王 沉，楊 帥，江成玉，劉 勇

(貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025)

我國(guó)薄煤層可采儲(chǔ)量約65億t，約占全部可采儲(chǔ)量的20%[1]，受開(kāi)采條件、技術(shù)等因素的制約，薄煤層采出量?jī)H占全國(guó)煤炭產(chǎn)量的10.4%，造成了薄煤層煤炭資源的不協(xié)調(diào)開(kāi)采[2]，理論研究及工程實(shí)踐表明，機(jī)械化、自動(dòng)化是提高薄煤層生產(chǎn)效率、降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度、保障工作面作業(yè)安全的理想途徑和必由之路[3]。自動(dòng)化開(kāi)采工藝技術(shù)實(shí)施效果受薄煤層賦存特征的影響較大，僅在部分煤層條件較好的工作面實(shí)施具有一定的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效果，對(duì)瓦斯等復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造煤層的適應(yīng)性較差[4]，開(kāi)發(fā)及應(yīng)用適于高瓦斯地質(zhì)條件下的薄煤層自動(dòng)化開(kāi)采工藝技術(shù)迫在眉睫。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于高瓦斯薄煤層工作面自動(dòng)化開(kāi)采技術(shù)進(jìn)行了大量的工程實(shí)踐與理論研究，具有代表性的有：①高瓦斯薄煤層自動(dòng)化開(kāi)采設(shè)計(jì)方案[5，6]；②自動(dòng)化工作面瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的研制與應(yīng)用[7]；③瓦斯?jié)舛阮A(yù)測(cè)及預(yù)警理論及技術(shù)研究[8，9]等。在以往實(shí)踐及理論研究方面，存在的突出問(wèn)題有：自動(dòng)化開(kāi)采工藝設(shè)計(jì)及運(yùn)行階段較少的涉及瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)，工作面瓦斯?jié)舛阮A(yù)測(cè)預(yù)警對(duì)自動(dòng)化開(kāi)采工藝有效運(yùn)行的反饋調(diào)節(jié)理論與技術(shù)相對(duì)較少。為此，筆者擬通過(guò)建立工作面瓦斯?jié)舛缺O(jiān)控系統(tǒng)與自動(dòng)化綜采工藝之間的連接，重點(diǎn)研究自動(dòng)化工作面采煤機(jī)截割速度對(duì)于工作面瓦斯?jié)舛确植家?guī)律的影響機(jī)制，揭示了在高瓦斯條件下，工作面瓦斯?jié)舛犬a(chǎn)生變化的響應(yīng)機(jī)理從而提出自動(dòng)化開(kāi)采工藝技術(shù)工作面要做到瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)與截割速度控制與并行，旨在為瓦斯地質(zhì)條件下提高薄煤層自動(dòng)化綜采工藝的適應(yīng)性。

1 工作面瓦斯?jié)舛扰c割煤速度關(guān)系

以華晉焦煤有限責(zé)任公司沙曲礦22201薄煤層自動(dòng)化工作面為工程背景，22201工作面主采2#煤層，是沙曲礦保護(hù)層工作面，煤層厚度0.7～1.46m，平均為1.1m，設(shè)計(jì)采高1.6m(割頂0.5m)，煤層傾角平均為4°，煤層瓦斯壓力0.92MPa，絕對(duì)瓦斯涌出量為38.45m3/min，為典型的高瓦斯薄煤層自動(dòng)化綜采工作面，工作面采用走向長(zhǎng)壁自動(dòng)化開(kāi)采工藝，工作面長(zhǎng)度為150m，可推進(jìn)長(zhǎng)度為1.538km。工作面內(nèi)無(wú)斷層等地質(zhì)構(gòu)造，配套具備電液控制功能的ZY3600/07/14.5D型兩柱掩護(hù)式液壓支架，MG2×150/700-WD1型雙滾筒采煤機(jī)。2011年12月9日至2012年1月17日期間，22201工作面試采推進(jìn)了55m，工作面瓦斯?jié)舛瘸迺r(shí)有發(fā)生，采煤機(jī)停機(jī)問(wèn)題嚴(yán)重，工作面平均瓦斯?jié)舛冗_(dá)到0.18%，回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛冗_(dá)到0.37%，工作面推進(jìn)速度緩慢，平均日產(chǎn)量?jī)H660t。

高瓦斯薄煤層工作面自動(dòng)化開(kāi)采期間，受采煤機(jī)割煤速度的影響，工作面絕對(duì)瓦斯涌出總量呈現(xiàn)出一定的變化性和不確定性，難以利用精確的數(shù)學(xué)公式進(jìn)行表達(dá)。為此，本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)典型高瓦斯薄煤層工作面自動(dòng)化開(kāi)采期間瓦斯?jié)舛?，旨在探究工作面瓦斯?jié)舛确植继卣魇懿擅簷C(jī)割煤速度變化的影響機(jī)制。

