厚煤层智能化综采工艺技术应用探讨.pdf

40江西煤炭科技2023年第3 期厚煤层智能化综采工艺技术应用探讨张兴国（山西省潞安化工集团五阳煤矿，山西襄垣0 46 2 0 0）摘要：厚煤层综采作业过程中不同程度存在自动化、智能化程度不高、效率低等问题。本文从井下综采作业工艺流程上着手，对影响井下综采作业效率的因素进行分析，拟定提出了一种新的煤矿井下厚煤层综采作业技术，即以智能化综采控制为核心，通过高效支护、采煤机自动截割、井下联动运行控制，实现了厚煤层综采作业效率和安全性提升的新技术。通过五阳矿实际应用表明，该技术能够将厚煤层综采作业效率提升44.7%，将作业人员数量减少52.9%，达到了井下厚煤层综采高效作业的目的。关键词：厚煤层；智能化综采；支一卸联合支护；自动截割中图分类号：TD823.97Abstract:In view of the low automation,intelligence and efficiency during fully-mechanized mining in thick coal seam,theauthor presents a new intelligent-control-centered fully mechanized mining technology by analysis of mining operation processand influential factors on operation efficiency in Wuyang Colliery,which can increase the operation efficiency by 44.7%,decreasethe operator number by 52.9%through high-efficiency support,automatic cutting of shearer and underground coordinatedoperation control and realize the safe and high-efficiency mining in thick coal seam.Key words:thick coal seam;intelligent fully-mechanized mining;support-and-dismounting combined support;automatic cutting随着我国科技水平的不断发展，整个社会的发展模式已经从粗放型向着高效、集约型转变。煤炭作为我国的核心能源资源，其产业仍属于典型的劳动密集型。目前，在煤矿井下综采工作面生产作业过程中人工辅助作业较多，导致有的综采工作面生产效率不高、安全隐患较多，难以满足新形势下煤炭高效、安全开采的要求，是煤炭开采技术转型升级中急需解决的大问题。结合智能化控制技术，在对煤矿井下综采作业效率的影响因素进行分析后，本文提出了一种新的井下综采作业工艺流程，通过沿空留巷支-卸联合控制技术，解决了传统巷道支护稳定性差、巷道易变形的难题；通过厚煤层智能化综采控制解决了综采工作面自动化水平不高、开采效率低的问题。根据实际应用表明，新的综采作业工艺流程其技术方案能够将厚煤层综采作业效率提升44.7%，将作业人员数量减少52.9%，将综采作业过程中的吨煤耗电量降低18.7 5%，对提升厚煤层综采作业效率和经济性具有十分重要的意义。文献标识码：AApplication of Intelligent Fully-mechanized Mining Technology in Thick Coal SeamZhang Xingguo(Wuyang Colliery,Luan Chemical Industry Group Co.,Xiangyuan,Shanxi 046200)1影响综采效率因素煤矿井下的综采工作面生产作业是由不同生产环节、多种生产工序和多型综采装备共同构成的复杂工艺流程，任何一个流程的失效均会对综采作业效率和安全性产生重大的影响。通过对煤矿井下综采工作面整个生产作业工艺流程的分析可知，井下巷道支护效率低、巷道变形大，需要频繁进行补强支护是影响综采作业效率的核心因素之一；综采工作面多采用人工控制作业，采煤机、液压支架的运行均采用人工控制，导致作业效率低,是影响综采作业效率的核心因素之二。因此为了全面提升综采工作面生产作业效率和经济性，就需要从解决巷道变形、综采自动化程度两个方面人手，实现对厚煤层综采作业技术的突破。2沿空留巷支一卸联合技术为了解决厚煤层在综采作业过程中支护效率文章编号：10 0 6-2 57 2(2 0 2 3)0 3-0 0 40-0 42023年第3 期低、稳定性差的不足，在对巷道围岩变形的因素进行梳理后发现，导致巷道围岩变形的关键因素在于井下巷道顶板的离层、巷道变形等。