黎亮

(四川華鎣山廣能(集團(tuán))有限責(zé)任公司， 四川 廣安 638600)

0 引言

由于煤礦安全高效生產(chǎn)的迫切需要，依托國家863計(jì)劃“煤炭智能化掘采技術(shù)與裝備”和國家發(fā)改委“煤炭綜采成套裝備智能系統(tǒng)”等重點(diǎn)專項(xiàng)支撐，近十年來我國煤炭開采自動(dòng)化和智能化裝備技術(shù)快速發(fā)展，多家煤炭集團(tuán)、采煤機(jī)械廠商開展了自動(dòng)化無人開采技術(shù)的研發(fā)工作，如神東榆家梁44305自動(dòng)化工作面、神華首個(gè)薄煤層自動(dòng)化采煤工作面、陜煤黃陵一礦1001工作面、山東能源濱湖棗莊16108薄煤層工作面等[1-5]。目前國內(nèi)外的綜采自動(dòng)化技術(shù)趨于成熟，已有多個(gè)礦井實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化采煤，且效果較好。為提高川煤廣能集團(tuán)綜采開采水平，緊跟煤礦開采技術(shù)發(fā)展趨勢，根據(jù)龍灘煤礦3124S煤層條件，設(shè)計(jì)了智能化工作面開采系統(tǒng)集成配套方案，進(jìn)一步促進(jìn)川煤廣能集團(tuán)綜采機(jī)械化成套技術(shù)和裝備向智能化、無人化的方向發(fā)展。

1 智能化工作面基本情況

為貫徹落實(shí)《中國制造2025》和《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，加快人工智能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，推動(dòng)人工智能和煤炭工業(yè)深度融合，順應(yīng)煤炭工業(yè)由人力、炮采、普采、綜采轉(zhuǎn)向智能化開采的發(fā)展趨勢，提高企業(yè)安全生產(chǎn)水平，按照川煤集團(tuán)“十三五”的“1233”發(fā)展思路和“突出轉(zhuǎn)型升級，強(qiáng)化改革和創(chuàng)新動(dòng)力”的工作要求，結(jié)合當(dāng)前煤炭企業(yè)勞動(dòng)效率低下、井下工作環(huán)境惡劣、招工困難和廣能公司龍灘礦綜采設(shè)備陳舊的實(shí)際，廣能公司決定在龍灘礦3124S工作面更新綜采裝備時(shí)，實(shí)施智能化綜采技術(shù)，為企業(yè)轉(zhuǎn)型升級發(fā)展引領(lǐng)方向。

為提高龍灘礦智能化水平，結(jié)合龍灘實(shí)際開采情況，整體設(shè)計(jì)規(guī)劃了3個(gè)智能化工作面：龍灘礦第一個(gè)智能化綜采試驗(yàn)工作面為3124S工作面，可推進(jìn)走向長度1 500 m，月推進(jìn)150 m；第二個(gè)智能化綜采接替工作面為3122S工作面，可推進(jìn)走向長度1 500 m；第三個(gè)智能化綜采接替工作面為3121工作面，可推進(jìn)走向長度3 000 m。

2 工作面設(shè)備配套

工作面裝備主要由采煤機(jī)、運(yùn)輸系統(tǒng)、液壓支架、集中供液系統(tǒng)、供電系統(tǒng)等組成[6]，如圖1所示。

圖1 龍灘3124S綜采工作面設(shè)備布置圖

2.1 采煤機(jī)

根據(jù)生產(chǎn)能力、煤層賦存條件，經(jīng)理論計(jì)算并結(jié)合智能化控制要求選用MG320/710-WD3型采煤機(jī)。采煤機(jī)配置的采高、速度、位置傳感器精確測量采煤機(jī)在工作面各個(gè)位置時(shí)的滾筒高度和行走速度，并根據(jù)學(xué)習(xí)記憶的采高、速度等內(nèi)容，在工作面內(nèi)自動(dòng)往復(fù)割煤，實(shí)現(xiàn)記憶截割功能。在記憶截割過程中，可以隨時(shí)在線調(diào)整滾筒高度，以適應(yīng)工作面煤層高度的微小變化。采煤機(jī)記憶截割學(xué)習(xí)過程可以分多次、自由暫停/繼續(xù)，自動(dòng)完成，斷電不影響學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)。

2.2 運(yùn)輸系統(tǒng)