基于22201工作面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件及設(shè)備參數(shù)特征，采煤機(jī)割煤速度調(diào)節(jié)范圍為0～6m/min，在其他工況參數(shù)基本保持不變的條件下，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)采煤機(jī)割煤速度，并分別在工作面上隅角及采煤機(jī)機(jī)身位置安裝瓦斯監(jiān)測(cè)儀，分別監(jiān)測(cè)工作面上隅角瓦斯?jié)舛燃安擅簷C(jī)機(jī)身位置處瓦斯?jié)舛茸兓?，利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)獲得的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，分別繪制了工作面上隅角瓦斯?jié)舛燃安擅簷C(jī)機(jī)身位置瓦斯?jié)舛扰c割煤速度的關(guān)系曲線，如圖1所示。

圖1 瓦斯?jié)舛扰c割煤速度關(guān)系曲線圖

結(jié)果表明：自動(dòng)化割煤過(guò)程中，在一定范圍內(nèi)，在工作面上隅角的位置以及采煤機(jī)機(jī)身位置的瓦斯?jié)舛扰c煤機(jī)割煤速度的關(guān)系基本上呈正相關(guān)，因此，工作面瓦斯?jié)舛鹊淖兓瘯?huì)受到割煤速度變化的帶動(dòng)影響，瓦斯?jié)舛鹊挠行Э刂瓶赏ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)截割速度加以實(shí)現(xiàn)。反之，使用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作面瓦斯?jié)舛葘?duì)采煤機(jī)割煤速度進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)也是可行的[10]?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)期間，上隅角與采煤機(jī)位置處的瓦斯?jié)舛冗h(yuǎn)高于工作面其他位置，應(yīng)作為高瓦斯薄煤層工作面瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)的關(guān)鍵位置，且采煤機(jī)位置處瓦斯?jié)舛仁冀K低于上隅角瓦斯?jié)舛戎?，因此，工作面上隅角?yīng)為22201工作面瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)的重點(diǎn)區(qū)域，采煤機(jī)位置為輔?；谏鲜鲈?，筆者提出了針對(duì)工作面上隅角瓦斯?jié)舛鹊膶?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反饋調(diào)節(jié)的薄煤層自動(dòng)化采煤機(jī)截割速度自適應(yīng)調(diào)節(jié)技術(shù)，旨在為高瓦斯條件下的薄煤層自動(dòng)化采煤機(jī)的遠(yuǎn)程控制提供新的技術(shù)思路。

在保證其他工況參數(shù)基本不變的條件下，調(diào)節(jié)割煤速度分別為2m/min，3m/min，4m/min，5m/min，6m/min時(shí)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)了解采煤機(jī)由工作面中部至上隅角割煤過(guò)程瓦斯?jié)舛茸兓L制了上隅角瓦斯?jié)舛扰c采煤機(jī)距上隅角距離變化關(guān)系曲線，如圖2所示，雙滾筒采煤機(jī)前滾筒中心距工作面上隅角的距離即圖中距上隅角距離。

圖2 上隅角瓦斯?jié)舛扰c距上隅角距離關(guān)系圖

結(jié)果表明：22201工作面自動(dòng)化開(kāi)采期間，自動(dòng)化割煤速度相同時(shí)，工作面上隅角瓦斯?jié)舛扰c采煤機(jī)距上隅角距離基本呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；上隅角瓦斯?jié)舛鹊姆逯挡擅簷C(jī)運(yùn)移至上隅角位置時(shí)，當(dāng)距上隅角距離相同時(shí)，上隅角位置的瓦斯?jié)舛扰c自動(dòng)化割煤速度基本上呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。因此，通過(guò)采煤機(jī)相對(duì)上隅角位置、上隅角瓦斯?jié)舛鹊膶?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反饋對(duì)自動(dòng)化割煤速度進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，在一定程度上能夠解決自動(dòng)化工作面瓦斯?jié)舛瘸薜募夹g(shù)難題。

