王永強(qiáng)，郭明生，張幸福，趙建莊，楊文明

1鄭州煤礦機(jī)械集團(tuán)股份有限公司 河南鄭州 450013

2中國(guó)平煤神馬能源化工集團(tuán)平煤十礦 河南平頂山 467000

目前，0.8～1.3 m 的薄煤層約占我國(guó)煤炭探明儲(chǔ)量的 20%[1]，產(chǎn)量只占總產(chǎn)量的 7.32%[2]，屬于復(fù)雜難采煤層。在薄煤層的狹小空間中，如何同時(shí)管理好頂?shù)装宀⒆龊迷O(shè)備配套，是公認(rèn)的難題[3]。很多礦井經(jīng)過(guò)多年開(kāi)采，由于技術(shù)、效益等原因而大量棄采薄煤層，嚴(yán)重浪費(fèi)了煤炭資源[4]。隨著中厚煤層日益減少，為了煤礦高質(zhì)量與可持續(xù)發(fā)展，大采高和薄煤層將是日后開(kāi)采的重要方向[5]。長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外一直在研究和探索薄煤層智能化技術(shù)和裝備應(yīng)用，薄煤層綜采自動(dòng)化的實(shí)施也確實(shí)提高了回采效率[6]，但取得的效果并不理想。薄煤層工作面煤層高度在 1.3 m 以內(nèi)，在礦壓作用下會(huì)進(jìn)一步縮小空間，遇到煤層厚度變化或斷層等地質(zhì)條件，只能強(qiáng)行通過(guò)，割矸量較大，因此要求在盡量降低機(jī)身高度的條件下匹配大功率機(jī)組；為了保證煤流能從采煤機(jī)機(jī)身下順利通過(guò)，過(guò)煤空間不能太小[7]。這幾方面需要同時(shí)保證，就存在矛盾與取舍。

高產(chǎn)高效薄煤層綜采工作面，配套的液壓支架、采煤機(jī)、輸送機(jī)及其他輔助設(shè)備，必須能夠根據(jù)工作面煤層賦存條件實(shí)現(xiàn)自主耦合和協(xié)同運(yùn)轉(zhuǎn)[8]。這就要求工作面各設(shè)備控制系統(tǒng)高度集中，以保證各設(shè)備系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)和交互暢通[9]。因此，采用 1 家企業(yè)統(tǒng)一提供成套智能一體化裝備，綜合考慮采煤機(jī)、輸送機(jī)、支架等的選型和配合尺寸，從整個(gè)系統(tǒng)層面進(jìn)行優(yōu)化，運(yùn)用于薄煤層工作面，以取得好的效果[10]。

1 薄煤層條件及當(dāng)前成套化問(wèn)題

以平煤股份二礦的己 17-23010 工作面為對(duì)象，進(jìn)行成套智能一體化綜采裝備應(yīng)用。該礦標(biāo)高為 -184～-235 m，設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)度為 1 325.5 m，可采走向長(zhǎng)度平均為 806.4 m，切眼長(zhǎng) 175.8 m，采高為 1.3～1.4 m (基于煤層厚度及采煤機(jī)裝煤效果要求，配套采煤機(jī)滾筒直徑為 1 250 mm)，可采儲(chǔ)量為 26.9 萬(wàn) t。工作面煤厚 0.8～1.4 m，煤層傾角為 3°～13°，平均為6.5°，屬結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的穩(wěn)定煤層。機(jī)巷、風(fēng)巷及切眼共有 12 條斷層，斷層落差最大為 2.6 m，最小為 0.3 m。工作面煤層直接頂為厚 3.14 m 的泥巖，基本頂為砂質(zhì)泥巖，直接底為厚 4.4 m 的砂質(zhì)泥巖，基本底為厚25.39 m 的細(xì)砂巖。偽頂回采后極易垮落，軟底條件使液壓支架初撐力較低，導(dǎo)致頂板支護(hù)不到位，開(kāi)采時(shí)冒頂嚴(yán)重。

原采用多設(shè)備廠家進(jìn)行設(shè)備配套，使用中存在一些問(wèn)題：各系統(tǒng)間通信協(xié)議不一致，數(shù)據(jù)接口開(kāi)放程度低，數(shù)據(jù)量大且集中度差，處理效率低。

