文/張國川

平寶公司是中國平煤神馬集團(tuán)與上海寶鋼集團(tuán)合資建設(shè)的礦井，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力240萬t/a，礦井瓦斯含量高、壓力大、井下地質(zhì)條件復(fù)雜。為了解決大采高高突綜采工作面作業(yè)人員多、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、信息傳遞慢、開采實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控等問題，經(jīng)反復(fù)研究論證，平寶公司在己15-17-12100綜采工作面推廣應(yīng)用大采高智能化開采技術(shù)，以先進(jìn)可靠的電液控制系統(tǒng)、三機(jī)在線監(jiān)控系統(tǒng)、泵站控制系統(tǒng)、采煤機(jī)控制子控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以工作面人員識(shí)別系統(tǒng)、頂板壓力檢測(cè)系統(tǒng)、設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測(cè)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、大數(shù)據(jù)分析和處理為依據(jù)，通過高端集控設(shè)備為平臺(tái)，重點(diǎn)解決采煤機(jī)記憶截割、精確定位問題，實(shí)現(xiàn)三機(jī)設(shè)備之間協(xié)同控制，乳化液泵站智能化運(yùn)行，為實(shí)現(xiàn)減人提效、安全高效生產(chǎn)提供了有力保障。

一、工作面概況

己15-17-12100工作面位于己二采區(qū)西翼下部，采面可采走向長1393m，采長256m，采面回采己15-17煤層，采高6.5m，可采儲(chǔ)量285萬t，采用傾斜長壁后退式一次采全高，全部垮落法處理采空區(qū)的機(jī)械化采煤法。己15-17-12100工作面直接頂為砂泥巖互層，厚度2.8～6.0m，灰色，塊狀結(jié)構(gòu)，鏡面發(fā)育，具波狀層理；基本頂為細(xì)至中粒砂巖，厚度12.4～27.2m，灰色，塊狀結(jié)構(gòu)，以石英為主，裂隙發(fā)育，分選中等，富含云母片，具交錯(cuò)層理。直接底為砂泥巖互層，厚度3.4～6.2m，深灰色，薄層狀，夾細(xì)砂巖層，遇水易膨脹；基本底為石炭紀(jì)灰?guī)r上段，厚度16.7m，深灰色，塊狀，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，含動(dòng)物化石碎屑，上部為泥灰?guī)r，裂隙發(fā)育，夾一厚度為0.3m的煤線。

二、工作面智能化開采系統(tǒng)構(gòu)建及功能

1. 智能化綜采工作面系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

工作面配備有MG750/1840-WD型采煤機(jī)、SGZ-1000/2400型刮板輸送機(jī)、SZZ-1000/525型橋式轉(zhuǎn)載機(jī)運(yùn)輸，ZY13000-30/65D型液壓支架，通過由以太網(wǎng)液壓支架控制器組成的工作面以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)，將液壓支架電液控制系統(tǒng)、三機(jī)控制子系統(tǒng)、采煤機(jī)控制子系統(tǒng)、工作面視頻系統(tǒng)、泵站控制子系統(tǒng)、順槽皮帶控制子系統(tǒng)、智能刮板運(yùn)輸系統(tǒng)等集成到采用 vistwo 技術(shù)的工控自動(dòng)化平臺(tái)上。工控自動(dòng)化平臺(tái)采用同一數(shù)據(jù)庫，同一顯示控制平臺(tái)，通過數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)綜采工作面人員設(shè)備和環(huán)境一體化。整個(gè)控制系統(tǒng)的組成和架構(gòu)如圖1所示。

2.智能化綜采工作面系統(tǒng)功能

智能化綜采工作面系統(tǒng)具備下列功能。

（1）支架電液控制系統(tǒng)能夠?qū)χЪ軌毫?、支架推移行程、工作面采高等信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了鄰架操作、成組動(dòng)作和自動(dòng)移架，以及無線遙控控制、自動(dòng)補(bǔ)壓，具備了支架跟機(jī)自動(dòng)化、自動(dòng)割三角煤以及支架遠(yuǎn)程控制功能；電液控制器具有聲光報(bào)警、急停、閉鎖及故障顯示功能。

（2）采煤機(jī)定位系統(tǒng)利用射頻、紅外及采煤機(jī)行程編碼器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)采煤機(jī)位置的精確定位。采煤機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)采煤機(jī)油泵運(yùn)行狀態(tài)、左右滾筒運(yùn)行狀態(tài)、牽引速度及方向、搖臂升降狀態(tài)及高度等信息的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，同時(shí)可對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行地面一鍵啟停與控制。

（3）破碎機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、刮板運(yùn)輸機(jī)的控制系統(tǒng)，可以在井下集控主機(jī)及集控中心主機(jī)遠(yuǎn)程控制三機(jī)的啟停，包括一鍵啟停、聯(lián)動(dòng)模式和點(diǎn)動(dòng)模式。

