王家臣PENG Syd S李 楊

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)能源與礦業(yè)學(xué)院,北京 100083;2.放頂煤開(kāi)采煤炭行業(yè)工程研究中心,北京 100083; 3.西弗吉尼亞大學(xué),美國(guó) 摩根郡 26505)

中國(guó)2019年煤炭產(chǎn)量38.46 億t,占世界煤炭產(chǎn)量的47.3%,其中地下開(kāi)采比例高達(dá)85%,是世界上煤炭產(chǎn)量和地下開(kāi)采占比最高的國(guó)家。盡管2019年印度的煤炭產(chǎn)量達(dá)到7.56 億t,僅次于美國(guó)的10.51億t,處于世界第3 位,但是印度只有5%的煤炭來(lái)自地下開(kāi)采[1]。德國(guó)也在2018年關(guān)閉了最后一個(gè)地下煤礦[2],目前只有幾個(gè)露天煤礦在生產(chǎn)。美國(guó)是世界上除中國(guó)以外地下采煤產(chǎn)量最多的國(guó)家,也是地下采煤技術(shù)總體上先進(jìn)的國(guó)家。因此借鑒美國(guó)的先進(jìn)采煤技術(shù)經(jīng)驗(yàn),對(duì)進(jìn)一步推動(dòng)中國(guó)地下采煤技術(shù)發(fā)展十分重要[3,5]。

美國(guó)的煤礦數(shù)量和產(chǎn)量在近20 a 大幅度減少。煤礦數(shù)量從1994年的2 354 座(露天礦1 211 座,地下礦1 143 座)減少到2017年的680 座(露天礦434座,地下礦237 座,包括不需要提供產(chǎn)量數(shù)據(jù)的年產(chǎn)2.23 萬(wàn)t 以下的煤礦),煤炭產(chǎn)量從1994年的15.37億t 減少到2019年的10.51 億t。美國(guó)地下煤礦數(shù)量從1994年到2017年減少了79%,地下煤礦產(chǎn)量減少了32%。關(guān)閉的地下煤礦主要是以生產(chǎn)成本高于市場(chǎng)價(jià)格的煙煤和較薄煤層、開(kāi)采效益差的煤礦為主[6]。目前美國(guó)地下采煤產(chǎn)量占比為38%(2019年為3.97 億t),其中長(zhǎng)壁開(kāi)采占55%,房柱開(kāi)采占45%。近些年來(lái),盡管美國(guó)的地下煤礦數(shù)量和產(chǎn)量有所減少,但是地下開(kāi)采技術(shù)一直處于持續(xù)進(jìn)步中,比如工作面尺寸持續(xù)增大,設(shè)備更加大型化、更加可靠,單體設(shè)備和生產(chǎn)系統(tǒng)的自動(dòng)化程度更高,持續(xù)改善井下作業(yè)環(huán)境等。

1 長(zhǎng)壁開(kāi)采技術(shù)

美國(guó)的長(zhǎng)壁開(kāi)采概念可以追溯到19世紀(jì)匹茲堡煤層開(kāi)采的寬工作面,但是真正的長(zhǎng)壁綜采源于20世紀(jì)50年代初引進(jìn)了西德的刨煤機(jī)和節(jié)式支架,當(dāng)時(shí)主要用于西弗吉尼亞南部幾個(gè)煤礦的薄煤層開(kāi)采。在20世紀(jì)70年代中期,美國(guó)引進(jìn)了德國(guó)的掩護(hù)支架,在西弗吉尼亞北部煤礦進(jìn)行應(yīng)用,顯著提高了工作面產(chǎn)量和開(kāi)采的安全性,從此長(zhǎng)壁開(kāi)采技術(shù)得到穩(wěn)定發(fā)展,1982年長(zhǎng)壁工作面達(dá)到歷史上最多的118個(gè)。1990年以后,長(zhǎng)壁工作面數(shù)量持續(xù)減少,目前穩(wěn)定在40 個(gè)左右[7],由于效率和技術(shù)的進(jìn)步以及良好的管理,目前的40 個(gè)長(zhǎng)壁工作面比20世紀(jì)80年代118 個(gè)長(zhǎng)壁工作面產(chǎn)量還要高。

美國(guó)大部分長(zhǎng)壁開(kāi)采的礦井都是一井一面,礦井產(chǎn)量在300～700 萬(wàn)t/a,也有幾個(gè)礦井通常開(kāi)采2 個(gè)長(zhǎng)壁工作面,個(gè)別礦井為了維持產(chǎn)量偶爾會(huì)有3 個(gè)長(zhǎng)壁工作面同時(shí)生產(chǎn)的情況。美國(guó)的地下開(kāi)采工效是世界上地下開(kāi)采最高的國(guó)家,長(zhǎng)壁開(kāi)采的效率(2017年,5.4 t/工時(shí),折合1.2 萬(wàn)t/(人·a))是連續(xù)采煤機(jī)房柱法開(kāi)采的2 倍左右[8-12]。

1.1 工作面布置情況

美國(guó)的長(zhǎng)壁工作面采用多巷布置,工作面一側(cè)多為3 巷,個(gè)別有2 巷和4 巷的。工作面一側(cè)的整個(gè)煤柱寬度在40～135 m,具體寬度取決于巷道數(shù)量與開(kāi)采深度。工作面從開(kāi)切眼處后退式回采,至終采線時(shí),留下的大巷保護(hù)煤柱寬度為61～152 m,大部分在61～90 m。

近40 a 來(lái),美國(guó)長(zhǎng)壁工作面的尺寸越來(lái)越大,往往要滿足1 a 的回采期。工作面長(zhǎng)度在152～482 m,大部分工作面長(zhǎng)度大于366 m。工作面推進(jìn)長(zhǎng)度在976～6 860 m,而一半以上的工作面推進(jìn)長(zhǎng)度在2 439～4 268 m,并且工作面尺寸還有繼續(xù)增大趨勢(shì)。圖1,2 為2019年美國(guó)工作面的長(zhǎng)度和推進(jìn)長(zhǎng)度分布。

