向家雨，黃 瑩，張定堂，楊文明，楊元凱

鄭州煤礦機(jī)械集團(tuán)股份有限公司 河南鄭州 450010

近 年來，隨著科技進(jìn)步和管理水平的提升，我國煤礦智能化建設(shè)快速發(fā)展，已建成了 400 余個智能化開采工作面，取得了豐碩成果，但總體上還處于煤礦智能化建設(shè)的初級階段，仍面臨著不少問題與挑戰(zhàn)[1-5]。

我國綜采裝備成套一體化發(fā)展相對滯后，選型配套一般采用煤礦用戶牽頭多廠家參與的方式，采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)、智能化控制系統(tǒng)等大多來自不同的廠家，由于通信協(xié)議不統(tǒng)一，數(shù)據(jù)開放有限，導(dǎo)致我國的智能化工作面大多通過簡單的硬件兼容和軟件集成實現(xiàn)控制，在單個設(shè)備或功能的智能控制基礎(chǔ)上增加了工作面所有設(shè)備的聯(lián)動過程，設(shè)備間的協(xié)同性、融合度和對復(fù)雜煤層賦存條件的適應(yīng)性有待加強，井下實際應(yīng)用過程中人工干預(yù)比較多[6-10]。而美國、日本、波蘭等國外公司早已形成了由單一集團(tuán)提供成套裝備及智能化控制系統(tǒng)的能力，例如卡特、小松、法穆爾等公司在井工綜采方面均具有獨立成套供應(yīng)液壓支架、采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)及自動控制系統(tǒng)的能力，通過合理配套和協(xié)同控制，將各設(shè)備的性能最大化發(fā)揮出來，平均單井單面年產(chǎn)量達(dá) 300～400 萬 t，全礦年人均產(chǎn)量接近 2 萬 t，遠(yuǎn)超國內(nèi)同類水平[11-13]。

針對當(dāng)前國內(nèi)煤炭行業(yè)發(fā)展面臨的裝備成套化水平低、智能化融合度不高、人工干預(yù)多的問題，結(jié)合山西某典型煤礦井下實際條件，進(jìn)行了 CT200-2.6(機(jī)組年生產(chǎn)能力為 200 萬 t，最大采高為 2.6 m) 智能成套一體化綜采機(jī)組的選型設(shè)計，涵蓋工作面“三機(jī)”(液壓支架、采煤機(jī)和刮板輸送機(jī))、順槽輔助運輸、供電供液及智能化控制系統(tǒng)等，并在井下進(jìn)行了工業(yè)性驗證，取得了良好效果。

1 智能成套一體化綜采機(jī)組基本要求

1.1 三機(jī)選型設(shè)計基本要求

綜采工作面成套一體化機(jī)組主要由液壓支架、采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、順槽自移列車及智能化控制系統(tǒng)等組成，這些設(shè)備或系統(tǒng)的合理選型配套，是充分發(fā)揮工作面生產(chǎn)能力，實現(xiàn)安全、高產(chǎn)、高效生產(chǎn)的前提條件。

通過深入研究影響工作面開采的制約因素，形成了高效開采“三機(jī)”選型配套基本要求，除了“三機(jī)”滿足各自使用要求外，還需要“三機(jī)”之間實現(xiàn)合理配套并與井下實際條件相適應(yīng)，使過機(jī)間隙、臥底量、挑頂量、過煤高度、追機(jī)速度、行人空間、梁端距、側(cè)板搭接等關(guān)鍵指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)[14-17]。設(shè)備出廠前進(jìn)行了地面“三機(jī)”選型配套驗證，如圖 1 所示。

圖1 地面“三機(jī)”選型配套驗證Fig. 1 Test for selection and matching of"three machine" on ground

1.2 智能化控制系統(tǒng)設(shè)計基本要求

基于智能成套一體化設(shè)計思路，建立通信網(wǎng)絡(luò)、視頻監(jiān)視和遠(yuǎn)程操作于一體的工作面集中監(jiān)控平臺，將采煤機(jī)控制系統(tǒng)、液壓支架電液控制系統(tǒng)、工作面運輸控制系統(tǒng)、“三機(jī)”控制系統(tǒng)、運輸巷帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)、智能供液系統(tǒng)、水過濾系統(tǒng)及供電系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，實現(xiàn)智能化控制為主、人工干預(yù)控制為輔的智能化生產(chǎn)模式，減輕工人勞動強度，達(dá)到礦井安全高效生產(chǎn)的目的。