根據(jù)采煤機(jī)割煤能力和工作面參數(shù)確定刮板輸送機(jī)型號為SGZ764/2×315，端卸方式，鏈條采用D級φ30×108圓環(huán)鏈，鏈條破斷負(fù)荷≥1 410 kN。轉(zhuǎn)載機(jī)為SZZ764/200橋式轉(zhuǎn)載機(jī)；破碎機(jī)型號為PLM1000。帶式輸送機(jī)型號為DSJ80/60/2×160，驅(qū)動(dòng)方式采用永磁電動(dòng)機(jī)+變頻器，低速大扭矩永磁電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，液壓自動(dòng)拉張緊裝置與DY帶式輸送機(jī)自移機(jī)尾及MY800自移系統(tǒng)配合，實(shí)現(xiàn)智能采運(yùn)協(xié)同控制、在線監(jiān)測與無人職守。

2.3 液壓支架

根據(jù)煤層賦存條件和頂板控制要求，確定液壓支架型號為ZY4000/12/25D，支架中心距1 750 mm。通過操作支架遠(yuǎn)程操作臺實(shí)現(xiàn)對液壓支架的遠(yuǎn)程控制，主要包括推溜、降架、拉架、升架，平衡、噴霧及其他功能動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對液壓支架自動(dòng)跟機(jī)功能的遠(yuǎn)程啟停。

2.4 遠(yuǎn)程集中供配液系統(tǒng)

根據(jù)智能化對水質(zhì)及用量的要求，確定乳化液泵站的型號為BRW400/37.5。采用三泵兩箱，噴霧泵型號為BPW500/16，供支架噴霧，減壓后供采煤機(jī)內(nèi)外噴霧、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)和破碎機(jī)冷卻，距工作面約3 000 m。實(shí)現(xiàn)乳化液自動(dòng)配比和乳化液濃度在線檢測，以及自動(dòng)配液站、進(jìn)水過濾站、乳化液給水反滲透水處理裝置等的自動(dòng)化遠(yuǎn)程控制。

3 智能化工作面的關(guān)鍵技術(shù)探索

3.1 工作面薄煤層三機(jī)配套技術(shù)

該工作面煤層厚度1.00～3.86 m，平均厚度1.40 m，確定采高為1.4～2.3 m。在三機(jī)配套設(shè)計(jì)中，滿足采煤機(jī)和運(yùn)輸設(shè)備的大功率、大運(yùn)量要求，巷道高度必須滿足智能化相關(guān)設(shè)備的高度要求，才能實(shí)現(xiàn)智能化快速推進(jìn)，設(shè)備隨車自移。通過以下幾方面關(guān)鍵配套技術(shù)達(dá)到要求。

3.1.1 機(jī)巷設(shè)計(jì)及設(shè)備列車關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)巷道地質(zhì)構(gòu)造，3124S機(jī)巷斷面形狀設(shè)計(jì)為梯形，巷道掘進(jìn)斷面12.61 m2，掘高2.6 m，掘?qū)?.8 m，凈斷面11.5 m2，凈高2.5 m，凈寬4.6 m。智能化綜采控制設(shè)備主體布置在設(shè)備列車上，設(shè)備列車上設(shè)備的擺放順序是絞車—集控中心1臺—綜保電源3臺—八組合開關(guān)2臺—移動(dòng)變壓器1臺—液管放置板車—電纜放置板車—電纜放置板車—絞車。智能化集控中心是設(shè)備列車中最高的設(shè)備，設(shè)計(jì)高度控制在1 500 mm，加上平板車及軌道高度，總高2 000 mm，如圖2所示。設(shè)備列車輪廓距離帶式輸送機(jī)外邊500 mm，距矮幫890 mm，此距離為人行通道，保證了設(shè)備運(yùn)行安全和行人安全。

圖2 機(jī)巷布置

3.1.2 三機(jī)配套關(guān)鍵技術(shù)

遇斷層截割巖石量往往超過中厚煤層，裝機(jī)功率要求大、機(jī)面高度要求和過煤空間要求大、運(yùn)量要求大。 選用雙截割電動(dòng)機(jī)2×160 kW的MG320/710-WD3型采煤機(jī)，降低了機(jī)面高度，增加了過煤空間,又滿足了大功率的要求；選用的刮板輸送機(jī)SGZ764/2×315、橋式轉(zhuǎn)載機(jī)SZZ764/200、膠帶輸送機(jī)DSJ80/60/2×160，滿足了大運(yùn)量需要。