2 自動(dòng)化割煤速度自適應(yīng)調(diào)節(jié)技術(shù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的結(jié)果，提出了基于工作面上隅角瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)反饋為主、采煤機(jī)位置監(jiān)測(cè)反饋為輔的割煤速度自適應(yīng)調(diào)節(jié)原理：高瓦斯工作面采煤機(jī)割煤速度自適應(yīng)調(diào)節(jié)的主要參考指標(biāo)為上隅角位置瓦斯?jié)舛龋我獏⒖贾笜?biāo)為采煤機(jī)相對(duì)上隅角位置，通過(guò)監(jiān)測(cè)以上主要及次要參考指標(biāo)，實(shí)時(shí)反饋調(diào)節(jié)采煤機(jī)割煤速度是可行的。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施的自適應(yīng)調(diào)節(jié)策略為：通過(guò)在22201高瓦斯薄煤層自動(dòng)化綜采工作面上隅角、采煤機(jī)機(jī)身分別布置1個(gè)瓦斯監(jiān)控分站，分別用于實(shí)現(xiàn)工作面上隅角及采煤機(jī)位置處瓦斯?jié)舛鹊谋O(jiān)測(cè)反饋，以工作面電液控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，將瓦斯監(jiān)控分站接入到工作面監(jiān)控系統(tǒng)當(dāng)中，利用電液控制系統(tǒng)的綜合接入器，將瓦斯監(jiān)控分站采集到的瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至工作面集中控制中心的主機(jī)內(nèi)，集中控制主機(jī)再依據(jù)上隅角瓦斯?jié)舛燃安擅簷C(jī)機(jī)身位置瓦斯?jié)舛鹊谋O(jiān)測(cè)反饋進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)采煤機(jī)截割速度。同時(shí)，以工作面視頻監(jiān)控系統(tǒng)及采煤機(jī)定位系統(tǒng)為參照實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)采煤機(jī)位置，對(duì)自動(dòng)化割煤速度進(jìn)行適時(shí)的輔助調(diào)節(jié)。

自適應(yīng)調(diào)節(jié)策略實(shí)施前應(yīng)合理確定工作面瓦斯?jié)舛乳撝担咚節(jié)舛乳撝凳菍?shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制采煤機(jī)割煤速度、提高自動(dòng)化開(kāi)采效率的關(guān)鍵參數(shù)。自動(dòng)化開(kāi)采期間，應(yīng)提供定量化的自適應(yīng)調(diào)節(jié)策略，定量表征瓦斯監(jiān)測(cè)與割煤速度調(diào)節(jié)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。以工作面上隅角瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)為例，自適應(yīng)調(diào)節(jié)策略中上隅角瓦斯?jié)舛乳y值包括低位、中位及高位三個(gè)閥值。自適應(yīng)調(diào)節(jié)的基本策略為：在采煤機(jī)割煤速度允許范圍之內(nèi)，當(dāng)上隅角瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)反饋值小于低位閥值時(shí)，可以通過(guò)工作面集中控制主機(jī)合理的提高采煤機(jī)割煤速度；當(dāng)上隅角瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)反饋值位于低位閥值與中位閥值之間時(shí)，保持當(dāng)前采煤機(jī)的割煤速度進(jìn)行正常截割；當(dāng)上隅角瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)反饋值位于中位閥值與高位閥值之間時(shí)，應(yīng)適當(dāng)降低采煤機(jī)的割煤速度；當(dāng)上隅角瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)反饋值大于高位閥值時(shí)，集控主機(jī)應(yīng)立即遠(yuǎn)程控制采煤機(jī)，實(shí)現(xiàn)停機(jī)操作。

工作面上隅角瓦斯?jié)舛雀呶婚y值是實(shí)現(xiàn)高瓦斯條件下自動(dòng)化工作面安全開(kāi)采的重要指標(biāo)參數(shù)，應(yīng)基于工作面瓦斯地質(zhì)特征、設(shè)備參數(shù)及工藝參數(shù)等進(jìn)行合理選擇。上隅角瓦斯?jié)舛雀呶婚y值過(guò)小，一定程度上制約了采煤機(jī)的開(kāi)機(jī)率，不利于薄煤層自動(dòng)化綜采工藝的有效實(shí)施，限制了薄煤層工作面的快速推進(jìn)。同時(shí)，當(dāng)上隅角瓦斯?jié)舛雀呶婚y值過(guò)大時(shí)，會(huì)增加該工作面瓦斯?jié)舛瘸薜母怕?，不利于工作面瓦斯?jié)舛鹊挠行Э刂?。?shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，工作面上隅角瓦斯?jié)舛雀呶婚y值應(yīng)保留一定的安全富余系數(shù)，高位閾值一般取0.8%～1.0%。

3 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)

針對(duì)22201工作面瓦斯?jié)舛葧r(shí)常超限造成采煤機(jī)停機(jī)頻繁的技術(shù)難題，筆者提出并試驗(yàn)了基于瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)反饋的割煤速度自適應(yīng)調(diào)節(jié)技術(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)期間，將工作面瓦斯?jié)舛鹊臀婚y值、中位閥值和高位閥值分別設(shè)定為0.4%、0.6%及0.8%，并根據(jù)瓦斯?jié)舛扰c割煤速度實(shí)測(cè)的相關(guān)關(guān)系，制定了22201工作面瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)反饋的割煤速度表，見(jiàn)表1。