2 礦井綜采工作面概況

該礦首采面為 3 號煤層 3102 工作面，工作面凈煤壁長度為 221 m，傾角為 6°～ 25°，走向長度約為916 m；煤層結(jié)構(gòu)比較簡單，平均厚度為 0.99～2.20 m，上接 0.3～0.4 m 厚的夾矸，再上為 0.2～0.3 m 厚的煤層，煤質(zhì)硬度f=1～3；頂板巖性主要為砂質(zhì)泥巖、泥巖，底板巖性主要為砂質(zhì)泥巖。該工作面為左工作面，兩巷沿頂破底開掘，機(jī)巷與風(fēng)巷寬度均為 4.8 m，高度均為 2.7 m。

3 智能成套一體化綜采機(jī)組選型

3.1 液壓支架選型

液壓支架選型原則：支架工作高度與煤層厚度相適應(yīng)；支護(hù)強度與礦山壓力顯現(xiàn)狀態(tài)相匹配，保證支護(hù)安全[18]。

3.1.1 支架高度的確定

工作面采高確定的主要依據(jù)是煤層厚度 (包括煤層夾矸厚度)，同時考慮設(shè)備能力、尺寸、質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)性等多方面因素，最終確定支架最大高度為 2.8 m，支架最小高度為 1.3 m，工作高度為 1.5～2.6 m。

3.1.2 支架支護(hù)強度的確定

采用山東科大法，通過分析煤層上方覆巖運動情況進(jìn)行支護(hù)強度計算。

式中：p為支護(hù)強度，MPa；Hmax為最大開采高度，Hmax=2.8 m；γ1為頂板巖體平均容重，取γ1=2.6 t/m3；z為頂板動載荷系數(shù)，取z=1.5；β為附加阻力系數(shù)，取β=1.75；k為頂板巖石碎脹系數(shù)，取k=1.25；α為煤層傾角，取最大傾角α=25°。

考慮井下實際情況的不確定性，結(jié)合周邊礦井信息，選取支架支護(hù)強度不小于 0.80 MPa。

按 1.5 m 中心距，支架控頂長度約為 5.37 m，所以支架的工作阻力

式中：S為支架控頂面積，m2。

由于薄煤層支架在降至較低位置時支護(hù)效率有所下降，考慮最危險情況和井下一些不確定因素，支架應(yīng)有一定的富裕系數(shù)，鑒于此，支架的名義工作阻力應(yīng)選用 6 800 kN，液壓支架型號為 ZY6800/13/28D。

3.2 采煤機(jī)選型

正確選擇采煤機(jī)對采煤工作面的生產(chǎn)效率、能耗、安全等都具有重要影響，它不僅與煤層的厚度、傾角及煤的物理機(jī)械性質(zhì)、地質(zhì)條件等有關(guān)，還要考慮與支護(hù)設(shè)備、運輸設(shè)備之間的配套關(guān)系[19]。

3.2.1 滾筒直徑的確定

滾筒直徑

式中：δ為螺旋滾筒裝煤效率，對小直徑滾筒，δ=0.55。

根據(jù)計算結(jié)果并結(jié)合采煤機(jī)滾筒系列化標(biāo)準(zhǔn)，初步確定采煤機(jī)滾筒直徑為 1.4 m。

3.2.2 滾筒轉(zhuǎn)速的確定

采煤機(jī)滾筒轉(zhuǎn)速n的選擇要兼顧截煤及裝煤 2 種工藝，并適應(yīng)不同的煤質(zhì)情況?？紤]煤層存在夾矸，選取截割速度vj=3～4 m/s 來確定滾筒的轉(zhuǎn)速，

式中：D為滾筒直徑，取D=1.4 m。

3.2.3 牽引速度的確定

牽引速度直接決定了采煤機(jī)的生產(chǎn)能力。采煤工藝采用端部斜切進(jìn)刀方式，雙向割煤。采煤機(jī)平均落煤能力

式中：Qγ為工作面日產(chǎn)量，Qγ=4 000 t；K為采煤機(jī)平均日開機(jī)率，K=0.70；T1為綜采工作面日生產(chǎn)時間，T1=16 h；C為工作面回采率，C=95%。