復(fù)雜地質(zhì)條件工作面煤層高度變化大，在煤厚1.3～2.5 m之間時(shí)，機(jī)巷高度2.5 m。三機(jī)配套后，刮板輸送機(jī)機(jī)頭超出機(jī)巷煤壁約1.2～1.4 m，刮板輸送機(jī)機(jī)頭、機(jī)尾就會(huì)出現(xiàn)懸空現(xiàn)象。通過機(jī)頭、機(jī)尾處刮板輸送機(jī)三節(jié)中部槽變線，將機(jī)頭、機(jī)尾超出煤壁控制在800 mm，使機(jī)頭、機(jī)尾向工作面回縮，機(jī)頭做成整體剛性結(jié)構(gòu)，并將機(jī)頭、機(jī)尾設(shè)增設(shè)平行于底板的大拖架，通過過渡支架輔助推移裝置直接整體推移機(jī)頭、機(jī)尾。

為了保證智能化工作面刮板輸送機(jī)能按程序自動(dòng)推移，同時(shí)機(jī)巷有足夠臥底量，將機(jī)巷側(cè)采高定為2 000 m，中間段定為1 500 m。這樣機(jī)頭刮板輸送機(jī)三節(jié)中部槽就可做成異型，保證臥底量達(dá)到97 mm，比傳統(tǒng)配套的29 mm得到了大大提高，有效保證了浮煤的清理。圖3為機(jī)巷側(cè)配套局部示意圖。

圖3 機(jī)巷側(cè)配套局部示意圖

3.2 自動(dòng)跟機(jī)移架、自動(dòng)推溜關(guān)鍵技術(shù)

在智能化采煤過程中，液壓支架自動(dòng)跟機(jī)移架、自動(dòng)推溜是控制的核心部分。在實(shí)際使用過程中，要保證液壓支架跟機(jī)移架到位，頂板全接觸，自動(dòng)推溜到位，三角煤刮板輸送機(jī)彎曲段自然，不出現(xiàn)蹩卡。在實(shí)施中通過兩個(gè)措施解決。

1) 自動(dòng)跟機(jī)移架措施。自動(dòng)跟機(jī)移架時(shí)，順序?yàn)榻怠啤?，程序設(shè)計(jì)為擦頂移架，以時(shí)間控制，分別設(shè)計(jì)立柱和平衡缸動(dòng)作時(shí)間。支架頂脫離頂板就停止降架，支架板保持平行地面，抬底裝置動(dòng)作，使支架底座前段上翹，然后拉架到位，支架到位后升立柱和平衡缸，使支架頂完全接觸頂板。

2) 自動(dòng)推溜。采用步進(jìn)式推溜，通過控制推溜時(shí)間和行程，達(dá)到推移距離精確控制，避免局部過度彎曲或蹩卡。每10架支架同時(shí)推溜，采煤機(jī)每行走過一架支架，10架中最遠(yuǎn)一架推溜完成，增加一架支架推溜，自動(dòng)完成斜切進(jìn)刀。同時(shí)，通過行程數(shù)據(jù)檢測和現(xiàn)場視頻系統(tǒng)觀察，對不到位的進(jìn)行局部人工調(diào)整，保證刮板輸送機(jī)直線度控制。

3.3 無人值守運(yùn)輸系統(tǒng)技術(shù)

配套應(yīng)用大功率矮機(jī)身采煤機(jī)和智能型刮板輸送機(jī)、永磁直驅(qū)系統(tǒng)、液壓自控拉緊及自移機(jī)尾，通過集控中心對沿線運(yùn)輸設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)設(shè)備啟停及監(jiān)測。轉(zhuǎn)載機(jī)與自移機(jī)尾配合實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)載機(jī)每割一刀移動(dòng)800 mm，移動(dòng)三次后，通過帶式輸送機(jī)液壓自控張緊裝置和自移機(jī)尾配合自動(dòng)移動(dòng)2.4 m，自動(dòng)收帶，代替了傳統(tǒng)人工收帶。配套的帶式輸送機(jī)永磁直驅(qū)系統(tǒng)，可在線根據(jù)割煤量調(diào)整帶速，起到節(jié)能降耗的目的。整個(gè)操作全部由集中控制中心完成，實(shí)現(xiàn)了智能采運(yùn)協(xié)同控制、在線監(jiān)測與無人職守。