圖1 2019年美國(guó)長(zhǎng)壁工作面的長(zhǎng)度分布Fig.1 Panel width distribution of longwall mining in U.S.in 2019

圖2 2019年美國(guó)長(zhǎng)壁工作面的推進(jìn)長(zhǎng)度分布Fig.2 Panel length distribution of longwall mining in U.S.in 2019

1.2 工作面開(kāi)采設(shè)備

2018年,美國(guó)最后一個(gè)刨煤機(jī)工作面停采,此后所有長(zhǎng)壁工作面均采用采煤機(jī)割煤。采煤機(jī)平均總功率從1976年的261 kW 增加到了2019年的1 413 kW。2019年的采煤機(jī)最大功率是2 093 kW,其中大部分采煤機(jī)功率都在1 000 kW 以上。采煤機(jī)割煤速度可以達(dá)到45.7 m/min。一次割煤進(jìn)刀量為0.76～1.07 m,其中70%以上的進(jìn)刀量為1.07 m。為了滿足大尺寸工作面和大型設(shè)備的需求,2019年除了4 個(gè)工作面使用2 300 V 供電外,其余工作面都使用4 160 V 電壓供電。

由于兩柱式支架具有端面支護(hù)能力強(qiáng)和易于維護(hù)的優(yōu)點(diǎn),自1991年以來(lái),長(zhǎng)壁工作面均采用兩柱式支架。支架平均額定阻力從1976年的4 900 kN 增加到2019年的10 500 kN,而支架最大額定阻力為13 280 kN,如圖3所示。除個(gè)別老的工作面仍然采用1.5 m 寬的支架外,其余工作面均采用1.75 m或者2 m 寬的支架。所有支架都安裝了電液控制系統(tǒng)和采煤機(jī)啟動(dòng)系統(tǒng),支架的移架循環(huán)時(shí)間已經(jīng)減少6～8 s。

圖3 1976年以來(lái)支架額定阻力變化情況Fig.3 Supporting capacity of shield support of longwall mining in U.S.since 1976

工作面刮板輸送機(jī)采用雙中鏈布置,鏈條直徑從1976年的18～30 mm 增加到2019年的34～52 mm。刮板輸送機(jī)的平均功率從1976年的155 kW 增加到了2019年的3 188 kW,其中最大功率為4 925 kW,最小功率為1 045 kW。刮板輸送機(jī)的槽寬也逐步增加,2019年的槽寬為864～1 346 mm,其中大部分工作面都采用1 000 mm 槽寬。

刮板輸送機(jī)的鏈速也在增加,從1976年的1.07～1.58 m/s 增加到2019年的1.17～2.29 m/s,其中一半以上的鏈速都大于1.94 m/s。刮板輸送機(jī)的設(shè)計(jì)能力在1976年時(shí)為400～600 t/h,2019年時(shí)為7 000 t/h。

刮板輸送機(jī)在工作面端部與進(jìn)風(fēng)巷的轉(zhuǎn)載機(jī)采用T 字鏈接。轉(zhuǎn)載機(jī)的槽寬在1 000～1 600 mm,平均1 280 mm。轉(zhuǎn)載機(jī)的鏈速在95～168 m/min,平均140 m/min。為了破碎大塊煤巖,近年來(lái)破碎機(jī)的功率有所增加。

1.3 美國(guó)長(zhǎng)壁開(kāi)采特點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)

(1)美國(guó)長(zhǎng)壁工作面適用的煤田比較集中。2/3以上的長(zhǎng)壁工作面位于北阿巴拉契亞煤田,其余的長(zhǎng)壁工作面位于阿拉巴馬、伊利諾伊和猶他州。

(2)地質(zhì)條件簡(jiǎn)單。煤層平緩、厚度均勻和埋藏淺,大部分煤層的埋藏深度在640 m 以內(nèi),且頂板易于垮落。實(shí)際開(kāi)采深度在61～915 m,大部分開(kāi)采深度為101～400 m,近些年來(lái)開(kāi)采深度沒(méi)有什么變化。

(3)工作面尺寸逐步增大。工作面平均長(zhǎng)度從1976年的140 m 增加到2019年的360 m。近年來(lái),在沒(méi)有地質(zhì)構(gòu)造或其它條件限制時(shí),盡可能布置大尺寸工作面。歷史上工作面長(zhǎng)度曾經(jīng)在2013—2015年間達(dá)到503 m,但是2019年的最大長(zhǎng)度為482 m。工作面平均推進(jìn)長(zhǎng)度從1976年的1 128 m 增加到2019年的3 659 m,2019年最大的推進(jìn)長(zhǎng)度為6 860 m。

(4)以開(kāi)采中厚煤層為主。所有長(zhǎng)壁面都開(kāi)采水平或近水平煤層,采用單一分層或一次開(kāi)采煤層全厚。一般情況下,煤層的厚度就是開(kāi)采高度。大多數(shù)工作面的采高為1 524～2 438 mm,2019年的實(shí)際最小采高為1 674 mm。

(5)采用先進(jìn)的采礦設(shè)計(jì)和布置。所有長(zhǎng)壁工作面都采用多巷布置,有2～4 條進(jìn)風(fēng)巷(大多數(shù)為3條)。巷道形狀為矩形,由連續(xù)采煤機(jī)掘進(jìn),錨桿支護(hù)。工作面之間的煤柱不再回采。

(6)設(shè)備先進(jìn)可靠。所有設(shè)備都是重型和高可靠性的,個(gè)別子系統(tǒng)的可靠性大于90%,甚至接近100%,與行業(yè)/制造商建立了密切合作的服務(wù)制度。

(7)工作面安裝技術(shù)先進(jìn)。對(duì)于一個(gè)366 m 長(zhǎng)的工作面搬家只需要5～7 d(注:采煤機(jī)、刮板機(jī)和轉(zhuǎn)載機(jī)已經(jīng)預(yù)安裝在新工作面的情況下)。整個(gè)工作面搬家一般需要2 周時(shí)間。

