王愛國

(大同煤礦集團有限責任公司,山西大同 037003)

我國厚煤層可采儲量占全國煤炭總可采儲量的43%左右,每年地下厚煤層的開采量約占全國煤炭產(chǎn)量的40%～50%[1-2]。放頂煤開采是厚及特厚煤層安全高效開采的主要開采方法之一。因此,厚煤層條件下開展安全、高效、高回收率開采對我國煤炭工業(yè)的發(fā)展具有重要作用。大同煤礦集團有限責任公司(以下簡稱：同煤集團)所屬高產(chǎn)高效礦井主要以厚煤層綜放開采為主,綜放工作面成套設(shè)備整體技術(shù)與生產(chǎn)管理水平還有很大的進步空間,綜放工作面智能控制關(guān)鍵技術(shù)的研究對于同煤集團在十三五期間完成11 座千萬噸級礦井的建設(shè)的目標具有積極的意義。

1 智能化綜放開采技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

目前,國外綜放開采技術(shù)僅在土耳其、孟加拉、澳大利亞等少數(shù)幾個國家有相關(guān)應用且大多為國內(nèi)綜放技術(shù)的輸出應用,如兗礦集團有限公司將綜放開采技術(shù)應用到澳大利亞澳思達礦,并探索了基于時間控制的自動化放煤方式。國外在智能化綜放開采領(lǐng)域未開展相關(guān)研究。相反,國外自21 世紀初至今,以慣性導航技術(shù)、熱紅外線煤巖識別技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、多傳感器技術(shù)為代表的綜采工作面自動化技術(shù)使綜采工作面的智能化成為可能,也為智能化綜放開采技術(shù)的研究提供了一定的技術(shù)借鑒。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

綜放開采技術(shù)90 年代初期以兗礦興隆莊礦綜放工作面年產(chǎn)突破300萬噸及復雜煤層綜放開采技術(shù)的應用為標志,綜放開采技術(shù)在國內(nèi)快速發(fā)展應用[3-4]；從“十五”期間兗州礦區(qū)“600 萬噸綜放工作面設(shè)備配套與技術(shù)研究”項目的完成,創(chuàng)造了國內(nèi)外綜放開采單產(chǎn)、工效和采出率的最高記錄,到“十一五”期間針對14 m～20 m特厚煤層開發(fā)的大采高綜放開采成套技術(shù)與裝備,工作面年產(chǎn)達到1 000萬噸,我國綜放開采技術(shù)已處于國際領(lǐng)先水平。目前綜放開采技術(shù)已經(jīng)成為我國特厚煤層礦區(qū)實現(xiàn)高產(chǎn)高效的主要技術(shù)途徑。

在智能化綜放開采相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域,近年來國內(nèi)進行了初步的探索試驗,如：兗礦興隆莊煤礦試驗程序控制與人工補放結(jié)合的放煤方式；潞安王莊煤礦試驗研究了聲音頻譜煤矸識別技術(shù)；中國礦業(yè)大學進行了基于聲波的放頂煤過程自動控制系統(tǒng)實驗研究；北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司試驗了記憶放頂煤方式。這些試驗研究雖取得了一定的認識,但在關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域仍未取得實質(zhì)性的突破,不能適應智能化綜放開采現(xiàn)場需求。

綜上,綜放開采的智能化尚處于試驗探索階段,主要存在智能放煤理論空白,煤矸智能識別、放煤智能控制等關(guān)鍵技術(shù)尚未突破,亟待研發(fā)新技術(shù)和新裝備解決這些難題。

2 大同礦區(qū)綜合機械化開采智能化技術(shù)現(xiàn)狀

目前,同煤集團在自動化及智能化綜采裝備技術(shù)方面,主要包括大斗溝礦普通綜采液壓支架電液控技術(shù)、麻家梁礦放頂煤智能化綜采裝備技術(shù)、四臺礦薄煤層智能化綜采裝備技術(shù),以及同忻礦千萬噸綜放開采示范。

2.1 大斗溝煤礦普通綜采液壓支架電液控制技術(shù)