因此通过及时对井下巷道进行加固支护，控制巷道顶板的离层和下沉速度，开展超前卸压，通过初次放顶卸压和水平长钻孔超前卸压的方案来减少巷道变形的影响。为了避免各类支护因素间的相互影响，在对各类支护方案进行分析后，形成了一种新的厚煤层沿空留巷支-卸联合控制理论，其核心控制体系如图1所示2 。主要内容工艺衔接与效巢果合支护的模式3 ，以五阳煤矿12 0 5作业面为例，煤层的平均厚度为7.2 m，巷道的埋深为97 0 m，在支护时的锚杆采用标准的22mm5000mm高强度锚杆，锚索可采用直径为2 1.8 mm的119股的钢绞线锚索。顶板及煤柱帮均采用了锚索梁交叉布置模式，按2-0-2 的结构进行设置，支护结构如图2所示。800采煤帮电1500車2.000切顶锚索2.400300锚杆申W钢带申0081申图2 井下巷道加强支护结构2)超前卸压支护。超前卸压支护，主要为了减少井下综采面初次来压强烈时坚硬顶板垮落不及时、采空区大面积悬顶，影响综采作业安全和效率的问题。在对多种卸压方案分析后,最终选择在厚煤层综采面采用高位定向水平长钻孔水力卸压技术4,井下开切眼水力压裂钻孔布置结构如图3 所江西煤炭科技1)加强支护。加强支护主要包括了巷旁支护和高强度巷内支护。巷道顶板离层主要是在矿压波动和综采扰动的作用下巷道两帮无法承受顶板下沉时的侧向压力导致的，因此为了提高巷道围岩的稳定性，就需要在巷道开挖后及时对巷道和两帮进行加强支护，降低煤帮的受力，减少塑性区的破坏，进而提高整个巷道的支护稳定性，消除或者减少巷道顶板的离层现象。对井下巷道的加强支护，不仅要考虑支护的可靠性，而且还要兼顾支护效率，避免影响综采工作面作业效率。目前常用的支护主要是锚网索联厚煤层综放沿空留巷“支-卸”协同控制加强支护高强度巷内支护非回采帮加强支护减少煤帮塑性区破坏深度、增加煤帮承载能力高强度、高刚度、高延性巷旁支护控制顶板下沉速率、顶煤直接顶及时切顶、保证留巷顶板稳定图1支-卸联动支护控制系统结构示。泥岩砂质泥岩泥碧粉砂岩泥岩细粒砂岩砂质泥岩申煤柱帮008008申006申中补强锚索一迪41超前卸压巷旁支护初次放顶卸压顶板加强支护初次放顶卸压加强顶板整体性，控制减小初次来压步距，减留巷顶煤、直接顶离层弱初次来压对留巷影响水平长钻孔超前卸压改善顶板侧向受力，顶板及时跨落充填采空区三27.7m图3 水力压裂钻孔布置结构通过应用支-卸协同控制技术，实现了对厚煤层巷道变形的有效控制，根据五阳煤矿12 0 5作业面实际应用，该支护技术在不降低井下巷道支护效率的情况下，能够将巷道围岩的变形量降低87.4%极大地提升了井下巷道在综采作业过程中的稳定性，减少了综采作业过程中的补强支护。3智能化综采技术通过分析，影响厚煤层综采作业效率的核心是井下采煤机、液压支架联合运行的控制效率，而目前五阳煤矿井下作业面采煤机综采、液压支架跟机均是人工控制，由于井下地质条件复杂、综采环境恶劣,因此人工劳动强度大、效率低，极易出水平长钻孔超前卸压2m4530开切眼42现采煤机触顶、液压支架移动滞后等，成为限制厚煤层综采作业效率进一步提升的核心瓶颈。结合五阳煤矿井下智能化控制技术的发展，本文提出了一种新的厚煤层智能化综采控制方案5，该方案以采煤机的自适应截割控制和采煤机、液压支架的自主跟机运行控制为核心，实现了厚煤层综采面综采技术和综采效率的跨越式提升。1)采煤机智能化控制。为了满足采煤机在煤矿井下复杂地形条件下自主截割控制的需求，在对自适应截割控制、记忆截割控制等多种方案分析后，提出了一种新的采煤机智能化综采控制系统，该系统以记忆截割控制为基础，再利用自适应截割算法对记忆截割路径进行修正，有效地提升了采煤机在煤矿复杂地形条件下的截割稳定性和可靠性，该智能化截割控制系统整体结构如图4所示。控制系统牵引部控制流牵引DTC控电机自适应控制系统信息流制器控制记忆截信息割控制控制流交换模块截割部控制流数揭DTC控传递制系统信息流电机自适应控制流修正控控制信息制模块交换液压调控制流信息流高控制系统信息流油缸图4采煤机智能化截割控制系统该系统在工作过程中，首先通过人工示教的方式7,对井下截割作业过程中的各个点位坐标和采煤机的截割状态进行记录，然后当进人到自动截割状态时，系统自动调取存储库内的截割参数信息和位置信息，然后自适应修正模块能够根据井下地质情况，对采煤机人工示教过程中的截割控制参数进行修正，计算出更为精确的调整量，从而控制采煤机进行更精细、高效的智能化截割。2)液压支架自动控制。液压支架跟机自动控制，主要是在采煤机和液压支架上设置编码器和红外位置传感器8 ,对采煤机和液压支架的相对位置进行监测，然后将监测数据传输给控制中心和液压支架控制器，由液压支架控制器根据液压支架的状态进行灵活调整，实现液压支架跟机自动运行控制。