采煤機(jī)平均割煤速度

式中：B為采煤機(jī)截深，B=0.8 m；Hc為平均采高，Hc=2.3 m；γ2為煤的容重，取γ2=1.34 t/m3。

采煤機(jī)最大割煤速度

式中：Kc為采煤機(jī)割煤不均衡系數(shù)，取Kc=1.4。

3.2.4 裝機(jī)功率的確定

采煤機(jī)的裝機(jī)功率

式中：Hw為采煤機(jī)截煤的單位能耗，取Hw=4.2 MJ/m3。

根據(jù)上述計算結(jié)果，考慮煤層夾矸比較嚴(yán)重，對照現(xiàn)有采煤機(jī)成熟機(jī)型技術(shù)參數(shù)，最終確定采煤機(jī)型號為 MG2×200/930-WD。

3.3 運輸設(shè)備選型

選擇刮板輸送機(jī)的主要原則是以采煤機(jī)最大生產(chǎn)能力為基數(shù)，保證采煤機(jī)截割的煤炭能及時運出去，同時保證設(shè)備的可靠性和耐久性，兼顧設(shè)備啟動、保護(hù)和控制性能[20]。

3.3.1 槽寬的確定

刮板輸送機(jī)輸送量

式中：A為中部槽上物料裝載斷面面積，m2；v為刮板輸送機(jī)鏈速，取v=1.1 m/s；ρ為物料堆積密度，取ρ=0.9 t/m3。

刮板輸送機(jī)中部槽上物料斷面如圖 2 所示，經(jīng)測量A≈0.29 m2，代入式 (9)，計算出刮板輸送機(jī)輸送量Q=1 034 t/h。

圖2 中部槽上最大物料斷面示意Fig. 2 Sketch of largest material section on middle trough

槽寬為 800 mm 的刮板輸送機(jī)運量約為 1 000 t/h，也能與所選采煤機(jī)相配套，因此確定運輸機(jī)的槽寬為800 mm。

3.3.2 功率的確定

刮板輸送機(jī)單位長度物料質(zhì)量

刮板鏈條單位長度質(zhì)量

式中：m1為單個刮板鏈總成質(zhì)量，m1=36.1 kg；m2為鏈條單位長度質(zhì)量，m2=23 kg/m；l為刮板間距，l=1.008 m。

刮板輸送機(jī)運行總阻力

式中：k1為刮板輸送機(jī)彎曲運行時附加阻力系數(shù)，取k1=1.2；k2為刮板鏈條繞上頭部、尾部鏈輪回轉(zhuǎn)時的附加阻力系數(shù)，取=1.21；Wzh為有載分支的基本運行阻力，Wzh=436.0 kN；WK為無載分支的基本運行阻力，WK=72.5 kN。

刮板輸送機(jī)電動機(jī)的等值功率Pd和設(shè)備功率Ps分別為

式中：Pmax為刮板輸送機(jī)滿載運行時電動機(jī)功率，Pmax=1 031.5 kW；Pmin為刮板輸送機(jī)空載運行時電動機(jī)功率，Pmin=215.6 kW。

根據(jù)以上參數(shù)，最終確定刮板輸送機(jī)型號為 SGZ 800/800。

轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)選型須滿足破碎機(jī)破碎能力≥1.1 倍轉(zhuǎn)載機(jī)運輸能力、轉(zhuǎn)載機(jī)運輸能力≥1.1 倍輸送機(jī)運輸能力，最終確定轉(zhuǎn)載機(jī)型號為 SZZ800/315，破碎機(jī)型號為 PLM2000，相應(yīng)轉(zhuǎn)載機(jī)自移系統(tǒng)型號為ZZ800，帶式輸送機(jī)自移機(jī)尾型號為 MZ1000。