2 成套智能一體化綜采裝備

2.1 成套智能一體化綜采裝備概念

該成套智能化裝備是國(guó)內(nèi)煤機(jī)行業(yè)首套采用統(tǒng)一控制平臺(tái)打造的高端智能成套裝備，由鄭煤機(jī)統(tǒng)一提供。首先做到了選型配套的科學(xué)和匹配，所有設(shè)備控制系統(tǒng)語(yǔ)言基于統(tǒng)一平臺(tái)進(jìn)行配置，從而保證統(tǒng)一和兼容，避免了不同廠家設(shè)備控制系統(tǒng)的技術(shù)壁壘，保證各設(shè)備控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)完全自主開(kāi)發(fā)，融合度高，可以適應(yīng)工作面條件的實(shí)時(shí)變化。

在成套智能化裝備交付客戶使用后，可以提供設(shè)備全壽命周期管理，以及多種模式的成套裝備服務(wù)，不同于現(xiàn)有的零散型服務(wù)模式，可以做到超前服務(wù)，快速響應(yīng)，一致性服務(wù)。

成套智能一體化綜采裝備的主要功能：

(1)液壓支架自動(dòng)跟機(jī)和推溜、采煤機(jī)記憶截割等；

(2)地面可以對(duì)井下設(shè)備一鍵啟停及語(yǔ)音集控等；

(3)泵站可以遠(yuǎn)程集控；

(4)長(zhǎng)壁三機(jī) (輸送機(jī)、破碎機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī))及采煤機(jī)的電流、溫度等關(guān)鍵數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)在線監(jiān)控，立柱壓力、采面高度、采煤機(jī)位置、牽引方向、牽引速度等在線監(jiān)控。

2.2 成套智能一體化綜采裝備的參數(shù)及優(yōu)勢(shì)

采煤機(jī)、液壓支架和刮板運(yùn)輸機(jī)是綜采工作面裝備核心。

(1)采煤機(jī)整機(jī)型號(hào)為 MG2×200/930-WD，質(zhì)量為 38 t，機(jī)身高度為 883 mm，截割高度為 1.25～2.20 m。整機(jī)質(zhì)量大，減小了機(jī)身震動(dòng)；功率大，增大了破巖能力。滾筒為外旋式，拾煤效果較好。整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，易于維護(hù)。

(2)電液控液壓支架型號(hào)為 ZY5200-09/21D。通過(guò)有限元分析，對(duì)頂梁進(jìn)行可靠度計(jì)算后，采用薄箱形頂梁[11]、缸壁打孔專用立柱、臥式抬底、超薄加長(zhǎng)推桿，降低了采高，滿足生產(chǎn)檢修需要[12]。

(3)刮板運(yùn)輸機(jī)型號(hào)為 SGZ-800/800 型，采用高強(qiáng)度扁平鏈以降低中部槽高度，比原有同型號(hào)輸送機(jī)中部槽降低了 65 mm。刮板輸送機(jī)中部槽高度要盡可能低，并要保證高可靠性，同時(shí)要考慮過(guò)煤空間，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效[13]。

(4)轉(zhuǎn)載機(jī)型號(hào)為 SZZ-800/315，機(jī)身最大高度不大于 1.8 m，與同類型設(shè)備相比，高度低，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)條件適應(yīng)性強(qiáng)。

