尚鵬賓

（河南焦煤能源有限公司九里山礦，河南 焦作 454002）

九里山礦作為焦煤集團(tuán)優(yōu)質(zhì)礦井，設(shè)計(jì)產(chǎn)能100 萬(wàn)t/a。2017 年開(kāi)始嘗試綜采放頂煤工藝，但原有綜放設(shè)備存在三機(jī)配套不合理、支架初撐力達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求等問(wèn)題。隨著智能化開(kāi)采發(fā)展，通過(guò)設(shè)備升級(jí)及智能化系統(tǒng)的應(yīng)用[1-3]，達(dá)到了集約、高效開(kāi)采。

1 智能化綜采放頂煤總體方案

綜采放頂煤工作面主要以電液控制系統(tǒng)、三機(jī)智能通訊系統(tǒng)、泵站控制系統(tǒng)、采煤機(jī)記憶截割控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以設(shè)備姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)和工作面視頻系統(tǒng)為保障，以工業(yè)總線網(wǎng)絡(luò)為通道，以大數(shù)據(jù)分析和處理為依據(jù)，以集控設(shè)備為平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)井下集控、地面遠(yuǎn)控為目標(biāo)，建設(shè)具有自主感知、綜合分析、智能處理的安全、高效、少人化的智能化綜采放頂煤工作面。

2 智能化系統(tǒng)設(shè)備配置功能

智能化工作面系統(tǒng)主要由液壓支架電液控制系統(tǒng)、工作面視頻監(jiān)控系統(tǒng)、采煤機(jī)記憶截割系統(tǒng)、順槽集控系統(tǒng)和地面集控系統(tǒng)組成，通過(guò)集控系統(tǒng)將液控系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)、工作面設(shè)備控制等有機(jī)融合，實(shí)現(xiàn)工作面設(shè)備智能化控制。

2.1 電液控系統(tǒng)

液壓支架電液控系統(tǒng)作為智能化控制核心，集控系統(tǒng)通過(guò)電液控系統(tǒng)向液壓支架發(fā)出指令，控制支架動(dòng)作進(jìn)行智能化采煤。

2.2 工作面視頻系統(tǒng)

工作面視頻系統(tǒng)作為綜采智能化系統(tǒng)的輔助系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面現(xiàn)場(chǎng)及設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)集控中心人員提供工作面現(xiàn)場(chǎng)關(guān)鍵信息，輔助智能化開(kāi)采。

2.3 采煤機(jī)記憶截割

采煤機(jī)通過(guò)記憶截割系統(tǒng)、人工操作系統(tǒng)學(xué)習(xí)示范后，采煤機(jī)通過(guò)記憶信息，自主調(diào)整搖臂狀態(tài)，完成自動(dòng)記憶截割，實(shí)現(xiàn)智能化采煤。

2.4 工作面視頻監(jiān)控系統(tǒng)

工作面每6 架安裝一臺(tái)云臺(tái)攝像儀，通過(guò)環(huán)網(wǎng)交換機(jī)將工作面視頻傳輸至順槽及地面集控中心。實(shí)現(xiàn)割煤時(shí)全程360°無(wú)死角監(jiān)控，并能自動(dòng)跟機(jī)旋轉(zhuǎn)，實(shí)時(shí)顯示工作面采場(chǎng)工作畫面。

2.5 順槽及地面集控系統(tǒng)

順槽及地面集控系統(tǒng)功能一致，能監(jiān)測(cè)采煤機(jī)位置、運(yùn)行信息，三機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，液壓支架電磁閥工作狀態(tài)、立柱壓力、推移行程，液壓泵站壓力、油位、水位，工作面礦壓分析、采煤機(jī)運(yùn)行軌跡等信息，實(shí)現(xiàn)了工作面生產(chǎn)信息數(shù)字化、可視化。