(8)設(shè)備冗余,投資大,用人少。為了保證生產(chǎn)接續(xù)和高效生產(chǎn),一般礦井除了支架以外,均會(huì)投資一套完整設(shè)備和一套沒(méi)有整裝的設(shè)備,“一采一備”。一套完整的設(shè)備(液壓支架、采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī))用于生產(chǎn),另一套沒(méi)有整裝的設(shè)備(采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī))預(yù)先安裝在下一個(gè)工作面。一個(gè)長(zhǎng)壁開(kāi)采的礦井,包括地面選礦廠的職工人數(shù)在350～600。

(9)大型化、重型化、自動(dòng)化是美國(guó)長(zhǎng)壁工作面發(fā)展的基本方向。工作尺寸連續(xù)增加,開(kāi)采設(shè)備的重量、尺寸、功率都在增大。進(jìn)一步提升設(shè)備可靠性和生產(chǎn)系統(tǒng)自動(dòng)化是美國(guó)長(zhǎng)壁開(kāi)采的重要發(fā)展方向。美國(guó)的井下自動(dòng)化以提高開(kāi)采效率、研發(fā)制約自動(dòng)化開(kāi)采的關(guān)鍵裝備和提高井下安全、職業(yè)健康標(biāo)準(zhǔn)為主要目標(biāo)。

2 自動(dòng)化長(zhǎng)壁開(kāi)采技術(shù)

美國(guó)的自動(dòng)化長(zhǎng)壁開(kāi)采始于1984年的電液控液壓支架技術(shù),并一直發(fā)展至今。第1 代的半自動(dòng)長(zhǎng)壁開(kāi)采系統(tǒng)問(wèn)世于1995年,隨著傳感器技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)(IOT)技術(shù)發(fā)展,長(zhǎng)壁開(kāi)采技術(shù)也在逐步改進(jìn),包括控制粉塵技術(shù)、近距離感知和防碰撞技術(shù)以及遠(yuǎn)程控制技術(shù)等。自動(dòng)化技術(shù)分為工作面單機(jī)自動(dòng)化和長(zhǎng)壁生產(chǎn)系統(tǒng)的自動(dòng)化。

2.1 單機(jī)自動(dòng)化

2.1.1 自動(dòng)化液壓支架

電液控液壓支架首次使用是1984年在西弗吉尼亞州的莫加利縣煤礦,從此煤礦行業(yè)成為了最早使用計(jì)算機(jī)技術(shù)的行業(yè)之一。電液控液壓支架首次使用時(shí),主要問(wèn)題是設(shè)備不能適應(yīng)地下環(huán)境(潮濕和灰塵)以及電纜容易發(fā)生故障。到1990年左右,這些問(wèn)題得到了解決。電液控液壓支架可減少液壓支架的操作時(shí)間,從大于40 s(手動(dòng))減少到12～20 s;可以確保所有液壓支架移動(dòng)到正確位置,并整齊地?cái)[放于工作面,而且在整個(gè)工作面實(shí)現(xiàn)均勻的設(shè)定壓力;減少液壓支架操作人員的數(shù)量。

2.1.2 自動(dòng)化采煤機(jī)

采煤機(jī)的自動(dòng)化始于1978年(模擬)無(wú)線電遠(yuǎn)程控制技術(shù),然后就是1984年的(數(shù)字)控制技術(shù)[13]。1986年引入了“記憶切割”技術(shù),即記錄有關(guān)滾筒抬升高度和搖臂傾斜度以及采煤機(jī)位置的數(shù)據(jù),用來(lái)指導(dǎo)后續(xù)采煤機(jī)運(yùn)行以完成切割工作。最常用的“記憶切割”系統(tǒng)通常只控制前滾筒高度,而后滾筒通過(guò)固定的開(kāi)采高度來(lái)運(yùn)行,從而使工作面底板切割線更加均勻。但是該系統(tǒng)需要頻繁進(jìn)行數(shù)據(jù)收集及訓(xùn)練。

20世紀(jì)90年代初開(kāi)發(fā)了一種伽馬射線煤厚測(cè)量傳感器[14-15],用于控制采煤機(jī)沿煤層頂板進(jìn)行切割。由于該系統(tǒng)體積龐大,且只能對(duì)頁(yè)巖頂板有效識(shí)別,該系統(tǒng)沒(méi)有得到進(jìn)一步應(yīng)用。

開(kāi)發(fā)更先進(jìn)的傳感器,包括采煤機(jī)機(jī)身的俯仰和側(cè)傾傳感器,遙臂傾角傳感器以及采煤機(jī)位置的運(yùn)動(dòng)傳感器,從而確保可以更精確地控制采煤機(jī)運(yùn)行是提升采煤機(jī)自動(dòng)化水平的關(guān)鍵。目前的發(fā)展方向是解決采煤機(jī)俯仰和轉(zhuǎn)向問(wèn)題,對(duì)采煤機(jī)機(jī)身進(jìn)行定位,以便在隨后的工作面推進(jìn)過(guò)程中將采煤機(jī)機(jī)身調(diào)整至特定的俯仰角來(lái)對(duì)底板進(jìn)行修整[16]。

從20世紀(jì)90年代后期到2013年,澳大利亞的CSIRO 成功開(kāi)發(fā)了用于工作面對(duì)齊,采煤機(jī)水平控制和刮板輸送機(jī)行進(jìn)控制的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)[17-18]。該系統(tǒng)自2014年以來(lái)在澳大利亞煤礦得到廣泛應(yīng)用,但是直到最近幾年才應(yīng)用到美國(guó)長(zhǎng)壁工作面,截止至2019年有2 處礦山采用了該系統(tǒng)。

2.1.3 自動(dòng)化刮板輸送機(jī)

刮板輸送機(jī)(AFC)傳動(dòng)系統(tǒng)需要靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的功率儲(chǔ)備,以應(yīng)對(duì)啟動(dòng)高負(fù)載和處理鏈條松弛情況。20世紀(jì)80年代,由于鏈條尺寸和鏈條強(qiáng)度較小,經(jīng)常發(fā)生AFC 突然過(guò)載導(dǎo)致鏈條斷裂或驅(qū)動(dòng)電機(jī)燒壞現(xiàn)象。因此,1992年開(kāi)發(fā)了AFC 軟啟動(dòng)技術(shù),以處理重載啟動(dòng)問(wèn)題,確保驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間可均攤負(fù)載,也可避免機(jī)頭驅(qū)動(dòng)架上的鏈條松弛。20世紀(jì)90年代初引入了雙控液壓缸可張緊的尾部驅(qū)動(dòng)器來(lái)控制鏈條的張力。在2010年安裝了帶有智能張力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的機(jī)尾驅(qū)動(dòng)器。該系統(tǒng)在刮板上安裝有載荷傳感器,用以測(cè)量鏈條實(shí)時(shí)張力。