應用“SAC型支架電液控系統(tǒng)”,支架采用鄰架、隔架操作,可實現(xiàn)成組操作。該系統(tǒng)具有人機交換界面,支架操作簡單,具有本架閉鎖,工作面全閉鎖以及成組動作等功能。該系統(tǒng)提高了支架控制操作的自動化程度,加快了支架動作速度,增加了支架工況和控制過程的信息化和監(jiān)視功能。電液控制提供的控制方式和過程的可調(diào)節(jié)性(如主動作與輔動作的協(xié)調(diào)配合,支架各部件的聯(lián)動配合,不同位置支架的動作關(guān)系等)使支架的動作更合理,更好地滿足實際需求,對工作面條件的適應性更強。

應用“MK-RP-6D礦用乳化液凈化/配比裝置”,有效地防止了水中濁度、懸浮物、粒度、酸堿等有害物質(zhì)對井下液壓設(shè)備的磨損腐蝕,避免液壓支柱在使用中存在的安全隱患,保證支架使用的穩(wěn)定性及使用壽命,加上自動配比的功能,只要按要求正常使用,支架少有堵、銹的現(xiàn)象發(fā)生,減少了支架配件更換的次數(shù)。

從2012 年底開始使用SAC 型支架電液控系統(tǒng)和乳化液凈化/配比裝置以來,共采出82301、82405、82401三個工作面,生產(chǎn)原煤50余萬噸。

2.2 麻家梁礦和四臺礦智能化綜采裝備技術(shù)

麻家梁礦14505工作面和四臺礦8213工作面均為智能化工作面,其不同點在于麻家梁礦為綜放工作面,四臺礦為薄煤層工作面,但其智能化工作原理是相同的。系統(tǒng)均分成三個層次,第一層次為單機設(shè)備層,第二層次為集中控制層(順槽監(jiān)控中心),第三層次為地面層。

單機設(shè)備層主要由各子系統(tǒng)完成設(shè)備的獨立控制,包括煤機子系統(tǒng)、電氣控制子系統(tǒng)、電液控制系統(tǒng)、運輸機系統(tǒng)、集成供液系統(tǒng)(泵站系統(tǒng))、網(wǎng)絡(luò)及信息系統(tǒng)(包括工作面以太網(wǎng)、視頻及三維系統(tǒng))。各子系統(tǒng)提供通信接口,開放通信協(xié)議,綜采自動化系統(tǒng)可通過通信接口實現(xiàn)對各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集及反向控制起停功能。

集中控制層主要在監(jiān)控中心內(nèi)完成,將采煤機系統(tǒng)、電液控系統(tǒng)、三機集中控制系統(tǒng)、泵站智能控制系統(tǒng)、工作面視頻監(jiān)控系統(tǒng)及數(shù)據(jù)上傳系統(tǒng)等結(jié)合在一起,實現(xiàn)在皮帶巷設(shè)備列車監(jiān)控臺內(nèi)對工作面設(shè)備的遠程與集中控制。

地面層實現(xiàn)對綜采工作面設(shè)備的遠程數(shù)據(jù)監(jiān)測,實時掌握工作面各設(shè)備的工況。

麻家梁礦電液控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)鄰架控制、隔架控制、成組控制。支架可以左右各控制5架支架,在成組操作過程中,只需要在一臺支架按下3個按鍵,大約2 s時間,就可以成組控制12架支架推溜、拉后溜等工序。

四臺礦薄煤層綜采工作面開采成套技術(shù)與裝備通過載波通訊方式,實現(xiàn)了采煤機數(shù)據(jù)傳輸至皮帶順槽監(jiān)控中心,對采煤機進行基本的動作控制。采煤機滾筒視頻、照明系統(tǒng)和紅外線發(fā)射裝置,能夠確保采煤機的準確定位以及截割直線度的遠程控制等。利用軸編碼器轉(zhuǎn)動角度反映滾筒位置及臥底量和采高等參數(shù),采煤機身配置本安型高清晰視頻信號系統(tǒng),具備遠控操作時“煤巖識別”截割條件。

