任予鑫，馬 昆，康向南，杜 昭

(1.國家能源集團(tuán)寧煤公司 棗泉煤礦，寧夏 銀川 751411；2.中國礦業(yè)大學(xué) 公共管理學(xué)院，江蘇 徐州 221006)

智能化開采是煤礦工業(yè)發(fā)展進(jìn)入一個新的階段標(biāo)志，是現(xiàn)代煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的核心技術(shù)。王國法等提出礦井智能化建設(shè)技術(shù)，工作面智能化開采技術(shù)與裝備發(fā)展迅速[1-5]。隨著智能化技術(shù)發(fā)展，智能化裝備投入使用，國內(nèi)煤炭領(lǐng)域智能化開采從數(shù)量上、智能化程度上、常態(tài)化應(yīng)用水平上已處于3.0階段[6-9]。

棗泉煤礦一直將智能化開采作為推動現(xiàn)代化礦井高質(zhì)量發(fā)展的技術(shù)途徑。堅持加大智能化開采技術(shù)的應(yīng)用與研究，通過積極開展技術(shù)攻關(guān)和對內(nèi)技術(shù)服務(wù)工作，努力探索工作面智能開采的技術(shù)途徑[10，11]。

目前智能化開采工業(yè)示范應(yīng)用中，多為近水平工作面，工藝采用雙向?qū)ΨQ性的割煤工藝[12-18]。傾斜工作面單向割煤工藝，回采中上、下行工藝不同，在機(jī)頭、機(jī)尾割煤工藝不同，智能化化開采不能在全工作面常態(tài)化的運行。通過現(xiàn)場的示范工程應(yīng)用提出單向割煤的智能化開采工藝，提出了采煤機(jī)與支架的智能聯(lián)動跟機(jī)工藝。并對工程現(xiàn)場工藝方案優(yōu)化。從而實現(xiàn)了傾斜工作面的單向智能化開采在全工作面的常態(tài)化運行。

1 工程地質(zhì)概況

220704綜采工作面，工作面位于22采區(qū)+980m水平上山階段，工作面走向長度1970m，傾斜長度295m，平均厚度3.85m，工作面傾角為13.5°～16.9°，平均傾角15.4°。工作面距地表層間距為110～200m，回采過程中共揭露8條斷層，最大落差6.9m，最小落差0.9m。采用走向長壁綜合機(jī)械化采煤方法進(jìn)行開采。

工作面布置MG650/1750-WD型采煤機(jī)1臺，液壓支架168臺，其中在機(jī)頭配置3臺排頭架1臺過渡架，機(jī)尾配置4臺排頭架1臺過渡架。配套使用電液控及自動化集控裝置。

2 單向割煤工藝

2.1 工藝特點

1)單向割煤工藝在回采過程中采煤機(jī)上行、下行工藝不同，支架跟機(jī)動作不同。在機(jī)頭、機(jī)尾兩端頭的三角煤工藝不對稱。

2)工作面回采時下行時采煤機(jī)割煤、支架跟機(jī)移架；下行到機(jī)頭三角煤直接截割，清理浮煤，不在機(jī)頭做進(jìn)刀斜切段。上行時采煤機(jī)返機(jī)清理浮煤、支架跟機(jī)推溜；返至機(jī)尾，在機(jī)尾做進(jìn)刀斜切段進(jìn)行斜切進(jìn)刀割機(jī)尾的方式。

2.2 示范工作面單向割煤工藝

1)根據(jù)工程應(yīng)用現(xiàn)狀，工作面傾向長度295m，布置電液控支架168架，采煤機(jī)機(jī)身長度為15m，支架中心距為1.75m，采煤機(jī)機(jī)身占9臺支架。根據(jù)采煤工藝、生產(chǎn)方式將支架智能化移架工藝、采煤機(jī)自動截割劃分為10個工藝階段。

2)根據(jù)工作面單向割煤工藝，將工作面168臺支架對應(yīng)的分為三個階段。1#—20#，21#—142#，143#—168#。分別對應(yīng)采煤工藝為機(jī)頭三角煤移架推機(jī)頭工藝，中部跟機(jī)移架、推溜工藝，機(jī)尾三角煤斜切進(jìn)刀工藝。