3 智能化綜采放頂煤采煤工藝

3.1 采煤方法

15091 工作面采用單一走向長(zhǎng)壁采煤法，智能化綜合機(jī)械化放頂煤工藝。該工作面采取雙向割煤，整套回采工藝為：采煤機(jī)破煤、裝煤（放頂煤）；刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、帶式輸送機(jī)運(yùn)煤；液壓支架支護(hù)頂板，采用全部垮落法處理采空區(qū)頂板。

3.2 回采工藝

采煤機(jī)尾（機(jī)頭）斜切進(jìn)刀→回割三角煤→下行（上行）正式割煤→推前部刮板輸送機(jī)→移架→機(jī)頭（機(jī)尾）斜切進(jìn)刀→放頂煤→拉后部刮板輸送機(jī)。

放煤方法：采用一采一放，放煤采用多輪、間隔、順序、等量的放煤工藝。

3.2.1 采煤機(jī)進(jìn)刀方式

采取端部斜切進(jìn)刀，根據(jù)采煤機(jī)機(jī)械特征，采煤機(jī)進(jìn)刀段長(zhǎng)度應(yīng)不小于35 m。采煤機(jī)采用電牽引方式，雙向割煤，往返一次兩刀。采煤機(jī)進(jìn)刀方式如圖1。

圖1 采煤機(jī)進(jìn)刀方式示意圖

（1）當(dāng)采煤機(jī)割至工作面端頭時(shí)，其后的前部輸送機(jī)已移近煤壁，如圖1（a）；

（2）調(diào)換滾筒位置，前滾筒降下、后滾筒升起并沿輸送機(jī)彎曲段反向割入煤壁，直至輸送機(jī)直線段為止，然后將輸送機(jī)移直，如圖1（b）；

（3）再調(diào)換兩個(gè)滾筒上下位置，重新返回割煤至輸送機(jī)機(jī)頭處，如圖1（c）；

（4）將三角煤割掉、煤壁割直后，再次調(diào)換上下滾筒，返程正常割煤，如圖1（d）。

由工作面機(jī)頭（機(jī)尾）端頭斜切進(jìn)刀，調(diào)整前后滾筒回割機(jī)頭（機(jī)尾）三角煤，再次調(diào)整滾筒進(jìn)行正式割煤。當(dāng)采煤機(jī)將上一刀煤割通后，將刮板輸送機(jī)推直，調(diào)整前后滾筒高度由端頭再次斜切進(jìn)刀，回割機(jī)頭三角煤，正式割煤，然后進(jìn)入下一循環(huán)割煤。

3.2.2 推前部刮板輸送機(jī)

前部輸送機(jī)滯后采煤機(jī)后滾筒15 m 以外推入，跟機(jī)分段推入，保證輸送機(jī)直線度。推移時(shí)不得任意分段或由兩端向中間擠移。

3.2.3 拉移支架（帶壓擦頂移架）

采煤機(jī)割煤后滯后采煤機(jī)后滾筒3 ～5 架追機(jī)移架，頂板破碎時(shí)，滯后采煤機(jī)后滾筒1 ～2 架追機(jī)移架，及時(shí)支護(hù)頂板。正常情況下采用電液控鄰架操作，移架到位后由電液控系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)液。若自動(dòng)補(bǔ)液功能無(wú)法使用時(shí)滯后采煤機(jī)后滾筒不超過(guò)40 架利用電液主控閥進(jìn)行二次補(bǔ)液，確保液壓支架初撐力不小于24 MPa。

移支架前，架內(nèi)和架間的浮煤等雜物必須清理干凈，嚴(yán)禁不清煤移架。移前槽后及時(shí)移架，液壓支架保持最小控頂距。帶壓擦頂移架的操作順序?yàn)椋菏褂秒娨嚎剜徏懿僮鹘盗海ㄊ丈炜s梁及護(hù)幫板）→降主頂梁→移支架→升主頂梁及前梁（伸前探梁及護(hù)幫板）。移架時(shí)，以能使支架前移為宜，防止咬架或漏頂煤。