液压支架跟机自动控制的核心是支架控制器9,在每个液压支架上均设置了一个控制器和相应的控制阀组，在运行过程中系统实时对采煤机江西煤炭科技和液压支架的相对位置进行检查，当达到触发条件后，由支架控制器发出控制指令，实现对液压支架移架、推溜、放煤、收放护帮板等控制，液压支架电液控制系统结构如图5所示10 行程传感器GUC(1200)X型，1件/架安装于推移斤顶内压力传感器GPD60型，1件/架安装于立柱液GPD60型，1件/架控单向阀安装于护帮双向锁红外线接收器GUH5-S型,1件/架接邻架控制器电磁阀驱动器ZDYZ26-Q型，1件/架电液控换向阀其他车FHD500/31.5Z型，1件/架牵引部传动系统引阻力齿轮传动系统推进阻力截割滚简M负载截割部传动系统转矩传递截割齿轮传动系统液压调高系统阻力、重力调高连杆机构其他阻力2023年第3 期矿用倾角传感器GUD9OB型,1件/2 0 架/安装于前连杆压力传感器矿用倾角传感器GUD9OB型,1件/2 0 架安装于掩护染矿用倾角传感器GUD9OB型,1件/架安装于顶染液压支架控制装置控制器ZDYZ-Z型,1件/架接邻架控制器截割滚筒负载模型牵引速度滚筒逸简转速改H变滚筒截割调整高度影响工况图5液压支架电液控制系统4效果分析目前，该厚煤层智能化综采工艺技术已经在多个煤矿投入使用，取得了显著成效。以五阳矿为例，其井下主采煤层的平均厚度为7.2 m，煤层平均倾角约为4.8，煤层基本顶为中粒度砂岩，平均厚度为8.9 4m,直接顶为泥岩结构,平均厚度为7.0 3 m，直接底为粗粒度的砂岩，平均厚度为3.92 m，最初采用的是综合机械化采煤技术，总体效率较低。自2 0 2 0 年进行技术改造并将新的综采工艺投入使用后，综采工作面的作业推进速度由4.2 m/d,提升到了目前的6.1m/d,综采作业效率提升了44.7%；综采面作业人员数量由最初的17 人降低到了目前的8 人，作业人员数量减少了52.9%；综采作业过程中的吨煤耗电量由11.2kWh，降低到了目前的9.1kWh，降低了18.75%，综采工作面作业的效率和安全性得到了较大提升。煤矿井下厚煤层智能化综采控制系统界面如图6 所示。图6 厚煤层智能化综采控制系统界面2023年第3 期5结语为了解决五阳矿厚煤层综采工作面生产作业过程中自动化、智能化程度低，井下综采作业效率的不高等问题，拟定提出一种新的厚煤层综采作业技术，即以智能化综采控制为核心，通过高效支护、采煤机自动截割、井下联动运行控制，实现厚煤层综采作业效率和安全性提升的新技术。井下巷道支护效率低、巷道变形大，需要频繁进行补强支护以及综采自动化程度低，是影响五阳矿井下综采作业效率的核心因素。采用沿空留巷支-卸联合支护技术，能够将五阳矿综采工作面巷道围岩的变形量降低8 7.4%，提升了巷道在综采作业过程中的稳定性；厚煤层智能化综采控制方案，以采煤机的自适应截割控制和采煤机、液压支架的自主跟机运行控制为核心，实现了五阳矿厚煤层综采面综采技术和综采效率的跨越式提升。应用表明，该技术能够将五阳矿厚煤层综采作业效率提升44.7%，将作业人员数量减少52.9%，将综采作业过程中的吨煤耗电量降低18.7 5%，取得了很好的效果。参考文献：1庞义辉，王国法，任怀伟.智慧煤矿主体架构设计与系统平台建设关键技术J.北京：煤炭科学技术,2 0 19，47江西煤炭科技(3):35-42.2于斌，夏洪春，孟祥斌.特厚煤层综放开采顶煤成拱机理及除拱对策J北京：煤炭学报,2 0 16,41（7)：1617-1623.3郭俊兵.马兰矿采煤机自动化综采工艺关键技术研究J.石家庄：煤炭与化工，2 0 19,42（4)：7 2-7 4,7 7.4唐葆霖，钱立全.我国滚筒采煤机技术与装备现状及发展展望J.哈尔滨：煤炭技术，2 0 2 0,3 911）：16 1-16 3.5柯昌青，朱勇钢，苑雪涛，等.薄煤层超长工作面高产高效的探讨J.哈尔滨：煤矿机械，2 0 17,3 8（6）：6 8-7 0.6王建宏.自动化设备在综采工作面的应用及问题应对探讨J.广州：机电工程技术，2 0 17,46（7）：13 7-1407宋单阳，宋建成，田慕琴，等.煤矿综采工作面液压支架电液控制技术的发展及应用J.太原理工大学学报，2018,49(2):240-251.8李云.矿井掘进机截割煤巷自动化控制技术研究J.太原：机械管理开发,2 0 19,3 4（6）：2 2 6-2 2 8.9刘清，韩秀琪，徐兰欣，等.综采工作面采煤机和液压支架协同控制技术J.常州：工矿自动化，2 0 2 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