3)根據(jù)工作面現(xiàn)場回采，在過斷層期間單向割煤工藝整體工藝不變，依然采用10個工藝階段的單向割煤工藝。但對采煤機(jī)運行速度、滾筒采高進(jìn)行人工干預(yù)調(diào)整，并進(jìn)行重新學(xué)習(xí)。對跟機(jī)移架的動作時間進(jìn)行設(shè)置以及跟機(jī)移架位置進(jìn)行設(shè)置。

3 采煤機(jī)截割工藝

3.1 循環(huán)深度

通過工藝的研究與應(yīng)用改進(jìn)，采煤機(jī)單向智能截割的工藝循環(huán)深度設(shè)置10較為適宜[10]。學(xué)習(xí)模式在工作面中部開始，但需躲避開采煤機(jī)在工作面設(shè)置的零點位置。下行進(jìn)行學(xué)習(xí)，初始工藝段為0段，通過一個完整單向割煤循環(huán)，采煤機(jī)截割工藝工藝段為從0至10，其中工藝段0與10為同一工藝。共計不同工藝為10個。在10個工藝段中，偶數(shù)工藝段均為采煤機(jī)下行割煤方向，與初始學(xué)習(xí)方向相同。奇數(shù)工藝段均為向右向上的工藝。

3.2 截割工藝

1)機(jī)頭三角煤工藝包括0-4，其中工藝段0為機(jī)頭割頂煤，工藝段2為機(jī)頭割底煤，工藝段4為機(jī)頭清理浮煤。1、3為采煤機(jī)改變方向的一種記憶工藝。

2)機(jī)尾三角煤的工藝包括5-10，其中工藝段5為割機(jī)尾頂煤，7為機(jī)尾割底煤，9為機(jī)尾清理浮煤。其余工藝作為采煤機(jī)變方向的一種記憶工藝。

3)中部割煤工藝為工藝段0、5、10。0、10為下行割煤工藝，5為返機(jī)清浮煤。

工作面采煤機(jī)行走最長距離為工藝2的最大距離到工藝7最大距離為272.61m。采煤機(jī)記憶截割循環(huán)如圖1所示。

4 支架跟機(jī)工藝

4.1 工藝階段

1)支架跟機(jī)工藝程序設(shè)置為10個階段，為工藝段1到工藝段10。對應(yīng)單向智能化割煤工藝3個階段。

機(jī)頭三角煤移架推機(jī)頭工藝，支架序號為1#—20#。在此段支架工作需觸發(fā)跟機(jī)程序工藝階段為階段1，階段2，階段3，階段4，階段5。中部跟機(jī)移架，推溜，支架序號為21#—142#，在此段支架動作需觸發(fā)跟機(jī)程序工藝段為階段1，階段6。機(jī)尾三角煤斜切進(jìn)刀工藝，支架序號為143#—168#，在此段支架需觸發(fā)跟機(jī)程序工藝段為階段6，階段7，階段8，階段9，階段10。

4.2 中部跟機(jī)工藝

1)下行時中部跟機(jī)進(jìn)行移架，(中部跟機(jī)移架支架序號為21#—142#)。

2)采煤機(jī)中部下行是中部跟機(jī)工藝，采煤機(jī)下行至135#，觸發(fā)跟機(jī)程序階段1。進(jìn)入中部下行工藝。對應(yīng)采煤機(jī)工藝段為10和0。

支架跟機(jī)動作為超前采煤機(jī)前滾筒5架位置的支架收回伸縮梁、護(hù)幫板；滯后前滾筒3架位置的支架打出伸縮梁(支護(hù)頂板) ；滯后后滾筒3架位置的支架跟機(jī)移架；滯后后滾筒5架位置的支架后打出伸縮梁護(hù)幫板。

3)采煤機(jī)上行返機(jī)清理浮煤時中部跟機(jī)工藝：觸發(fā)跟機(jī)程序階段6。對應(yīng)采煤機(jī)工藝段5。

支架對應(yīng)動作為超前采煤機(jī)后滾筒5架收回護(hù)幫板，滯后前滾筒5架打出護(hù)幫板，滯后采煤機(jī)前滾筒13架進(jìn)行推溜動作。