3 應(yīng)用效果

3.1 主要措施和成果

對(duì)于行業(yè)首套采用統(tǒng)一控制平臺(tái)打造的高端成套裝備，鄭煤機(jī)集團(tuán)與平煤集團(tuán)均給予高度重視。2019年 1 月開(kāi)始立項(xiàng)，2019 年 9 月平煤集團(tuán)到鄭煤機(jī)集團(tuán)實(shí)地調(diào)研，并召開(kāi)薄煤層智能化工作面建設(shè)專題會(huì)，安排工程技術(shù)人員到棗礦集團(tuán)、景昇礦、內(nèi)蒙古伊泰寶山礦進(jìn)行調(diào)研學(xué)習(xí)。實(shí)踐證明，前期充分調(diào)研與論證非常重要，選型的適宜性和科學(xué)性為后期創(chuàng)造效益提供了有力保障。2019 年 10 月完成智能化設(shè)備配套，2019 年 12 月對(duì)成套裝備圖紙進(jìn)行審核，優(yōu)化整改并開(kāi)始樣機(jī)投制。2020 年 3 月，平煤二礦成立薄煤層智能化工作面領(lǐng)導(dǎo)指揮小組，抽調(diào)技術(shù)人員加入小組，專門負(fù)責(zé)該套設(shè)備的安裝、調(diào)試及試運(yùn)行，先后安排 30 人去鄭煤機(jī)集團(tuán)進(jìn)行智能化理論培訓(xùn)。實(shí)踐培訓(xùn)按井下工考核，要求培訓(xùn)人員每天穿下井工作服并攜帶工具進(jìn)行實(shí)操練習(xí)。2020 年 4 月，智能乳化液泵站設(shè)備地面調(diào)試，“三機(jī)”工廠內(nèi)聯(lián)調(diào)聯(lián)試 (見(jiàn)圖1)。2020 年 5 月完成井下安裝和智能化系統(tǒng)調(diào)試。設(shè)備安裝后，僅用 7 d 即調(diào)試完畢出煤，2020 年 6 月開(kāi)始穩(wěn)定高產(chǎn)高效。

圖1 “三機(jī)”工廠聯(lián)調(diào)Fig.1 In-factory combined debugging of hydraulic support,shearer and scraper conveyor

3.2 效益

井下集控中心和地面調(diào)度指揮中心可以實(shí)現(xiàn)對(duì)主要設(shè)備的電流、溫度、油位、立柱壓力、采高、采煤機(jī)位置、方向、速度等關(guān)鍵數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)在線監(jiān)控 (見(jiàn)圖2)，系統(tǒng)及時(shí)對(duì)異常信息進(jìn)行提示，做到超前檢修，達(dá)到了生產(chǎn)期間無(wú)機(jī)電事故。

圖2 調(diào)度中心遠(yuǎn)程操作實(shí)時(shí)監(jiān)控Fig.2 Remote control and on-line monitoring of dispatching center

使用普通裝備平均每天推進(jìn) 7 刀，每刀 0.6 m，每月生產(chǎn)天數(shù)按 28 d 計(jì)算，每月推進(jìn) 117.6 m。采用薄煤層智能化裝備后，6 月 1 日開(kāi)始初采初放，月底推進(jìn) 153 m，產(chǎn)量為 7.0 萬(wàn) t。7 月份采面 20 d 推進(jìn) 185 m，產(chǎn)量為 8.3 萬(wàn) t，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)，工作面推進(jìn)速度平均為 12 刀/d，最高單日推進(jìn)為 16 刀。8 月份 20 d 推進(jìn)210 m，具備薄煤層工作面月產(chǎn) 8～10 萬(wàn) t 的水平。

該工作面由綜采二隊(duì)負(fù)責(zé)回采，原生產(chǎn)班每班約25 人，薄煤層智能化裝備投入后，單班出勤 10 人即可滿足生產(chǎn)要求，減少了人員數(shù)量，達(dá)到減人增效的效果。

通過(guò) 2 個(gè)月的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，該采煤面采高控制在 1.3～1.4 m 的情況下 (見(jiàn)圖 3)，經(jīng)井口篩分洗選后商品煤灰分約為 45%；如使用普通設(shè)備，采高控制在 1.6～1.7 m，經(jīng)井口篩分洗選后商品煤灰分約為 55%。使用薄煤層智能化裝備能夠降低原煤及商品煤灰分 5%～8%，提高入洗煤價(jià)格 160 元/t，增加銷售收入 1 801萬(wàn)元。薄煤層智能 化裝備采高控制在 1.3～1.4 m，可減少破矸厚度 300 mm 以上，減少排矸石 10.6 萬(wàn) t，矸石外運(yùn)成本為 57 元/t，因此可節(jié)省矸石外運(yùn)成本604.2 萬(wàn)元。

圖3 1.3 m 采高示意Fig.3 Sketch of 1.3 mining height

薄煤層成套智能一體化綜采裝備的應(yīng)用，對(duì)于平煤二礦來(lái)說(shuō)，釋放了大量薄煤層資源，直接增加儲(chǔ)量1 056 萬(wàn) t，有效延長(zhǎng)礦井年限 3～5 a，提高了礦井資源回收率。