2.2 自動(dòng)化長(zhǎng)壁采煤系統(tǒng)

根據(jù)三機(jī)配套設(shè)備自動(dòng)化發(fā)展的時(shí)間順序可將美國(guó)的自動(dòng)化長(zhǎng)壁采煤系統(tǒng)大致分為3 個(gè)階段,即追機(jī)移架技術(shù)(SISA)、半自動(dòng)化長(zhǎng)壁工作面和采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制技術(shù)。

2.2.1 追機(jī)移架技術(shù)(SISA)

追機(jī)移架技術(shù)(SISA)源于20世紀(jì)80年代中期,其核心是在自動(dòng)化采煤機(jī)和自動(dòng)化液壓支架之間建立聯(lián)系,并且相互確認(rèn)位置。當(dāng)采煤機(jī)經(jīng)過(guò)后,其背后的液壓支架將自動(dòng)向前推移,然后刮板輸送機(jī)也自動(dòng)逐一推進(jìn)。該技術(shù)的基本要求是要有自動(dòng)化系統(tǒng)計(jì)算機(jī)、裝有紅外發(fā)射器的采煤機(jī)、帶有電液控制系統(tǒng)的支架和采煤機(jī)可執(zhí)行“記憶切割”。

由于井下空氣中存在大量粉塵和水霧的區(qū)域,會(huì)使紅外信號(hào)接收器發(fā)生混亂,導(dǎo)致采煤機(jī)的位置數(shù)據(jù)丟失,同時(shí)由于位置定位是以液壓支架編號(hào)來(lái)完成的,當(dāng)支架寬度從以前的1.5 m 增加到目前常用的1.75 m 或2 m 時(shí),根據(jù)此方法確定的采煤機(jī)位置不夠精確。因此,在20世紀(jì)90年代初,開(kāi)發(fā)并使用了一個(gè)編碼器接口電路,該電路可對(duì)采煤機(jī)驅(qū)動(dòng)鏈輪的齒數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù),并且位置識(shí)別功能比紅外傳感器系統(tǒng)更為精確。現(xiàn)在,所有采煤機(jī)都配備了這兩種系統(tǒng)(紅外和編碼器),以作相互補(bǔ)充。在2000年,開(kāi)發(fā)了用于監(jiān)控動(dòng)力馬達(dá)齒輪數(shù)的轉(zhuǎn)速監(jiān)視器,用來(lái)確定采煤機(jī)的位置,其精度可達(dá)毫米級(jí)。

當(dāng)采煤機(jī)采用單向割煤時(shí),該系統(tǒng)在整個(gè)工作面均具有較好的適用性。當(dāng)采用雙向割煤時(shí),該系統(tǒng)在工作面內(nèi)可正常運(yùn)行,但是在端頭處需要自動(dòng)模式下完成斜切進(jìn)刀兩次切割三角煤時(shí)遇到了很多困難。這一端頭自動(dòng)操作問(wèn)題一直到21世紀(jì)初才得到解決,自此追機(jī)移架系統(tǒng)得以全面使用。

2.2.2 半自動(dòng)化長(zhǎng)壁工作面

源于2000年的半自動(dòng)化長(zhǎng)壁工作面是美國(guó)目前最常用的一種長(zhǎng)壁開(kāi)采模式,主要是由追機(jī)移架系統(tǒng)(SISA)、采煤機(jī)姿態(tài)控制系統(tǒng)(ASA)和刮板輸送機(jī)動(dòng)態(tài)鏈管理系統(tǒng)(DCM),以及澳大利亞的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)組成(如果礦井選用該設(shè)備)。

ASA 系統(tǒng)包括采煤機(jī)傾角傳感器、搖臂傾角傳感器、轉(zhuǎn)速監(jiān)視器和采煤機(jī)精確定位等。DCM 系統(tǒng)包括刮板輸送機(jī)的鏈條張緊裝置、過(guò)載保護(hù)與軟啟動(dòng)等。

采煤機(jī)以記憶切割模式工作,目前的記憶切割模式比20世紀(jì)90年代以前開(kāi)發(fā)的初始版本系統(tǒng)更加準(zhǔn)確、可靠。另外,采煤機(jī)司機(jī)也可以對(duì)割煤的位置隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

該開(kāi)采模式目前仍然需要4～8 名工作人員,具體人員數(shù)量取決于實(shí)際的采礦和地質(zhì)條件,一般是1～2 名采煤機(jī)司機(jī)、1～3 名支架人員、1 名機(jī)械工程師、1 名輪轉(zhuǎn)工和1 名領(lǐng)班。

2.2.3 采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制技術(shù)

采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制技術(shù)始于2012年在新墨西哥州的一個(gè)煤礦,為了提高煤礦工人的安全性和煤炭產(chǎn)量[19],采煤機(jī)司機(jī)在工作面端頭控制點(diǎn)遠(yuǎn)程控制采煤機(jī)的采煤工作。

自2016年8月起,由于可吸入粉塵的標(biāo)準(zhǔn)從2 mg/m3降低至1.5 mg/m3。為了達(dá)到該標(biāo)準(zhǔn),西弗吉尼亞州煤礦也采用了類似的遠(yuǎn)程控制采煤系統(tǒng)。在這兩個(gè)遠(yuǎn)程控制采煤系統(tǒng)中[20],采煤機(jī)上安裝6～8 臺(tái)攝像機(jī),分別面向重要位置的不同方向,以便遠(yuǎn)程操控采煤機(jī)的司機(jī)可以實(shí)時(shí)看到整個(gè)工作面情況。1～4 臺(tái)攝像機(jī)安裝在刮板輸送機(jī)的頭尾驅(qū)動(dòng)部位置。