4.3 機(jī)頭三角煤工藝

1)采煤機(jī)下行至14#架時，觸發(fā)跟機(jī)程序階段2。此階段進(jìn)行20#—15#支架進(jìn)行順序移架。采煤機(jī)對應(yīng)工藝段0。

2)采煤機(jī)機(jī)頭割透，返機(jī)到達(dá)8#架時，觸發(fā)跟機(jī)程序階段3。對應(yīng)采煤機(jī)工藝段1。

3)采煤機(jī)在機(jī)頭割底煤上行至15#架時，觸發(fā)跟機(jī)程序階段4。此階段進(jìn)行6#—14#支架順序拉架。對應(yīng)采采煤機(jī)工藝段2—4。

4)浮煤清理完畢后進(jìn)行返機(jī)，返機(jī)至21#時，觸發(fā)跟機(jī)程序階段5。開始中部返機(jī)清理浮煤。此階段動作為機(jī)頭1#—10#順序進(jìn)行推移刮板機(jī)，推移刮板機(jī)結(jié)束后進(jìn)行1#—5#的順序補(bǔ)充拉架。

5)采煤機(jī)返機(jī)至25#架，觸發(fā)階段6進(jìn)入中部返機(jī)工藝，對應(yīng)的采煤機(jī)工藝段5。

4.4 機(jī)尾三角煤斜切進(jìn)刀工藝

1)采煤機(jī)返機(jī)至163#架時，觸發(fā)跟機(jī)程序階段7。此階段進(jìn)行補(bǔ)充推溜：推溜范圍為150#—157#，推至滿行程。對應(yīng)采煤機(jī)工藝段5。

2)采煤機(jī)機(jī)尾割透后需改變牽引方向向下牽引，當(dāng)牽引至162#架，觸發(fā)跟機(jī)程序階段8。在此段采煤機(jī)為工藝段6清理浮煤。

3)采煤機(jī)向下牽引至156#架時觸發(fā)跟機(jī)程序階段9。在此段觸發(fā)動作進(jìn)行162#—142#支架順序拉架。采煤機(jī)進(jìn)行機(jī)尾拉低、清掃浮煤，對應(yīng)采煤機(jī)工藝段7—9。

4)采煤機(jī)下行至139#架時，觸發(fā)跟機(jī)程序階段10。此階段進(jìn)行推出機(jī)尾斜切段：148#—157#為斜切進(jìn)刀段，158#—168#為直線段推移行程為滿行程。推移完畢后順序補(bǔ)充拉架163#—168#。

以上是工作面整個全智能化跟機(jī)控制工藝。觸發(fā)點和動作范圍是根據(jù)采煤機(jī)本身機(jī)身的長度，以及采煤機(jī)運行軌跡確定。單向割煤支架跟機(jī)工藝觸發(fā)點見表1。

5 智能跟機(jī)移架

單向智能割煤工藝建立后，實現(xiàn)在工程現(xiàn)場的高效運行，需提高采煤機(jī)截割速度。煤機(jī)速度提高就需建立在下行跟機(jī)時快速移架模式。液壓支架跟機(jī)需根據(jù)煤機(jī)位置判定速度的移架模式：根據(jù)紅外傳感器傳輸?shù)拿簷C(jī)位置，采煤機(jī)運行速度，通過支架中心距判定需要移設(shè)的支架及千斤動作。通過紅外傳感器接收煤機(jī)位置信號進(jìn)行模式調(diào)整。提升智能開采常態(tài)化高效運行。

5.1 智能跟機(jī)建立

1)建立智能化跟機(jī)模式，在單向割煤跟機(jī)移架過程中，根據(jù)采煤機(jī)與支架位置邏輯關(guān)系，加入采煤機(jī)截割速度控制關(guān)系。單向割煤采煤機(jī)返機(jī)工藝因支架不作移架動作，降低了對返機(jī)速度影響。通過現(xiàn)場工礦變化進(jìn)行返機(jī)速度設(shè)置學(xué)習(xí)，常態(tài)化實際生產(chǎn)中工藝段5采煤機(jī)返機(jī)速度在14m/min。保證采煤機(jī)在中部返機(jī)只需16min。