3.2.4 放頂煤工藝

（1）當(dāng)頂煤厚度小于1 m 時(shí)，由機(jī)頭向機(jī)尾，采用隔一架一放、單輪順序放煤方法；當(dāng)頂煤厚度大于1 m 時(shí)，由機(jī)頭向機(jī)尾，采用隔一架一放、多輪順序放煤方法。放煤工作原則上必須在采煤機(jī)停機(jī)時(shí)進(jìn)行，但跑空刀時(shí)可小流量放煤，放煤時(shí)由班長(zhǎng)安排專職放煤工，根據(jù)支架的編號(hào)順序放煤。

（2）放煤時(shí)，先打開(kāi)放煤插板，開(kāi)始放煤，待見(jiàn)矸石下落時(shí)，及時(shí)關(guān)閉插板。放煤過(guò)程中盡量使勻速放煤，以減少混矸。放煤時(shí)，煤量要適中，以防煤量過(guò)大壓死后槽。放煤作業(yè)結(jié)束后，工作面才能進(jìn)行下一循環(huán)割煤移架工作。

（3）第一輪放煤時(shí)，先放單號(hào)架，由機(jī)頭向機(jī)尾依次放煤，雙號(hào)架滯后10～15 m 開(kāi)始放煤。放煤時(shí)要緩慢開(kāi)啟插板，先將插板收回1/3～1/2，讓頂煤緩慢均勻地流入后部刮板輸送機(jī)，調(diào)節(jié)插板收縮量進(jìn)行放煤操作。根據(jù)煤厚實(shí)際情況，適當(dāng)調(diào)整放煤時(shí)間，確保煤量均衡。

（4）第二輪放煤時(shí)，通過(guò)尾梁上下擺動(dòng)、插板來(lái)回伸縮進(jìn)行放頂煤操作，確保頂煤均衡放出。

（5）第三輪放煤時(shí)，增加尾梁上下擺動(dòng)次數(shù)，來(lái)回伸縮插板放出頂煤，直至放完頂煤見(jiàn)矸。

（6）回收尾梁時(shí)，必須先收回插板；放煤完畢，應(yīng)先下調(diào)尾梁護(hù)槽，再將插板伸出，保證前后支架尾梁和插板處于同一平面，減少尾梁間漏矸，最后操作手把及時(shí)復(fù)位。

3.2.5 拉后部刮板輸送機(jī)

為防止后槽下滑，拉后槽由機(jī)頭向機(jī)尾依次順序進(jìn)行，拉后槽前檢查輸送機(jī)、支架尾梁、插板、液壓管路等是否相互影響。拉移時(shí)，嚴(yán)禁相向操作或誤操作，一次拉移長(zhǎng)度不小于15 m，確保拉移到位，拉移步距為0.6 m，拉移后刮板輸送機(jī)成一條直線。

4 智能化綜采放頂煤技術(shù)分析預(yù)警

4.1 工作面數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與分析

順槽集控中心監(jiān)測(cè)包括采煤機(jī)工況監(jiān)測(cè)、三機(jī)工況監(jiān)測(cè)、液壓支架工況監(jiān)測(cè)、泵站系統(tǒng)工況監(jiān)測(cè)、設(shè)備信息、故障報(bào)警、統(tǒng)計(jì)分析與報(bào)表輸出，能監(jiān)測(cè)采煤機(jī)位置、運(yùn)行信息，三機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，液壓支架電磁閥工作狀態(tài)、立柱壓力、推移行程，液壓泵站壓力信息、油位、水位，工作面礦壓分析、采煤機(jī)運(yùn)行軌跡等信息，實(shí)現(xiàn)了工作面生產(chǎn)信息數(shù)字化、可視化。

4.2 液壓支架姿態(tài)監(jiān)測(cè)與控制

液壓支架每架安裝4 個(gè)傾角傳感器，可以反映出支架底座、四連桿、頂梁及護(hù)幫板傾角，從而計(jì)算出支架姿態(tài)。整個(gè)工作面支架姿態(tài)匯總在一起，創(chuàng)造性地反映出了工作面頂?shù)装迤鸱?、工作面采高等信息?/p>

