劉智敏 張曉東

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)挖金灣煤業(yè)公司，山西 大同 037042）

1 工程概況

山4#層8102 工作面屬南翼首采工作面，北部與西延盤區(qū)主運(yùn)大巷、輔運(yùn)大巷、南回風(fēng)巷相鄰，東部與南翼回風(fēng)巷、南翼主運(yùn)巷相接，西南部尚未開拓，地表無(wú)房屋及其他建筑。走向長(zhǎng)1 464.8 m，傾斜長(zhǎng)度為230.2 m，煤層厚度為2.90～4.05 m，平均厚度3.47 m，煤厚變化穩(wěn)定，為近水平煤層，煤層底板突水系數(shù)0.016～0.017 MPa/m ＜0.06 MPa/m，為相對(duì)安全區(qū)，無(wú)沖擊地壓。8102 工作面為該礦首次智能化開采技術(shù)應(yīng)用工作面。煤層頂?shù)装迩闆r見表1。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r表

2 智能化工作面配套設(shè)備

結(jié)合8102 工作面煤層賦存地質(zhì)條件、頂?shù)装鍘r性等條件，采用大采高煤層人-機(jī)-環(huán)智能耦合高效綜采模式進(jìn)行開采，對(duì)8102 智能化工作面設(shè)備配套選型，設(shè)備配套明細(xì)見表2?？刂葡到y(tǒng)選用SAM 綜采自動(dòng)化集成系統(tǒng)、SAC 電液控制系統(tǒng)、SAP 集成供液控制系統(tǒng)和語(yǔ)音通信系統(tǒng)。

表2 8102 智能化工作面設(shè)備配套明細(xì)

3 智能化工作面建設(shè)

8102 智能化工作面由智能割煤、智能跟機(jī)、運(yùn)輸系統(tǒng)“一鍵啟?！?、智能視頻、智能噴霧降塵、智能集中供液、工作面照明、工作面語(yǔ)音、工作面智能安全監(jiān)測(cè)等9 個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成。工作面主要生產(chǎn)系統(tǒng)構(gòu)架如圖1。

圖1 工作面主要生產(chǎn)系統(tǒng)構(gòu)架示意圖

3.1 工業(yè)以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)

8102 智能工作面總控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是構(gòu)建一個(gè)統(tǒng)一開放具有100 M 工業(yè)以太網(wǎng)的工作面控制平臺(tái)，主要由綜合接入器、光電轉(zhuǎn)換器、路由交換機(jī)、雙路電源箱、4n 型護(hù)套連接器、光纜等組成。每6 架設(shè)置一臺(tái)綜合接入器，上傳視頻數(shù)據(jù)及電液控?cái)?shù)據(jù)，每臺(tái)綜合接入器配一臺(tái)雙路電源箱，綜合接入器間采用護(hù)套連接器連接。設(shè)置兩對(duì)光電轉(zhuǎn)換器，每臺(tái)光電轉(zhuǎn)換器配一臺(tái)單路電源，光電轉(zhuǎn)換器間通過(guò)光纜連接，光電轉(zhuǎn)換器與綜合接入器通過(guò)護(hù)套連接器連接，形成環(huán)網(wǎng)。

3.2 智能視頻監(jiān)控

8102 工作面采用KAB12-2 型礦用本質(zhì)安全型攝像儀。攝像儀分開照射機(jī)道和煤壁，通過(guò)四芯線纜連入接入器，最后連入智能集控中心，在顯示器顯示工作面的實(shí)時(shí)影像。攝像儀具有紅外補(bǔ)光攝像功能，不僅能將采集到的實(shí)時(shí)圖像直接以以太網(wǎng)信號(hào)輸出，而且具有RS485 通訊功能，能實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)工作面的情況。每3 個(gè)支架安裝2 臺(tái)礦用本質(zhì)安全型攝像儀，一個(gè)與工作面垂直照向煤壁，一個(gè)照向機(jī)道顯示運(yùn)輸機(jī)，緊接著3 個(gè)支架安裝1 臺(tái)礦用本質(zhì)安全型攝像儀，照向運(yùn)輸機(jī)，顯示機(jī)道，每3 個(gè)攝像頭連接在一個(gè)綜合接入器，每6 個(gè)液壓支架安設(shè)一個(gè)綜合接入器。網(wǎng)絡(luò)攝像儀的視頻數(shù)據(jù)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)揭曨l監(jiān)視器顯示；順槽監(jiān)控中心設(shè)置3 臺(tái)視頻監(jiān)視器主機(jī)，每臺(tái)視頻監(jiān)視器可以同時(shí)顯示4 路攝像儀畫面。視頻系統(tǒng)通過(guò)通信獲取采煤機(jī)運(yùn)行位置和方向，實(shí)現(xiàn)在視頻顯示器上跟隨采煤機(jī)自動(dòng)切換視頻攝像儀畫面。