2)智能跟機(jī)速度建立。 下行割煤工藝段需在適應(yīng)現(xiàn)場工礦的條件下結(jié)合支架移架效果進(jìn)行速度調(diào)整；對干預(yù)調(diào)整速度進(jìn)行學(xué)習(xí)便于持續(xù)運行。保證在10個工藝段不變的情況下，在單獨的工藝段調(diào)整速度。兩端頭的8個工藝段因采煤機(jī)頻繁更換牽引方向、每個工藝段運行距離較短；對于采煤機(jī)截割速度不做調(diào)整。多以初始學(xué)習(xí)模式速度為主。

工作面實際生產(chǎn)中智能割煤常態(tài)化保持在三個速度。在兩端頭截割中速度小于6m/min，以及在中部截割傾角大于16°時采用此速度。中部截割過程中工作面傾角在14°時，截割速度常態(tài)化保持在8m/min?，F(xiàn)場出現(xiàn)煤幫片幫截割阻力降低，傾角降低的工礦中截割速度可提升至10m/min以上。從而保證智能開采的高效運行。常態(tài)化運行中中部截割工藝段0，10只需30min。

5.2 智能跟機(jī)移架模式

1)采煤機(jī)速度小于6m/min情況下采用觸發(fā)點順序移架模式，如圖2所示。根據(jù)單架移架參數(shù)設(shè)置單臺支架移設(shè)時間為15s，根據(jù)移架工藝支架滯后采煤機(jī)后滾筒進(jìn)行移架，只需根據(jù)位置推進(jìn)按圖中按順序①、②、③進(jìn)行順序移架。

圖2 智能移架模式一

2)當(dāng)在下行截割過程中采煤機(jī)速度大于6m/min小于10m/min情況下，根據(jù)單架移架時間15s進(jìn)行建立模型，此時需采用觸發(fā)點觸發(fā)進(jìn)行差動移架，根據(jù)支架移架工藝程序設(shè)置在滯后采煤機(jī)同時進(jìn)行2臺支架的同時移設(shè)，兩架進(jìn)行采取差動移設(shè)模式，如圖3所示。圖3中在滯后煤機(jī)同時移動標(biāo)識序號①的兩臺支架。移設(shè)完畢后再同時移設(shè)標(biāo)識序號②的兩臺支架。

圖3 智能移架模式二

3)采煤機(jī)速度大于10m/min情況下采用觸發(fā)點差動移架，同時進(jìn)行2臺，或3臺支架進(jìn)行差動交替移設(shè)模式，如圖4所示。圖4中在滯后煤機(jī)同時移動標(biāo)識序號①的兩臺支架。移設(shè)完畢后根據(jù)采煤機(jī)位置可同時移設(shè)標(biāo)識序號②的三臺支架，保證支架跟機(jī)移架支護(hù)頂板滿足采煤機(jī)快速截割。

圖4 智能移架模式三

6 結(jié) 論

1)智能化開采在傾斜工作面單向割煤工藝的應(yīng)用，對于支架與采煤機(jī)的工藝劃分為10個工藝段是符合工程現(xiàn)場條件，也滿足生產(chǎn)工藝需求。

2)單向智能化開采工藝在國家能源集團(tuán)棗泉煤礦效果良好。使得工作面智能開采得以常態(tài)化運行。實現(xiàn)了單日智能化開采13刀的成績，采煤機(jī)自動化率達(dá)95%，支架跟機(jī)自動化率達(dá)到92%。提高了智能化開采效率。

3)對于我國大部分礦井地質(zhì)較為復(fù)雜，存在傾角大，斷層多。實現(xiàn)智能化開采常態(tài)化運行較為不易。通過對于采煤機(jī)截割，支架跟機(jī)工藝優(yōu)化，大大提高了智能化開采現(xiàn)場工程契合度。為以后智能化開采奠定了基礎(chǔ)。