工作面遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)安裝在工作面端頭巷道中,同時(shí)地面也安裝了具有類似功能的地面控制中心。

美國(guó)在過(guò)去的20 a 中,自動(dòng)化采煤方面已經(jīng)取得很大進(jìn)展,但是尚不能稱為完全自動(dòng)化開(kāi)采。遠(yuǎn)程控制將工作面設(shè)備的操作人員轉(zhuǎn)移至遠(yuǎn)離工作面的安全地方通過(guò)攝像機(jī)監(jiān)控來(lái)完成設(shè)備操作工作。除了工作面實(shí)際工作人員沒(méi)有減少太多以外,兩個(gè)遠(yuǎn)程控制的長(zhǎng)壁工作面對(duì)人員健康、生產(chǎn)安全和煤炭產(chǎn)量等方面都有很大的提升。

2.3 大數(shù)據(jù)、高速通信與可視化技術(shù)

一個(gè)現(xiàn)代自動(dòng)化長(zhǎng)壁開(kāi)采系統(tǒng)配備了7 000 多個(gè)不同類型的傳感器,實(shí)時(shí)采集海量數(shù)據(jù),并連接到一個(gè)或多個(gè)PLCs 上(圖4),這就需要開(kāi)發(fā)一些軟件用來(lái)分析每個(gè)傳感器的數(shù)據(jù),以及傳感器之間數(shù)據(jù)的相關(guān)性。大數(shù)據(jù)和高速通信技術(shù)以及專用的軟件可以實(shí)時(shí)顯示每臺(tái)機(jī)器、三機(jī)中的任意一臺(tái)以及整個(gè)長(zhǎng)壁開(kāi)采系統(tǒng)的工況。

操作人員可以從屏幕上查看工作面形狀,并確定何時(shí)需要工作面調(diào)直。屏幕上可以顯示支架立柱阻力、時(shí)間加權(quán)平均阻力、載荷增量、支架高度與支架間碰撞情況,工作面位置及輪廓、采煤機(jī)的位置以及存儲(chǔ)控制部件的狀態(tài)。操作人員可以對(duì)雙重訪問(wèn)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器中的控制桿進(jìn)行編程,以校正切割,調(diào)整水平線。動(dòng)態(tài)鏈控制管理系統(tǒng)(DCM)顯示輸入壓力、設(shè)定和實(shí)際的鏈條張力,以及液壓缸活塞的實(shí)時(shí)位置等信息。

近年來(lái)各設(shè)備商還開(kāi)發(fā)了3D 可視化功能。該系統(tǒng)利用存儲(chǔ)控制部件從工作面三機(jī)中收集數(shù)據(jù),并構(gòu)建高保真3D 圖形系統(tǒng)。包括管理人員在內(nèi)的操作人員便可在生產(chǎn)過(guò)程中監(jiān)管整個(gè)長(zhǎng)壁工作面。操作人員可以選擇工作面三機(jī)中任意一臺(tái)的特定數(shù)據(jù)點(diǎn),并從任意角度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)長(zhǎng)壁系統(tǒng),這使得操作人員不僅可以看到正在運(yùn)行的裝備,還可以在接近預(yù)警系統(tǒng)中看到操作人員的位置,并且系統(tǒng)可以回放。

圖4 長(zhǎng)壁開(kāi)采數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[7]Fig.4 Data transmission system in longwall mining[7]

2.4 自動(dòng)化開(kāi)采問(wèn)題與方向

自動(dòng)化長(zhǎng)壁開(kāi)采技術(shù)源于美國(guó),但自20世紀(jì)90年代中期以來(lái),并沒(méi)有取得重大進(jìn)展,其主要原因是:

(1)目前的系統(tǒng)運(yùn)行良好,無(wú)需重大改進(jìn),且已能滿足開(kāi)采需要,此外自動(dòng)化系統(tǒng)的成功應(yīng)用并不能保證提高產(chǎn)量,甚至在某些情況下,還會(huì)減少產(chǎn)量。礦山工會(huì)害怕工人失業(yè)而抵制這項(xiàng)技術(shù)。

(2)“清潔能源計(jì)劃”政策限制燃煤電廠的二氧化碳排放,再加上近年來(lái)豐富廉價(jià)的頁(yè)巖氣,煤炭在發(fā)電中的份額大幅下降,煤炭產(chǎn)量減少,新的煤炭開(kāi)發(fā)項(xiàng)目也很少。在2000年代初,電液控液壓支架的價(jià)格大幅上漲,導(dǎo)致礦山經(jīng)營(yíng)者沒(méi)有能力購(gòu)買新設(shè)備,而是尋找其它替代品,如購(gòu)買二手液壓支架或延長(zhǎng)已有支架的使用年限。

(3)煤炭行業(yè)一直將注意力集中在改善礦工的健康和安全方面,在提高產(chǎn)量和減少作業(yè)人員方面并不迫切。

(4)井下地質(zhì)條件復(fù)雜多變,可能會(huì)對(duì)自動(dòng)化設(shè)備造成損壞,經(jīng)常需要人工操作。

美國(guó)在自動(dòng)化長(zhǎng)壁開(kāi)采技術(shù)升級(jí)中,一直致力于改善工作面設(shè)備的可靠性、保證工作人員的健康和安全等,目前主要的攻關(guān)方向?yàn)閇8]:

(1)開(kāi)發(fā)各種傳感器,以實(shí)時(shí)測(cè)量不斷變化的地質(zhì)和采礦條件,從而對(duì)工作面設(shè)備進(jìn)行高級(jí)控制。

(2)需要可以快速移動(dòng)的自動(dòng)化重型設(shè)備,特別是大量的液壓支架需要配置多個(gè)警告系統(tǒng),以確保礦工的安全,如:臨近傳感器或安全閉鎖裝置,以及可以反映設(shè)備移動(dòng)、故障和其他活動(dòng)的彩燈照明系統(tǒng)。

(3)液壓支架的智能噴水系統(tǒng),以便用于支架前進(jìn)過(guò)程中自動(dòng)抑制粉塵。發(fā)展液壓支架與采煤機(jī)之間的防撞技術(shù)。