（4）乳化液泵站控制系統(tǒng)將泵站機(jī)械卸載閥更換為電磁卸載閥，實(shí)現(xiàn)在順槽監(jiān)控中心控制泵站啟停等功能，該集成供液系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)雙向傳輸，可以在井下集控主機(jī)及地面集控主機(jī)正確顯示泵站的運(yùn)行狀態(tài)并控制泵站啟停。

（5）順槽集控室實(shí)現(xiàn)了對(duì)綜采設(shè)備的統(tǒng)一集成監(jiān)控，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)工作面的視頻監(jiān)視與設(shè)備的監(jiān)測(cè)與控制。地面集控中心實(shí)現(xiàn)了對(duì)工作面的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、視頻的自動(dòng)存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對(duì)綜采工作面遠(yuǎn)程操控。

圖1 智能化綜采工作面系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

三、工作面智能化開采研究與實(shí)踐

1.工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及其特征

工作面礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成部分，通過工控平臺(tái)對(duì)來自工作面立柱壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，生成工作面礦壓分布曲線，以及液壓支架支護(hù)規(guī)劃。該系統(tǒng)具有采集工作面頂板壓力、設(shè)定預(yù)警值和報(bào)警值，對(duì)工作面支架壓力進(jìn)行報(bào)警等功能，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)分析，掌握工作面頂板的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，預(yù)測(cè)頂板的周期來壓和來壓強(qiáng)度。

己15-17-12100綜采工作面長度為256m，共安裝149架支架，采用實(shí)時(shí)觀測(cè)記錄壓力數(shù)據(jù)。觀測(cè)時(shí)間為2019年10月1日至12月15日，相應(yīng)工作面推進(jìn)距離為104.8m，觀測(cè)長度為104.8m。觀測(cè)主要提取分析20#、60#、120#支架壓力數(shù)據(jù)。據(jù)觀測(cè)，支架工作阻力隨工作面推進(jìn)長時(shí)間內(nèi)沒有明顯變化，來壓特征也不明顯，20#支架實(shí)測(cè)平均壓力為26.54MPa，當(dāng)工作面推進(jìn)32.4m時(shí)，工作面普遍出現(xiàn)來壓現(xiàn)象，壓力普遍升高，工作面基本頂初期來壓步距32.4m，來壓時(shí)最大工作阻力為11.77kN，是額定工作阻力的90%。隨著采面不斷推進(jìn)，當(dāng)工作面再推進(jìn)22.3m時(shí)，工作面中部支架的工作阻力變化高于兩端支架阻力變化，基本頂周期來壓步距22.3m。工作面支架阻力主要分布在24～28MPa之間，工作面周期來壓期間支架載荷大于初次來壓期間支架載荷。說明在大采高條件下，基本頂厚度相對(duì)較薄時(shí)，承受上覆巖層的壓力弱，隨著工作面推進(jìn)，基本頂層位必然上升，造成周期來壓期間支架載荷較初次來壓大。

傳統(tǒng)大采高工作面礦壓監(jiān)測(cè)基本上采用人工記錄和人工數(shù)據(jù)處理，存在觀測(cè)精度低，工作面支架狀態(tài)調(diào)整滯后等問題，容易出現(xiàn)頂板管理不到位引起片幫、冒頂?shù)仁鹿?。智能化礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主機(jī)通過收集支架壓力、護(hù)幫壓力、采高等數(shù)據(jù)對(duì)工作面頂板活動(dòng)規(guī)律進(jìn)行分析，設(shè)定系統(tǒng)監(jiān)測(cè)參數(shù)，對(duì)初撐力達(dá)不到26MPa的液壓支架進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)壓，并將工作面實(shí)時(shí)礦壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示到監(jiān)控主機(jī)上，集控中心操作人員能夠根據(jù)工作面頂板壓力變化情況，預(yù)測(cè)周期來壓時(shí)間，及時(shí)采取管理措施，有效杜絕了頂板事故。

2.智能化工作面開采工藝

通過分析研究己15-17-12100綜采工作面工程地質(zhì)條件及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，利用工作面智能化礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，分析工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及其特征，編制出智能化大采高綜采工作面采煤工藝，智能化綜采的主要流程包括以下步驟。

（1）啟車。

①集控中心：登錄三機(jī)控制主機(jī)，獲取三機(jī)控制權(quán)限→②工作面確認(rèn)安全→③井下：三機(jī)和采煤機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制授權(quán)→④集控中心：三機(jī)控制切換到一鍵順序啟停模式→⑤集控中心：三機(jī)一鍵啟車；采煤機(jī)遠(yuǎn)程啟車。

（2）中間段割煤（20～129架）。

①收護(hù)幫：前滾筒前方2架開始依次收護(hù)幫；先收二級(jí)護(hù)幫，再收一級(jí)護(hù)幫，伸縮梁不動(dòng)作→②伸護(hù)幫：煤機(jī)后滾筒后方第2架開始依次伸護(hù)幫；先伸出伸縮梁，再伸出一級(jí)護(hù)幫→③推溜：煤機(jī)后滾筒后方第5架依次推溜；行程達(dá)到890mm停止→④移架：煤機(jī)后滾筒后方第10架開始依次自動(dòng)移架；先收一級(jí)護(hù)幫；降立柱同時(shí)伸抬底，使架腳抬起；拉架，行程達(dá)到0mm停止；升立柱，初撐力達(dá)到26MPa；先伸一級(jí)護(hù)幫，再伸二級(jí)護(hù)幫。