4 智能化工作面關(guān)鍵開采技術(shù)

4.1 液壓支架自動(dòng)跟機(jī)技術(shù)

8102 工作面采用機(jī)組雙向中部跟機(jī)割煤，溜頭25 個(gè)支架和溜尾25 個(gè)支架采用人工控制。在中部跟機(jī)自動(dòng)割煤過(guò)程中，設(shè)置支架滯后滾筒7 架跟機(jī)移架（降架、移架、升架、打護(hù)幫板），設(shè)置10個(gè)支架提前收抽屜和一二級(jí)護(hù)幫；滯后滾筒18 架中部跟機(jī)推溜（當(dāng)采煤機(jī)運(yùn)行至25 架或者110 架時(shí)觸發(fā)）。當(dāng)工作面出現(xiàn)地質(zhì)構(gòu)造區(qū)或者應(yīng)力疊加區(qū)導(dǎo)致的頂板破碎時(shí)，應(yīng)調(diào)整相應(yīng)的中部跟機(jī)自動(dòng)化參數(shù)，如升降柱時(shí)間、伸柱時(shí)間、允許帶壓擦頂移架、過(guò)渡壓力等，使之能更好地保證安全。服務(wù)生產(chǎn)中部跟機(jī)自動(dòng)化參數(shù)配置見表3。

表3 8102 智能化工作面中部跟機(jī)自動(dòng)化參數(shù)配置

4.2 集中供液技術(shù)

集中供液系統(tǒng)通過(guò)對(duì)進(jìn)入工作面的水質(zhì)凈化、軟化等使水質(zhì)和水量達(dá)標(biāo)，通過(guò)乳化液泵站加壓至標(biāo)準(zhǔn)壓力，輸送至工作面。另一趟凈水供液系統(tǒng)由凈化水處理系統(tǒng)通過(guò)對(duì)工作面水質(zhì)凈化，噴霧泵加壓輸送至工作面，滿足工作面的噴霧及冷卻用水的要求。供液系統(tǒng)中的液位、乳化液濃度、壓差等傳感器收集數(shù)據(jù)，上傳至集控中心，并在集控顯示屏上顯示各個(gè)信息，集控中心通過(guò)自動(dòng)控制功能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的參數(shù)，自動(dòng)、智能地保證供液滿足生產(chǎn)需求。

4.3 智能防塵技術(shù)和照明、語(yǔ)音通訊技術(shù)

8102 智能化工作面綜合智能防塵技術(shù)通過(guò)液壓支架中部跟機(jī)噴霧結(jié)合采煤機(jī)的位置適當(dāng)?shù)卣{(diào)整液壓支架的噴霧距離和范圍，通過(guò)智能中部跟機(jī)噴霧可以著重對(duì)采煤機(jī)滾筒附近進(jìn)行噴霧降塵。智能照明和工作面語(yǔ)音技術(shù)，皮帶巷每100 m 在皮帶架行人側(cè)安設(shè)一個(gè)KTK24 本安型語(yǔ)音通訊和皮帶急停裝置，同時(shí)具有拉線急停的功能，將各個(gè)語(yǔ)音通訊設(shè)備和各個(gè)皮帶保護(hù)傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡ь^總控臺(tái)，實(shí)現(xiàn)皮帶的智能開機(jī)監(jiān)測(cè)和故障報(bào)送。工作面將KTK1D 型塞瓦每15 m 一個(gè)固定在刮板輸送機(jī)液壓支架前擋煤板處，實(shí)現(xiàn)工作面的語(yǔ)音通訊及工作面三機(jī)和采煤機(jī)的急停閉鎖，工作面鋪設(shè)電壓為127 V 的礦用隔爆型燈管2 趟照明，一趟固定在液壓支架前腳踏板上方，每5 個(gè)支架安設(shè)一個(gè)防爆燈管，用于工作面煤壁和機(jī)道的照明，一趟固定在支架內(nèi)部行人通道后上方，每3 個(gè)液壓支架安設(shè)一個(gè)防爆燈管，用于支架內(nèi)部行人通道的照明。

5 智能化采煤工作面礦壓監(jiān)測(cè)