(4)完善端頭往返和三角煤切割系統(tǒng),使工作面實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化。

(5)完善采煤機(jī)、液壓支架和刮板輸送機(jī)組件的實(shí)時(shí)工作狀況和診斷監(jiān)控系統(tǒng),使其可以及時(shí)進(jìn)行預(yù)防性維修。

(6)采煤機(jī)部件的自動(dòng)化:遙臂、擋煤板、大塊破碎機(jī)構(gòu)、牽引部和防塵噴水裝置。

(7)自動(dòng)化開(kāi)采系統(tǒng)的目標(biāo)是單臺(tái)設(shè)備可靠性達(dá)到98.5% 以上,整個(gè)礦井系統(tǒng)的可靠性接近100%。

3 房柱開(kāi)采技術(shù)

房柱開(kāi)采技術(shù)主要應(yīng)用于美國(guó)、澳大利亞、俄羅斯、加拿大和中國(guó)等。其中,美國(guó)是世界上采用房柱開(kāi)采技術(shù)最悠久和產(chǎn)量最多的國(guó)家,目前仍有超過(guò)56 個(gè)礦井以房柱開(kāi)采技術(shù)為主。但由于房柱開(kāi)采技術(shù)的煤炭回收率低,通風(fēng)管理困難等問(wèn)題,近20 a 來(lái)產(chǎn)量逐年下跌,如圖5所示。盡管長(zhǎng)壁開(kāi)采相對(duì)于房柱開(kāi)采規(guī)模更大,效率更高,但是房柱開(kāi)采技術(shù)具有投資少(約為長(zhǎng)壁技術(shù)的1/5)、能有效控制地表下沉等優(yōu)點(diǎn),在煤層賦存條件比較簡(jiǎn)單、煤層傾角較小、無(wú)法布置長(zhǎng)壁工作面,且瓦斯較少的近水平煤層中廣泛應(yīng)用[21]。

圖5 1999年與2019年美國(guó)房柱式采煤產(chǎn)量及占比Fig.5 Production and proportion of room & pillar mining in U.S.Between 1999 and 2019

3.1 美國(guó)房柱式開(kāi)采技術(shù)發(fā)展歷程

20世紀(jì)20年代,美國(guó)逐漸在房柱式地下采煤過(guò)程中使用了截煤機(jī)和裝載機(jī),從而代替了效率低下的人工放炮與人工裝煤的采煤工藝,這時(shí)用于房柱開(kāi)采的工藝系統(tǒng)是:截煤機(jī)落煤—裝載機(jī)—梭車—膠帶機(jī)工藝系統(tǒng),一般稱其為傳統(tǒng)普通房柱開(kāi)采技術(shù)系統(tǒng)。

從20世紀(jì)40年代中期Joy 發(fā)明連續(xù)采煤機(jī)開(kāi)始到20世紀(jì)80年代,房柱開(kāi)采工藝進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展階段。連續(xù)采煤機(jī)的發(fā)明和性能不斷完善,以及其配套設(shè)備的研制成功,逐步形成了連續(xù)采煤機(jī)—梭車(或運(yùn)煤車)—給料破碎機(jī)—帶式輸送機(jī)工藝系統(tǒng),即連續(xù)采煤機(jī)技術(shù)系統(tǒng)。這是目前房柱開(kāi)采的主要技術(shù)系統(tǒng)。進(jìn)入20世紀(jì)80年代中期,連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)的誕生替代了連續(xù)采煤機(jī)后配套的梭車、運(yùn)煤車和給料破碎機(jī)等設(shè)備,使房柱采煤工作面的生產(chǎn)能力得到了大幅度提高。其工藝系統(tǒng)為:連續(xù)采煤機(jī)—連續(xù)運(yùn)煤系統(tǒng)—帶式輸送機(jī)工藝系統(tǒng),稱之為連續(xù)采煤、連續(xù)運(yùn)輸技術(shù)系統(tǒng)。

20世紀(jì)90年代初,隨著履帶行走式液壓支架的研制成功,連續(xù)采煤機(jī)房柱式工藝中的支護(hù)工序?qū)崿F(xiàn)了機(jī)械化。這對(duì)房柱式采煤工藝來(lái)說(shuō)具有里程碑意義。該支架加入連續(xù)采煤機(jī)工藝系統(tǒng)和連續(xù)采、連續(xù)運(yùn)輸工藝系統(tǒng)以后,首次實(shí)現(xiàn)了連續(xù)采煤機(jī)房柱式落煤、裝煤、運(yùn)煤、支護(hù)工序的機(jī)械化生產(chǎn)[22]。這種以連續(xù)采煤機(jī)為中心的房柱式設(shè)備體系一直沿用至今。圖6是房柱法的技術(shù)發(fā)展歷程。

圖6 美國(guó)房柱式開(kāi)采技術(shù)發(fā)展歷程Fig.6 Technology development of Room & Pillar Mining in U.S.

3.2 美國(guó)房柱式開(kāi)采技術(shù)現(xiàn)狀及進(jìn)展

目前在美國(guó),經(jīng)過(guò)近百年對(duì)房柱式開(kāi)采技術(shù)不斷改進(jìn)和配套,在形成的以連續(xù)采煤機(jī)為中心的設(shè)備體系基礎(chǔ)上,逐步進(jìn)行設(shè)備的多樣化、信息化、人性化與智能化開(kāi)發(fā),尤其更加注重職業(yè)安全與健康的相關(guān)研究,包括粉塵、噪聲的控制。

3.2.1 多樣化的連續(xù)采煤機(jī)

小松(Joy,注2017年4月日本小松集團(tuán)收購(gòu)了美國(guó)久益(Joy)環(huán)球集團(tuán))、卡特皮勒(CAT)、艾克夫(Eickhoff)、山德維克(SandVic)等設(shè)備制造商,針對(duì)不同煤層厚度,不同的切割滾筒形態(tài),不同功率與開(kāi)采能力,制造了適合各種賦存條件下的系列連續(xù)采煤機(jī),尤其是針對(duì)薄煤層房柱式開(kāi)采,矮機(jī)身與高強(qiáng)度連續(xù)采煤機(jī)的開(kāi)發(fā)在近20 a 來(lái)取得了重大突破。