基于瓦斯?jié)舛确答伩刂撇擅簷C(jī)割煤速度的同時(shí)，依據(jù)采煤機(jī)機(jī)身上安裝的定位系統(tǒng)及工作面視頻監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的采煤機(jī)相對(duì)工作面位置，用以輔助反饋調(diào)節(jié)采煤機(jī)割煤速度，策略為：22201工作面自動(dòng)化割煤期間，當(dāng)采煤機(jī)前滾筒中心位于工作面第87架液壓支架位置處，即為采煤機(jī)前滾筒中心運(yùn)移至距上隅角18m左右時(shí)，采煤機(jī)截割速度宜控制在6m/min以下；當(dāng)采煤機(jī)前滾筒位于工作面第92架液壓支架位置，即煤機(jī)前滾筒中心位置距上隅角10m左右時(shí)，采煤機(jī)截割速度小于5m/min。

表1 22201工作面瓦斯?jié)舛确答佌{(diào)節(jié)的割煤速度表

截至2012年3月24日，在瓦斯?jié)舛确答伒淖詣?dòng)化割煤速度調(diào)節(jié)技術(shù)的實(shí)施下，工作面持續(xù)推進(jìn)了192m，比工作面試采期顯著提高了工作面推進(jìn)速度，工作面平均日產(chǎn)量增加至1077t/d。在工作面瓦斯?jié)舛瓤刂品矫妫?2201工作面及回風(fēng)平巷平均瓦斯?jié)舛确謩e提高至0.26%，0.51%，主要受工作面推進(jìn)速度加快的影響，但并未發(fā)生工作面瓦斯?jié)舛瘸迒?wèn)題，如圖3所示。

圖3 截割速度自適應(yīng)調(diào)節(jié)技術(shù)實(shí)施效果

瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)反饋與采煤機(jī)割煤速度自適應(yīng)調(diào)節(jié)技術(shù)相互制約，對(duì)于降低工作面瓦斯?jié)舛瘸薜母怕示哂幸欢ǔ尚?。另外，在采煤機(jī)定位系統(tǒng)與視頻監(jiān)控系統(tǒng)的共同作用下，配合采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，較好的實(shí)現(xiàn)了薄煤層自動(dòng)化截割速度的有效控制，一定程度上解決了高瓦斯薄煤層自動(dòng)化采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制及工作面瓦斯治理的技術(shù)難題。

同時(shí)，通過(guò)建立割煤速度調(diào)節(jié)策略與瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)反饋間的連接，為研究高瓦斯薄煤層自動(dòng)化工作面瓦斯?jié)舛扰c割煤速度等工藝參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系提供了全面的基礎(chǔ)資料。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)獲取高瓦斯薄煤層自動(dòng)化工作面瓦斯?jié)舛扰c割煤速度關(guān)系，進(jìn)而提出適合22201工作面割煤速度自適應(yīng)調(diào)節(jié)策略的技術(shù)思路，為類(lèi)似條件高瓦斯薄煤層自動(dòng)化割煤速度的調(diào)節(jié)提供了技術(shù)參考，對(duì)薄煤層自動(dòng)化綜采工藝在復(fù)雜地質(zhì)條件下的推廣具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

4 結(jié) 論

1)在一定范圍內(nèi)，高瓦斯薄煤層工作面瓦斯?jié)舛扰c割煤速度基本呈正相關(guān)關(guān)系；22201工作面瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)應(yīng)以上隅角位置監(jiān)測(cè)為主、采煤機(jī)位置監(jiān)測(cè)為輔，據(jù)此提出了基于工作面上隅角瓦斯?jié)舛葘?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反饋的采煤機(jī)割煤速度自適應(yīng)調(diào)節(jié)策略。

2)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)了割煤過(guò)程中工作面上隅角瓦斯?jié)舛扰c采煤機(jī)相對(duì)位置的相關(guān)關(guān)系，上隅角瓦斯?jié)舛扰c采煤機(jī)距上隅角距離基本呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，利用采煤機(jī)相對(duì)位置的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反饋達(dá)到采煤機(jī)截割速度的自適應(yīng)調(diào)節(jié)是可行的。

3)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)結(jié)果表明：運(yùn)用瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)反饋為主和采煤機(jī)相對(duì)上隅角位置監(jiān)控為輔的自動(dòng)化截割速度自適應(yīng)調(diào)節(jié)技術(shù)，對(duì)于改善高瓦斯薄煤層自動(dòng)化工作面瓦斯?jié)舛瘸藜安擅簷C(jī)遠(yuǎn)程控制的問(wèn)題提供了技術(shù)思路。