（3）機(jī)頭割三角煤（1～20架）。

①機(jī)頭1割透：煤機(jī)下行，機(jī)頭割透；煤機(jī)位置1～11架，20架以上溜子已推、架子已拉，11～20架是斜子→②返刀拾煤：返刀上行至4～14架，下行拾煤至1～11架，溜子不動(dòng)，架子不動(dòng)→③入窩：返刀上行至20～30架，20～1架推溜，20～1架拉架→④機(jī)頭2割透：煤機(jī)下行割煤，機(jī)頭割透（煤機(jī)位置1～11架）→⑤返刀拾煤：返刀上行至4～15架，下行拾煤至1～11架，溜子不動(dòng)，架子不動(dòng)→⑥煤機(jī)上行：返刀上行正常割煤。

（4）機(jī)尾割三角煤（140～149架）。

①機(jī)尾1割透：煤機(jī)上行，機(jī)尾割透；煤機(jī)位置139～149架，129架以下溜子已推，架子已拉，129～139架是斜子→②返刀拾煤：返刀下行至135～145架，上行拾煤至139～149架，溜子不動(dòng)，架子不動(dòng)→③返刀下行至119～129架，129～149架推溜，129～149架拉架→④煤機(jī)上行割煤，機(jī)尾割透（煤機(jī)位置139～149架）→⑤返刀拾煤：返刀下行至135～145架，上行拾煤至139～149架，溜子不動(dòng)，架子不動(dòng)→⑥煤機(jī)下行：返刀下行正常割煤。

四、智能化開采技術(shù)的應(yīng)用效果

1.本質(zhì)安全可靠性大幅提升

工作面所有設(shè)備的操控任務(wù)由監(jiān)控中心操作員利用遠(yuǎn)程操作臺(tái)來完成，主要負(fù)責(zé)綜采設(shè)備的啟停、遠(yuǎn)程人工干預(yù)采煤機(jī)進(jìn)行各項(xiàng)動(dòng)作并進(jìn)行自動(dòng)跟機(jī)過程中的補(bǔ)架等工作。工作面所有設(shè)備的安全監(jiān)護(hù)工作由巡檢工來完成，巡檢工主要在開采過程中觀察設(shè)備運(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)問題時(shí)緊急停機(jī)，并聯(lián)系技術(shù)人員來共同解決問題?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明：采用智能化生產(chǎn)技術(shù)后，實(shí)現(xiàn)了工作面設(shè)備遠(yuǎn)程控制為主、人工干預(yù)為輔的生產(chǎn)局面，解決了在復(fù)雜條件下工作面快速連續(xù)推進(jìn)難題，實(shí)現(xiàn)了工作面高效智能化連續(xù)開采，達(dá)到了“少人則安，無人則安”的目標(biāo)。

2.實(shí)現(xiàn)了減人提效目標(biāo)

通過智能化開采技術(shù)的應(yīng)用，工作面單班作業(yè)人員大幅減少，目前工作面生產(chǎn)單班作業(yè)人員由原來的20人減少至6人，具體分配為巡檢工3人，集控中心操作工1人，泵站司機(jī)1人。

3.單產(chǎn)水平大幅提升

按照日推進(jìn)6刀的正規(guī)循環(huán)組織生產(chǎn)，雙滾筒采煤機(jī)記憶截割，液壓支架自動(dòng)跟機(jī)移架支護(hù)，月產(chǎn)量為25萬噸。目前，首山一礦具備在高瓦斯突出條件下“一井一面”年生產(chǎn)300萬噸的能力。

五、結(jié)論

河南平寶煤業(yè)有限公司在大采高工作面開采技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，結(jié)合礦井發(fā)展升級(jí)的需要，在己15-17-12100綜采工作面開展了智能化大采高綜采技術(shù)研究，通過以太網(wǎng)液壓支架控制器組成的工作面數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)，將工作面主要系統(tǒng)集成到搭建的自動(dòng)化工控平臺(tái)上，結(jié)合智能化大采高工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，針對(duì)性地制定出智能化工作面開采系統(tǒng)方案，形成了符合首山一礦特色的大采高智能化開采模式。作為河南省首個(gè)智能化大采高工作面，己15-17-12100綜采工作面自2019年10月試生產(chǎn)以來，智能化生產(chǎn)保持常態(tài)化穩(wěn)定運(yùn)行，智能化大采高開采技術(shù)的應(yīng)用大幅提升了綜采設(shè)備之間的協(xié)同工作水平，為建設(shè)大型現(xiàn)代化礦井提供了有力支撐。