目前使用型號(hào)最多的連續(xù)采煤機(jī),是來(lái)自小松( 原 Joy Global Underground Mining LLC)的Joy12CM 系列連采機(jī),自1948年發(fā)明后,已經(jīng)為全球供應(yīng)了6 000 臺(tái)以上。在美國(guó)煤炭產(chǎn)量排名前20 的煤礦,98%用的連采機(jī)均來(lái)自久益(Joy)。Joy12CM系列連采機(jī)始終保持在北美銷量第1 的位置[23]。12CM12 是用于中厚～厚煤層開(kāi)采的最暢銷機(jī)型(圖7),12CM15 主要用于中厚煤層開(kāi)采(圖8)。小松制造商(Joy)開(kāi)發(fā)的14CM 系列連續(xù)采煤機(jī)能適應(yīng)于各種薄煤層條件,為使用房柱式采煤的礦井創(chuàng)造了許多產(chǎn)量記錄。

3.2.2 信息化與智能控制技術(shù)

圖7 Joy12CM12 型連續(xù)采煤機(jī)Fig.7 Joy12CM12 continuous miner

圖8 Joy12CM15 型連續(xù)采煤機(jī)Fig.8 Joy12CM15 continuous miner

小松(Joy)基于連續(xù)采煤機(jī)房柱開(kāi)采技術(shù)開(kāi)發(fā)了Joy 智聯(lián)系統(tǒng)(Joy connect)。該系統(tǒng)可以適用于房柱式開(kāi)采的所有裝備,從連續(xù)運(yùn)輸設(shè)備、頂板錨桿、給料破碎機(jī)和傳送帶中收集與生產(chǎn)相關(guān)的數(shù)據(jù)與信息,包括電壓、電流、溫度、壓力和流量,以及一些操作信息,將它們匯集到Joy 智聯(lián)系統(tǒng),然后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降乇?在調(diào)度室進(jìn)行分析并轉(zhuǎn)換成有用的信息后反饋給生產(chǎn)設(shè)備。

房柱式采煤工作面Faceboss 控制平臺(tái)通過(guò)綜合分析輔助操作工具、自動(dòng)排序、高級(jí)診斷、設(shè)備性能監(jiān)測(cè)和分析工具等的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù),使操作人員能夠在生產(chǎn)效率與運(yùn)行成本之間合理地進(jìn)行平衡[24]。Faceboss是目前井下所有Joy 設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)控制平臺(tái),如圖9所示。

圖9 Faceboss 控制系統(tǒng)Fig.9 Faceboss control system

2015年美國(guó)礦山安全與健康管理局(MSHA)發(fā)布了一項(xiàng)聯(lián)邦法規(guī),要求所有連續(xù)采煤機(jī)必須使用接近預(yù)警系統(tǒng),如圖10所示。因此,許多連續(xù)采煤機(jī)制造商均開(kāi)發(fā)了相關(guān)系統(tǒng),例如Joy12CM 與14CM 系列連采機(jī)均裝配有SmartZone 接近預(yù)警系統(tǒng),以提醒工作人員在大型裝備周圍工作時(shí)避開(kāi)危險(xiǎn)區(qū)域[25]。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)低能見(jiàn)度與模糊視線范圍內(nèi)的探測(cè),系統(tǒng)的接近傳感器確定了采煤機(jī)一個(gè)特定區(qū)域,如果有人接近該區(qū)域,采煤機(jī)將停止工作或者不能被啟動(dòng)。可安裝于房柱開(kāi)采的各種設(shè)備上。

圖10 連續(xù)采煤機(jī)SmartZone 接近預(yù)警系統(tǒng)Fig.10 SmartZone approaching alarm system of continuous miner

3.2.3 防塵與噪聲控制技術(shù)

小松(Joy)的Wethead 濕式切割是一種很受煤礦認(rèn)可的工作面粉塵控制技術(shù),并首先運(yùn)用在長(zhǎng)壁開(kāi)采中。該技術(shù)在切割滾筒的每個(gè)截齒后面都加入了細(xì)噴霧裝置,用來(lái)避免摩擦起火事故發(fā)生,同時(shí)降低呼吸性粉塵濃度。水噴霧作為冷卻劑和潤(rùn)濕劑,有效解決了工作面火花與粉塵問(wèn)題,同時(shí)用水作為潤(rùn)滑劑也延長(zhǎng)了截齒壽命,降低水的消耗量。

小松(Joy)系列連采機(jī)在噪聲控制技術(shù)開(kāi)發(fā)方面也取得了很大進(jìn)展。第1 個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是采用了低噪雙鏈齒輸送機(jī)鏈條和2 個(gè)平行八齒鏈輪增加扭轉(zhuǎn)剛度,這種鏈輪配置有效降低了輸送鏈斷裂的危險(xiǎn)。第2 個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是使用Joy 聚合物涂層的輸送鏈可以為連采機(jī)額外降低3 dB 噪聲。

美國(guó)安全與職業(yè)健康研究院(NIOSH)、肯納公司(Kennametal)與克里橡膠公司(Corry Rubber)針對(duì)房柱式采煤錨桿作業(yè)的噪聲進(jìn)行了長(zhǎng)期研究,認(rèn)為頂板錨桿施工作業(yè)是造成礦工聽(tīng)力損失的主要原因之一[26]。錨桿作業(yè)的噪聲源主要位于鉆桿與頂板交界下方100～200 mm 處。研究表明,通過(guò)使用一種靈活的減震材料將卡盤與鉆桿、鉆頭與鉆桿進(jìn)行隔離,可大幅度降低噪聲、減少傳遞到鉆桿的振動(dòng)。初步測(cè)試結(jié)果表明,該減震隔離器可以降低3～5 dB 的噪音。另一新技術(shù)是肯納公司(Kennametal)發(fā)明的錨桿鉆機(jī)粉塵收集器,這是一個(gè)類似鉆頭系統(tǒng)的附件,可以將頂板粉塵吸收在鉆頭真空系統(tǒng)中,以避免現(xiàn)場(chǎng)操作人員呼吸至體內(nèi)。

