黎亮
(四川華鎣山廣能(集團(tuán))有限責(zé)任公司, 四川 廣安 638600)
由于煤礦安全高效生產(chǎn)的迫切需要,依托國家863計劃“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)”等重點專項支撐,近十年來我國煤炭開采自動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)械廠商開展了自動化無人開采技術(shù)的研發(fā)工作,如神東榆家梁44305自動化工作面、神華首個薄煤層自動化采煤工作面、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)外的綜采自動化技術(shù)趨于成熟,已有多個礦井實現(xiàn)了自動化采煤,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。
為貫徹落實《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)新動力”的工作要求,結(jié)合當(dāng)前煤炭企業(yè)勞動效率低下、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)備陳舊的實際,廣能公司決定在龍灘礦3124S工作面更新綜采裝備時,實施智能化綜采技術(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)合龍灘實際開采情況,整體設(shè)計規(guī)劃了3個智能化工作面:龍灘礦第一個智能化綜采試驗工作面為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。
工作面裝備主要由采煤機(jī)、運輸系統(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)在工作面各個位置時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)自動往復(fù)割煤,實現(xiàn)記憶截割功能。在記憶截割過程中,可以隨時在線調(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),自動完成,斷電不影響學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)。
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)動方式采用永磁電動機(jī)+變頻器,低速大扭矩永磁電動機(jī)直接驅(qū)動,液壓自動拉張緊裝置與DY帶式輸送機(jī)自移機(jī)尾及MY800自移系統(tǒng)配合,實現(xiàn)智能采運協(xié)同控制、在線監(jiān)測與無人職守。
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、噴霧及其他功能動作,實現(xiàn)對液壓支架自動跟機(jī)功能的遠(yuǎn)程啟停。
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。實現(xiàn)乳化液自動配比和乳化液濃度在線檢測,以及自動配液站、進(jìn)水過濾站、乳化液給水反滲透水處理裝置等的自動化遠(yuǎn)程控制。
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)計中,滿足采煤機(jī)和運輸設(shè)備的大功率、大運量要求,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、運量要求大。 選用雙截割電動機(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,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)能按程序自動推移,同時機(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 自動跟機(jī)移架、自動推溜關(guān)鍵技術(shù)
在智能化采煤過程中,液壓支架自動跟機(jī)移架、自動推溜是控制的核心部分。在實際使用過程中,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。在實施中通過兩個措施解決。
1) 自動跟機(jī)移架措施。自動跟機(jī)移架時,順序為降—移—升,程序設(shè)計為擦頂移架,以時間控制,分別設(shè)計立柱和平衡缸動作時間。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) 自動推溜。采用步進(jìn)式推溜,通過控制推溜時間和行程,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,自動完成斜切進(jìn)刀。同時,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。
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輸設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制,實現(xiàn)設(shè)備啟停及監(jiān)測。轉(zhuǎn)載機(jī)與自移機(jī)尾配合實現(xiàn)轉(zhuǎn)載機(jī)每割一刀移動800 mm,移動三次后,通過帶式輸送機(jī)液壓自控張緊裝置和自移機(jī)尾配合自動移動2.4 m,自動收帶,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。整個操作全部由集中控制中心完成,實現(xiàn)了智能采運協(xié)同控制、在線監(jiān)測與無人職守。
智能化綜采能正常實施,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,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,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行提供了保證。
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)計目標(biāo),效果良好。煤礦工人的工作環(huán)境由過去的“臟、苦、險、累”變成現(xiàn)在智能化采煤,工人勞動強(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。