3.4 水處理系統(tǒng)及管理關(guān)鍵技術(shù)

智能化綜采能正常實(shí)施，水質(zhì)及乳化液是關(guān)鍵因素。液壓系統(tǒng)的失效近70%是由污染引起的[7]，必須對水質(zhì)和污染進(jìn)行有效管理。

1) 建立水處理系統(tǒng)。在龍灘礦建設(shè)地面污水處理站，每小時(shí)處理能力達(dá)100 t。處理后的礦井水達(dá)到生產(chǎn)用水標(biāo)準(zhǔn)，儲(chǔ)存在地面200 t水池內(nèi)。地面200 t水池通過多級泵抽至智能化綜采新建的100 t水池，全程輸送距離近10 000 m，供遠(yuǎn)程集中供配液系統(tǒng)使用，改變了傳統(tǒng)直接使用礦井水的情況，原水水質(zhì)得到了保證。在遠(yuǎn)程集中供配液中心，配套水處理系統(tǒng)，對原水進(jìn)行再次處理。通過反滲透裝置處理，加藥處理，三級過濾純水供水量能達(dá)到4 t/h以上，二級過濾水量可達(dá)20 t/h，用于遠(yuǎn)程噴霧冷卻系統(tǒng)使用。

2) 防污染管理。一是裝配支架油缸前，對液壓支架所有油缸進(jìn)行徹底清洗，去除加工鐵屑、銹蝕、油污和其他雜物后方可進(jìn)行油缸裝配，油缸在支架上裝配完成后，進(jìn)行支架供液操作調(diào)試時(shí)，必須使用合格的且與綜采現(xiàn)場一致的濃縮液，避免不同牌號、品種混用, 造成內(nèi)部再度污染；二是裝配液壓系統(tǒng)時(shí),對閥組、管路、接頭、密封件、乳化液箱等進(jìn)行徹底清洗,除去毛刺、切屑、銹蝕、油污和其他雜物；三是水處理系統(tǒng)及管路必須最先安裝，安裝完成并對工作面整個(gè)系統(tǒng)管路進(jìn)行沖洗合格后，方可進(jìn)行工作面支架安裝，工作面安裝支架供液必須使用集中供養(yǎng)處理合格的液體；四是在運(yùn)輸或工作面安裝過程中,對液壓接頭必須采取保護(hù)措施，防止外界污染進(jìn)入管路；五是加強(qiáng)對加工、裝配、調(diào)試維修及使用人員有關(guān)污染控制方面的教育和培訓(xùn)，嚴(yán)格按規(guī)定作業(yè)。

通過建立水處理系統(tǒng)和防污染管理，從根本上解決了液壓系統(tǒng)污染問題，為智能化綜采可靠運(yùn)行提供了保證。

4 應(yīng)用效果

該套綜采工作面智能化技術(shù)應(yīng)用在川煤廣能集團(tuán)龍灘煤礦3124S工作面。2019年2月在龍灘礦進(jìn)行了一個(gè)月地面聯(lián)調(diào)，于3月下井安裝調(diào)試，5月底一鍵啟停成功，6～8月進(jìn)行試生產(chǎn)。一采一準(zhǔn)組織生產(chǎn)，共推進(jìn)約240 m，總產(chǎn)量16萬t，最高班割煤7刀，最高日推進(jìn)8.8 m，最高月產(chǎn)量6.39萬t。一采一準(zhǔn)組織下與同隊(duì)伍2018年開采的相鄰類似條件(3124N綜采工作面)月單產(chǎn)3.64萬t相比，月單產(chǎn)增加2.36萬t，相對提高50%。生產(chǎn)班由18人/班減少到10人/班，每班減少了8人，工作面嚴(yán)格按照智能化采煤，跟機(jī)率達(dá)到90%，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)，效果良好。煤礦工人的工作環(huán)境由過去的“臟、苦、險(xiǎn)、累”變成現(xiàn)在智能化采煤，工人勞動(dòng)強(qiáng)度、工作環(huán)境都得到了很大改善，使得采煤高危行業(yè)向本質(zhì)安全型轉(zhuǎn)變。這對省內(nèi)及復(fù)雜地質(zhì)條件下建設(shè)本質(zhì)安全型礦井和煤炭生產(chǎn)方式變革具有重要的指導(dǎo)意義。