3.4 智能化控制系統(tǒng)設(shè)計

3.4.1 智能化控制系統(tǒng)設(shè)計原則

在“三機(jī)”選型的基礎(chǔ)上進(jìn)行成套一體化的智能控制系統(tǒng)設(shè)計，自上而下構(gòu)建基于綜采機(jī)組的智能控制系統(tǒng)。依照“易用性，可靠性，智能化”的設(shè)計原則，使控制系統(tǒng)具備快捷兼容、靈活配置、穩(wěn)定可靠的特點，來規(guī)劃智能軟件功能。

(1) 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)編碼 對煤礦綜采工作面各設(shè)備進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化歸一定義，減少不同系統(tǒng)間對同一設(shè)備定義不一致的問題，形成綜采工作面設(shè)備數(shù)據(jù)字典，為系統(tǒng)應(yīng)用提供統(tǒng)一化數(shù)據(jù)支撐。

(2) 統(tǒng)一通信協(xié)議 通過兼容硬件和適配協(xié)議，對現(xiàn)場各種如 Modbus/TCP、Modbus/RTU 及諸多自定義協(xié)議向標(biāo)準(zhǔn)化 EIP 轉(zhuǎn)化，并將該部分通過“操作系統(tǒng)軟件設(shè)計器”將軟件適配接入工作前置。采用易用化手段，達(dá)到可現(xiàn)場靈活配置的目的。

(3) 完全開放數(shù)據(jù) 采用分布式控制系統(tǒng)架構(gòu)(見圖 3)，將系統(tǒng)分布于多個計算單元中，各計算單元共享數(shù)據(jù)，互為備份，相互驗證，具備系統(tǒng)冗余、故障診斷、系統(tǒng)自愈等特點，降低中心節(jié)點負(fù)荷，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和系統(tǒng)擴(kuò)展性。

圖3 分布式控制系統(tǒng)架構(gòu)Fig. 3 Architecture of distributed control system

3.4.2 智能化控制系統(tǒng)配置

根據(jù)智能成套一體化控制系統(tǒng)設(shè)計思路，針對性研發(fā)支架電液、采煤機(jī)、運輸三機(jī) (刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī))、智能供液、電氣、帶式輸送機(jī)、順槽自移列車控制系統(tǒng)，并適配人員定位、自動調(diào)直、語音通信、視頻監(jiān)控、井下集控中心、地面分控中心、智能礦山 APP 等系統(tǒng)來進(jìn)行工作面的監(jiān)測控制，實現(xiàn)穩(wěn)定高效的“無人化、少人化”智能開采。

支架電液控制系統(tǒng)通過配置控制器、壓力傳感器、傾角傳感器、位移傳感器、紅外線發(fā)射及接收器、定位標(biāo)簽等，實現(xiàn)支架動作控制、礦壓監(jiān)測及分析、自動跟機(jī)、自動補壓、姿態(tài)監(jiān)測、人員定位等功能；采煤機(jī)控制系統(tǒng)通過配置位置編碼器、傾角、采高、電流、速度等傳感器，每截割一刀，系統(tǒng)記錄采煤機(jī)在每個位置的滾筒高度并連接成線，在截割下一刀時，采煤機(jī)按該曲線及相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行自動截割，當(dāng)煤層狀態(tài)變化時還可隨時進(jìn)行人工干預(yù)，保證運行穩(wěn)定；運輸三機(jī)控制系統(tǒng)通過配置的煤量掃描儀、伸縮機(jī)尾、電流、油溫、油位、鏈條張力傳感器，實現(xiàn)運輸機(jī)根據(jù)煤量智能調(diào)速及鏈條自動張緊等功能；智能供液系統(tǒng)通過實時監(jiān)測系統(tǒng)流量及壓力需求，自動調(diào)整泵站的開啟數(shù)量和運行參數(shù)，實現(xiàn)恒壓供液，節(jié)約能源；電氣控制系統(tǒng)通過實時監(jiān)測系統(tǒng)的電力需求，自動調(diào)整供電參數(shù)，節(jié)約電能并保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行；帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)通過實時監(jiān)測輸送帶跑偏、打滑、堆煤、撕裂、超溫、煙霧等信息，實現(xiàn)故障預(yù)警、急停、診斷等功能；順槽自移列車控制系統(tǒng)通過列車姿態(tài)和巷道狀態(tài)的感知，實現(xiàn)一鍵自移、自動調(diào)偏、自適應(yīng)戧頂?shù)裙δ堋?/p>

