.And hydraulic supporting of thin coal seam with working resistance 9000kN and electro-hydraulic controlling system was developed，the parameters require of coal cutter system with high power for thin coal seam was put forward，its power is 951kW，then scraper conveyor of thin coal seam was developed，it provided foundation for annual output 3Mt of single working face，and the intelligent mining technology of coal mine with thin coal seam in home was promoted.

fully mechanized mining with thin coal seam；intelligent；equipment selection and mating；system integration

TD822

A

1006-6225（2016）04-0043-04

2016-02-16

［DOI］10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.04.011

2014年度山西省煤基重點科技攻關(guān)項目（MJ2014-08）

何振乾（1980-），男，山東鄒城人，工程師，主要從事電液系統(tǒng)控制及開發(fā)等工作。

［引用格式］何振乾，李明忠，亓玉浩，等.文玉煤礦1.5m較薄煤層年產(chǎn)3Mt智能化成套裝備選型及系統(tǒng)集成設計［J］.煤礦開采，2016，21（4）：43-46，77.