根據(jù)支架姿態(tài)信息，集控系統(tǒng)綜合分析，對(duì)于姿態(tài)不在正常區(qū)間的支架，在移架時(shí)，電液控系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整支架姿態(tài)，使其姿態(tài)逐步恢復(fù)正常區(qū)間，做到工作面工程質(zhì)量動(dòng)態(tài)達(dá)標(biāo)管控。

4.3 工作面設(shè)備一鍵啟停與視頻監(jiān)控

通過(guò)集控系統(tǒng)，融合乳化液泵站、采煤機(jī)、三機(jī)、液壓支架、膠帶輸送控制，將集控中心操作臺(tái)設(shè)置為自動(dòng)模式，可以對(duì)工作面所有設(shè)備進(jìn)行一鍵啟停，實(shí)現(xiàn)一鍵順序啟停、鼠標(biāo)割煤的智能化開(kāi)采新模式。

通過(guò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，可視控制單臺(tái)云臺(tái)攝像儀360°旋轉(zhuǎn)，并能對(duì)畫面大小進(jìn)行縮放，畫質(zhì)清晰，能將工作面真實(shí)情況傳輸至順槽及地面集控中心。生產(chǎn)期間，云臺(tái)攝像儀可以跟隨采煤機(jī)自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，始終有4 臺(tái)攝像儀監(jiān)控采煤機(jī)附近作業(yè)情況，為安全生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

5 智能化綜采放頂煤技術(shù)效益分析

（1）減少工作面作業(yè)人數(shù)，節(jié)約薪酬支出。通過(guò)15091 工作面智能化設(shè)備的投用，實(shí)現(xiàn)了工作面智能化開(kāi)采，工作面作業(yè)人員由原來(lái)每班的25人減少至10 人，每年可節(jié)省人工費(fèi)用486 萬(wàn)元，同時(shí)大幅度減少生產(chǎn)作業(yè)區(qū)域人員，降低職工勞動(dòng)強(qiáng)度，智能化開(kāi)采，提高作業(yè)安全系數(shù)，實(shí)現(xiàn)“少人則安”。

（2）減少故障影響，提高生產(chǎn)效率。智能化工作面故障自診斷系統(tǒng)包含采煤機(jī)故障自診斷系統(tǒng)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，為設(shè)備保養(yǎng)維護(hù)提供建議，做到了預(yù)防性檢修。采煤機(jī)未出現(xiàn)較大故障，工作面的正常生產(chǎn)得到有效保證。

（3）視頻跟機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)，根據(jù)采煤機(jī)位置顯示其附近4 臺(tái)攝像儀視頻，并隨著采煤機(jī)實(shí)時(shí)位置自動(dòng)跟機(jī)旋轉(zhuǎn)、切換畫面和調(diào)整角度，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)備全程可視化管理，人員遠(yuǎn)程操作，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善生產(chǎn)環(huán)境，提高煤炭生產(chǎn)的安全性。

（4）工作面采用生產(chǎn)工藝大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與故障診斷系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)采煤工藝的大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，自動(dòng)構(gòu)建工作面割煤工藝模式，自動(dòng)診斷液壓支架、動(dòng)態(tài)統(tǒng)計(jì)分析設(shè)備自動(dòng)化開(kāi)機(jī)率、跟機(jī)移架率、意外停機(jī)率、人工干預(yù)率等關(guān)鍵指標(biāo)，對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)設(shè)備保養(yǎng)提供合理建議，降低設(shè)備故障率。

6 結(jié)語(yǔ)

九里山礦綜采放頂煤技術(shù)建設(shè)完成，提高了生產(chǎn)效率，減少了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員，降低了系統(tǒng)的維護(hù)量及員工的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了作業(yè)安全系數(shù)，雖然在應(yīng)用過(guò)程中還存在一定問(wèn)題，但為智能化開(kāi)采探索出不同的解決方案，推動(dòng)智能化開(kāi)采穩(wěn)步推進(jìn)。