支架電液、采煤機(jī)、運輸三機(jī)、智能供液、電氣、帶式輸送機(jī)、順槽自移列車控制系統(tǒng)通過井下環(huán)網(wǎng)接入井下集控中心和地面分控中心，實現(xiàn)各系統(tǒng)的互聯(lián)互通，進(jìn)而實現(xiàn)各系統(tǒng)的深度協(xié)同。通過支架紅外傳感器和采煤機(jī)編碼器雙重定位，準(zhǔn)確判斷采煤機(jī)的實時位置和速度，控制支架姿態(tài)調(diào)整和跟機(jī)移架，實現(xiàn)支架與采煤機(jī)的協(xié)同動作；通過采煤機(jī)速度和采高數(shù)據(jù)計算割煤量，進(jìn)而根據(jù)刮板輸送機(jī)、帶式輸送機(jī)存煤量和電動機(jī)負(fù)荷進(jìn)行采煤機(jī)速度和運量的自動調(diào)整，實現(xiàn)采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、帶式輸送機(jī)的協(xié)同動作；通過推進(jìn)刀數(shù)和截深數(shù)據(jù)，自動控制順槽自移列車移動，實現(xiàn)與工作面的協(xié)同推進(jìn)。

4 應(yīng)用情況

該礦 3 號煤層 3102 智能化綜采工作面“三機(jī)”及智能化控制系統(tǒng)均由同一廠家研發(fā)制造，通過成套一體化裝備的合理選型配套，以及統(tǒng)一的控制平臺、標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議、完全開放的數(shù)據(jù)構(gòu)建一體化控制系統(tǒng)，成功實現(xiàn)了多設(shè)備的深度協(xié)同控制，并進(jìn)行了井下工業(yè)性驗證 (見圖 4)，取得了良好效果。工作面主要配套設(shè)備如表 1 所列，軟件與控制系統(tǒng)配置如表 2所列。

表1 3 號煤層 3102 工作面主要配套設(shè)備Tab.1 Main matching equipments on work face 3102 of No.3 coal seam

表2 3 號煤層 3102 工作面智能化系統(tǒng)配置Tab.2 Configuration of intelligent system on work face 3102 of No.3 coal seam

圖4 井下工業(yè)性驗證Fig. 4 Underground industrial test

3 號煤層 3102 工作面于 2021 年 6 月完成井下安裝和智能化系統(tǒng)調(diào)試，7 月初開始穩(wěn)定高效開采。根據(jù)生產(chǎn)統(tǒng)計，工作面日均推進(jìn) 12 刀，最高單日推進(jìn)達(dá) 17 刀，最高月產(chǎn)接近 15 萬 t，實現(xiàn)了工作面的高產(chǎn)高效。

通過紅外傳感器和采煤機(jī)位置編碼器的雙重定位，準(zhǔn)確判斷采煤機(jī)位置和速度，配合多樣性的跟機(jī)策略和移架補償技術(shù)，工作面液壓支架自動跟機(jī)率達(dá)95%。通過實時檢測并存儲采煤機(jī)俯仰采角、采煤機(jī)行走方向工作面傾角、滾筒高度及下切深度，根據(jù)存儲數(shù)據(jù)的自動運行，實現(xiàn)自動導(dǎo)航，自動調(diào)高，配置復(fù)雜工藝程序，采煤機(jī)記憶截割率達(dá) 90%，大幅減少了工人的勞動強度。原生產(chǎn)班每班約有 25 人，智能化設(shè)備投入后，單班出勤 8 人即可滿足生產(chǎn)要求，大幅減少了用人環(huán)節(jié)和人員數(shù)量，實現(xiàn)了減人增效的目的，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

5 結(jié)語

結(jié)合山西某典型煤礦井下實際條件進(jìn)行了 CT 200-2.6 智能成套一體化綜采機(jī)組的選型設(shè)計，成功實現(xiàn)了煤礦的減人增效，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益。下一步將進(jìn)行智能成套一體化機(jī)組的系列化工作，這對推動我國煤礦智能工作面的建設(shè)、保障煤礦安全、促進(jìn)煤炭資源可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。