3.2.4 虛擬仿真實(shí)訓(xùn)技術(shù)

IM360 高級(jí)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)模擬器(圖11),能模擬現(xiàn)場(chǎng)房柱開(kāi)采連續(xù)采煤機(jī)操作環(huán)境,通過(guò)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的定制培訓(xùn)課程,完整再現(xiàn)了煤層賦存的地質(zhì)條件、煤巖強(qiáng)度、頂板高度以及其他重要的特征。學(xué)員通過(guò)操作連續(xù)采煤機(jī)觀察礦井的地質(zhì)環(huán)境,然后接受培訓(xùn)老師的教學(xué)與指導(dǎo),當(dāng)學(xué)員在模擬中達(dá)到了相應(yīng)水平的要求時(shí),就會(huì)批準(zhǔn)其進(jìn)入井下實(shí)際操作。

圖11 IM360 高級(jí)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)模擬器Fig.11 IM360 advanced virtual reality training machine

通過(guò)收集培訓(xùn)前后90 d 范圍內(nèi)的連采機(jī)司機(jī)的實(shí)際工作表現(xiàn)數(shù)據(jù),以觀察虛擬仿真實(shí)訓(xùn)的改進(jìn)效果。實(shí)際工作表現(xiàn)以每班進(jìn)尺作為衡量指標(biāo)。在進(jìn)行IM360 高級(jí)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)后,房柱開(kāi)采連采機(jī)司機(jī)的季度產(chǎn)量平均提高了12%。

4 結(jié) 論

(1)美國(guó)是世界上除中國(guó)以外地下開(kāi)采煤炭產(chǎn)量最多的國(guó)家,也是地下開(kāi)采技術(shù)總體上最先進(jìn)的國(guó)家。美國(guó)煤炭的地下開(kāi)采分為長(zhǎng)壁式和房柱式2 種技術(shù),其中長(zhǎng)壁開(kāi)采的產(chǎn)量占地下開(kāi)采產(chǎn)量的55%,其余45%為房柱開(kāi)采。在一些地質(zhì)條件適宜、儲(chǔ)量豐富、經(jīng)費(fèi)充足的礦井,一般以長(zhǎng)壁開(kāi)采為主,否則以房柱開(kāi)采為主。自1994年以來(lái),美國(guó)的礦井?dāng)?shù)量大幅度減少,地下礦由1 143 座減少到2017年的237座,減少了79%,而地下煤礦的煤炭產(chǎn)量減少了32%,相當(dāng)于單個(gè)礦井產(chǎn)量從1994年至2017年增加了230%,煤炭生產(chǎn)更加集中、高效。

(2)美國(guó)長(zhǎng)壁開(kāi)采以中厚煤層為主,采高一般為1.6～2.5 m。長(zhǎng)壁工作面均采用多巷布置、矩形斷面巷道、錨桿支護(hù),具有掘巷與支護(hù)速度快、逃生通道多等優(yōu)點(diǎn)。近些年來(lái),工作面尺寸、設(shè)備功率、設(shè)備尺寸逐漸增大,生產(chǎn)系統(tǒng)更加可靠。長(zhǎng)壁工作面的平均年產(chǎn)原煤588 萬(wàn)t,遠(yuǎn)高于中國(guó)工作面的平均單產(chǎn)。

(3)長(zhǎng)壁工作面的自動(dòng)化開(kāi)采源于1984年的電動(dòng)控制液壓支架的研發(fā)與使用,此后開(kāi)發(fā)了支架、采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)的單機(jī)自動(dòng)化技術(shù),以及開(kāi)發(fā)了追機(jī)移架技術(shù)。2000年以后開(kāi)始了半自動(dòng)化工作面技術(shù)和采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用。目前有2個(gè)工作面應(yīng)用了采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制技術(shù),其余工作面是以半自動(dòng)化工作面技術(shù)為主。美國(guó)的長(zhǎng)壁自動(dòng)化開(kāi)采技術(shù)基本解決了條件簡(jiǎn)單工作面的自動(dòng)化開(kāi)采問(wèn)題,一般情況下可有效提高工作面產(chǎn)量和減少工作面作業(yè)人員,但遇到復(fù)雜地質(zhì)條件時(shí),仍需要人工干預(yù)或者人工操作。自動(dòng)化開(kāi)采技術(shù)的下一步努力方向是研發(fā)自動(dòng)化開(kāi)采的關(guān)鍵傳感器和設(shè)備以適應(yīng)地質(zhì)條件變化、完善端部進(jìn)刀系統(tǒng),更加關(guān)注作業(yè)安全和職業(yè)健康,如開(kāi)發(fā)臨近傳感器或安全閉鎖裝置,以及可以反映設(shè)備移動(dòng)、故障和其他活動(dòng)的彩燈照明系統(tǒng)等。礦用大數(shù)據(jù)分析、高速通信與可視化技術(shù)也是目前美國(guó)的重要研發(fā)方向。

(4)房柱開(kāi)采技術(shù)在美國(guó)及其他一些采煤國(guó)家的許多礦井仍然得到應(yīng)用,雖然近30年來(lái)開(kāi)采工藝的變化不大,但對(duì)房柱式開(kāi)采相關(guān)的科技創(chuàng)新并未停止,尤其在近10 a,對(duì)于開(kāi)采裝備多樣化,開(kāi)采系統(tǒng)的自動(dòng)化、信息化、智能化相關(guān)技術(shù)開(kāi)發(fā)的成果顯著。另外,對(duì)操作人員的職業(yè)安全與健康的研究也更加深入,尤其是在噪聲與粉塵控制方面。

(注:由于美國(guó)使用短噸和洗精煤進(jìn)行煤炭產(chǎn)量統(tǒng)計(jì),所以文中的美國(guó)煤炭產(chǎn)量數(shù)據(jù)是換算過(guò)來(lái)的公制噸和原煤產(chǎn)量。1 t=1.102 3 短t;1 t 原煤=0.6 t精煤)