壓力傳感器插入立柱測(cè)壓孔中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)立柱下腔液體的壓力，并把連續(xù)變化的壓力信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)，傳輸至順槽控制中心，在顯示屏上顯示出來(lái)。當(dāng)壓力不足時(shí)，可遠(yuǎn)程手動(dòng)或自動(dòng)補(bǔ)充壓力使之支撐力達(dá)標(biāo)。分析支架的工作阻力，8102 工作面初次垮落步距為13 m，基本頂初次來(lái)壓步距36 m，周期來(lái)壓步距24 m。工作面最大工作阻力監(jiān)測(cè)情況如圖2。

圖2 8102 工作面最大工作阻力監(jiān)測(cè)情況

據(jù)觀測(cè)可知，8102 工作面以24 m 周期來(lái)壓步距共經(jīng)歷54 次周期來(lái)壓，見方前后液壓支架安全閥開啟支架數(shù)為25～52 個(gè)，安全閥開啟率最大為40.7%，最大工作阻力達(dá)42.7 MPa，影響范圍為225～258 m，顯著影響范圍228～248 m，期間礦壓顯現(xiàn)較大，工作面煤壁片幫較為嚴(yán)重，5102 巷底鼓量約為230～268 mm，對(duì)此后該公司智能化采煤工作面安全開采具有較高的研究?jī)r(jià)值。

6 智能化工作面建設(shè)評(píng)價(jià)

（1）智能化采煤工作面等級(jí)評(píng)價(jià)。將8102 工作面各評(píng)價(jià)因素映射為可計(jì)算的綜合評(píng)價(jià)值，采用百分制進(jìn)行評(píng)判，通過(guò)判定集M 的大小來(lái)判斷評(píng)價(jià)樣本屬性的優(yōu)劣。總體評(píng)分大于等于85 分為高級(jí)智能化采煤工作面，評(píng)分為85～75（含）分為中級(jí)智能化采煤工作面，評(píng)分為70～60 分為低級(jí)智能化采煤工作面。具體計(jì)算如公式（1）：

式中：M為智能化采煤工作面智能化程度評(píng)價(jià)得分；V1為智能化采煤工作面條件分類得分，V1得分小于10 分的按10 分進(jìn)行計(jì)算；V2為智能化采煤工作面設(shè)備性能達(dá)標(biāo)條件綜合評(píng)價(jià)得分；V3為智能化采煤工作面設(shè)備工況達(dá)標(biāo)條件綜合評(píng)分得分；Rx為智能化工作面條件分類、設(shè)備性能達(dá)標(biāo)條件、設(shè)備運(yùn)行工況達(dá)標(biāo)條件綜合評(píng)價(jià)權(quán)重，R1=0.1，R2=0.2，R3=0.7。

式中：Wk為智能化采煤工作面設(shè)備性能達(dá)標(biāo)條件評(píng)價(jià)因素，1 ≤Wk≤14；rl為智能化采煤工作面設(shè)備性能達(dá)標(biāo)條件評(píng)價(jià)因素權(quán)重，1 ≤rl≤14。

結(jié)合井下現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐效果進(jìn)行賦值，M為80.585分，可知該礦8102 智能化工作面為中級(jí)智能化采煤工作面。

（2）智能化工作面需跟進(jìn)建設(shè)方向。根據(jù)建設(shè)評(píng)價(jià)可知，8102 工作面在智能化建設(shè)方面還有以下不足，應(yīng)針對(duì)性進(jìn)行建設(shè)：① 采煤機(jī)在智能三角煤自動(dòng)截割功能方面還需繼續(xù)探索優(yōu)化；② 智能運(yùn)輸子系統(tǒng)方面還應(yīng)實(shí)現(xiàn)異物識(shí)別功能、人員違章識(shí)別功能，安設(shè)巡檢機(jī)器人等；③ 智能供液子系統(tǒng)還需加強(qiáng)建設(shè)單泵或多泵的單動(dòng)與自動(dòng)運(yùn)行；④ 還需探索優(yōu)化智能巡檢子系統(tǒng)功能、參數(shù)設(shè)定。

7 效益

8102 智能化工作面投入使用以來(lái)未發(fā)生較大機(jī)電事故，班均割煤3 刀的情況下采煤人數(shù)由原來(lái)的15 人逐步減少至9 人，自動(dòng)化使用率達(dá)88%～95%，人員投入率減少40%，有效降低了員工勞動(dòng)強(qiáng)度，年節(jié)約人工成本約169.29 萬(wàn)元。從2021 年5 月8102 工作面調(diào)試生產(chǎn)以來(lái)，截至12 月底該智能化采煤工作面安全生產(chǎn)原煤近266 萬(wàn)t，創(chuàng)造了單班割煤5430 t、單日割煤13 860 t 的最高紀(jì)錄，達(dá)到了高產(chǎn)高效的目的。