2.3 同忻礦千萬噸級綜放工作面智能控制關(guān)鍵技術(shù)及示范工程

2014年,同煤集團承擔的國家發(fā)改委低碳技術(shù)創(chuàng)新及產(chǎn)業(yè)示范工程項目“千萬噸級綜放工作面智能控制關(guān)鍵技術(shù)及示范工程”,是針對大同礦區(qū)特厚煤層(16 m～20 m)綜采放頂煤技術(shù)存在的煤層頂煤回收率低,人工放煤智能化水平不高等問題提出立項攻關(guān)的。

項目基于現(xiàn)場人工放煤經(jīng)驗、設(shè)備運行特性、環(huán)境顯現(xiàn)特性等,建立了智能放煤決策系統(tǒng)；通過多傳感器融合技術(shù),開發(fā)了支架姿態(tài)控制系統(tǒng),結(jié)合電液控制系統(tǒng),實現(xiàn)了放煤機構(gòu)的精準放煤；基于千兆以太工業(yè)環(huán)網(wǎng),通過三級協(xié)同控制系統(tǒng)、煤流均衡控制等技術(shù),將采-放-運協(xié)同聯(lián)動,實現(xiàn)采煤與放煤的安全高效,最終形成了千萬噸級綜放工作面智能控制關(guān)鍵技術(shù)及示范工程(圖1～2 示意)。在同忻煤礦8202 綜放工作面得到現(xiàn)場實施,年產(chǎn)原煤1 060.55 萬噸,最高月產(chǎn)量126.12萬噸,工作面人員減少三分之一。

圖1 同忻礦8202工作面調(diào)度室遠程監(jiān)控臺

圖2 信息化生產(chǎn)運轉(zhuǎn)可視化系統(tǒng)

3 大同礦區(qū)千萬噸級綜放工作面智能控制關(guān)鍵技術(shù)

目前,同煤集團承擔的國家重點研發(fā)計劃“深地資源勘查開采”重點專項“千萬噸級特厚煤層智能化綜放開采關(guān)鍵技術(shù)及示范”(2018YFC0604500)項目,正在塔山礦8222 綜放工作面實施。以特厚煤層智能化綜放開采為核心,在智能群組放煤機理、智能放煤方法、煤矸精準識別技術(shù)、智能控制技術(shù)及裝備和工程示范等方面,擬取得一些相關(guān)技術(shù)成果。

3.1 智能群組放煤機理

對特厚煤層放頂煤開采頂煤體破碎機理、頂煤運移規(guī)律及特厚煤層覆巖結(jié)構(gòu)演化特征、特厚煤層智能綜放開采頂煤體群組放出規(guī)律等方面進行研究。通過建立特厚煤層裂隙擴展模型,揭示特厚頂煤體的裂隙擴展規(guī)律；開發(fā)覆巖破斷模擬實驗平臺,揭示頂煤運移中覆巖破斷演化特征；確立煤矸互相作用機制及其與含矸率關(guān)系；揭示特厚煤層自動化放煤機理和“采放”協(xié)調(diào)高效回采工藝方法,解決特厚煤層綜放開采大尺寸頂煤體破碎機理及群組頂煤放出規(guī)律問題,以實現(xiàn)特厚煤層智能化高效開采,揭示特厚煤層智能化綜放開采自動化放煤機理。

主要技術(shù)目標：

(1)揭示特厚煤層智能化綜放開采大尺度頂煤體的破碎機理;

(2)揭示特厚煤層智能化綜放開采自動化放煤機理;

(3)研制出高精度頂煤運移追蹤儀,位移測量偏差≤10 cm。

3.2 智能放煤方法

以現(xiàn)場人工放煤統(tǒng)計數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),通過對統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析,建立采放協(xié)調(diào)與多放煤口群組放煤關(guān)系,形成基于現(xiàn)場工作面放煤工藝技術(shù)參數(shù),開發(fā)智能放煤控制系統(tǒng)及軟件,形成工作面群組放煤工藝程序軟件,指導現(xiàn)場工作面實施。

主要技術(shù)目標：

(1)開發(fā)特厚煤層采放協(xié)調(diào)智能放煤決策軟件。

(2)開發(fā)特厚煤層綜放開采多源信息數(shù)據(jù)庫。可至少對5 種數(shù)據(jù),包括煤層賦存數(shù)據(jù)、礦壓顯現(xiàn)數(shù)據(jù)、頂煤冒放數(shù)據(jù)、采放工藝數(shù)據(jù)、頂煤回收數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

3.3 煤矸精準識別技術(shù)

主要開發(fā)融合煤矸沖擊振動與高光譜的煤矸識別新技術(shù)、基于探地雷達的頂煤厚度探測和工作面煤量監(jiān)測技術(shù),為綜放開采智能化控制提供準確的放煤狀態(tài)信息。通過分析煤矸沖擊振動信號特征,實現(xiàn)“耳聽”的煤矸仿生識別方法；分析煤矸高光譜譜線特征,以煤矸物質(zhì)成分區(qū)別為判據(jù),實現(xiàn)“目測”的煤矸仿生識別方法。通過頂煤厚度實時監(jiān)測來調(diào)整煤巖識別值,運用人工智能技術(shù)與人工放煤統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián),提高頂煤回收率。

主要技術(shù)目標：

(1)研制出煤矸識別裝置,煤矸識別率不低于90%;

(2)研制放煤量實時監(jiān)測裝置;

(3)基于探地雷達的頂煤厚度在線探測裝置,最大探測深度20 m,煤厚探測誤差小于10%。

3.4 智能放煤控制技術(shù)及裝備

研制“支-放”協(xié)調(diào)高效放煤機構(gòu),突破綜放工作面直線度監(jiān)控、支架位姿及放煤機構(gòu)精確位置監(jiān)控技術(shù),開發(fā)特厚煤層智能化綜放工作面基于放煤機構(gòu)精準控制、工作面直線度智能化控制、后部刮板輸送機煤流量控制,融合煤矸辨識信息、頂煤體量探測信息、煤流量激光掃描信息和采放協(xié)調(diào)智能群組放煤工藝模型的智能群組放煤控制系統(tǒng),實現(xiàn)綜放工作面三機自動化智能協(xié)同,實現(xiàn)綜放工作面“采-支-放-運”系統(tǒng)環(huán)節(jié)智能自適應。

主要技術(shù)目標：

(1)開發(fā)智能放煤控制軟件;

(2)研制高精度放煤機構(gòu)傾角和行程傳感裝置;

(3)研制智能化放煤控制器,具備放煤機構(gòu)手動和自動動作功能。

3.5 工程示范

通過對塔山礦年產(chǎn)1 500 萬噸8222智能化綜放工作面合理參數(shù)總體設(shè)計、綜放工作面成套設(shè)備選型、采放回采工藝應用效果以及綜放工作面安全智能保障技術(shù)體系的系統(tǒng)研究。建成特厚煤層綜放工作面安全智能保障技術(shù)體系,形成安全、高效、智能綜放開采示范工作面,實現(xiàn)特厚煤層智能化綜放開采,年產(chǎn)量突破1 500 萬噸的目標。

4 展望

開發(fā)和推廣應用綜放開采自動化和智能化技術(shù),減人提效是實現(xiàn)煤炭安全高效開采的根本途徑。大同礦區(qū)千萬噸級綜放工作面智能控制關(guān)鍵技術(shù)將突破特厚煤層智能化綜放開采技術(shù)與裝備瓶頸,攻克煤矸識別、群組放煤、智能控制等技術(shù)難題,實現(xiàn)特厚煤層智能化綜放開采,創(chuàng)建年產(chǎn)1 500萬噸智能化綜放開采示范工程,帶動國內(nèi)綜放開采礦區(qū)智能化開采技術(shù)的提高,為我國特厚煤層的安全、高效開發(fā)提供可靠的技術(shù)支撐。