3.3 應(yīng)用中暴露的問(wèn)題及分析與改進(jìn)

(1)聯(lián)調(diào)過(guò)程中采煤機(jī)遠(yuǎn)程停送電功能無(wú)法實(shí)現(xiàn)。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，采煤機(jī)遠(yuǎn)程供電需要通過(guò)組合開(kāi)關(guān)將采煤機(jī)啟停回路接觸器控制信號(hào)上傳至集控中心，集控倉(cāng)將控制采煤機(jī)停、送電信號(hào)傳送給組合開(kāi)關(guān)；組合開(kāi)關(guān)控制點(diǎn)表需要提交給集控中心，并且組合開(kāi)關(guān)需要具備第三方 (集控中心)遠(yuǎn)程控制功能。因此作出了相應(yīng)改進(jìn)，解決了該問(wèn)題。相關(guān)配套設(shè)備之間的問(wèn)題，凸顯了將移變系統(tǒng)納入工作面成套裝備系統(tǒng)的必要性。

(2)工作面頂板較碎，出現(xiàn)機(jī)頭、機(jī)尾頂梁前端落矸嚴(yán)重的問(wèn)題，影響推進(jìn)效率。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，對(duì)機(jī)頭、機(jī)尾推移梁進(jìn)行改造，通過(guò)減小推移梁寬度并將連接耳板前置，使支架前移 630 mm，減小了頂梁前端空頂距，取得了良好效果 (見(jiàn)圖 4)。

圖4 推移梁改造前后對(duì)比Fig.4 Contrast of pushing beam before and after reconstruction

(3)斷層區(qū)域存在大塊矸石 (見(jiàn)圖 5)，對(duì)截齒壽命影響較大。由于采煤機(jī)截割電動(dòng)機(jī)不可調(diào)速，現(xiàn)場(chǎng)采取以截割電動(dòng)機(jī)的電流作為實(shí)時(shí)反饋信號(hào)，從而判斷煤巖的變化，并及時(shí)調(diào)整采煤機(jī)速度。

(4)根據(jù)瓦斯?jié)舛葘?shí)時(shí)調(diào)整采煤機(jī)速度，國(guó)內(nèi)一直在進(jìn)行探索與研究，也是智能工作面建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)中重要評(píng)價(jià)內(nèi)容。此次在工作面安裝了 GJG100J 型瓦斯?jié)舛葌鞲衅?，初步?shí)現(xiàn)通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)瓦斯?jié)舛龋瑢?shí)時(shí)調(diào)整采煤機(jī)割煤速度。

圖5 斷層區(qū)域存在的大塊矸石Fig.5 Block gangue existed in fault area

(5)由于刮板輸送機(jī)與轉(zhuǎn)載機(jī)沒(méi)有機(jī)械關(guān)聯(lián) (只要保證相對(duì)的位置關(guān)系即可，能很好地適應(yīng)工作面傾角的變化)，刮板輸送機(jī)的機(jī)頭懸空段需要使用墊架支撐，因此先后設(shè)計(jì)了 3 種墊架。初始設(shè)計(jì)考慮到順槽低于采面機(jī)頭底板約 0.8 m，同時(shí)需要適應(yīng)順槽底板起伏等，設(shè)計(jì)為多層可拆卸結(jié)構(gòu)。在實(shí)際使用過(guò)程中，由于底板為泥巖，硬度不夠，推進(jìn)過(guò)程中順槽與采面底板交接處形成緩坡，最終將可拆卸結(jié)構(gòu)改為單層結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)語(yǔ)

首套采用統(tǒng)一控制平臺(tái)打造的薄煤層成套智能一體化綜采裝備，投入使用后在開(kāi)采效果、效率、效益方面發(fā)揮出顯著的優(yōu)勢(shì)，后續(xù)對(duì)于綜采高端成套裝備的推廣，需要注意以下 3 個(gè)方面：

(1)需要圍繞煤層賦存和工作面條件對(duì)綜采成套裝備進(jìn)行科學(xué)選型和論證，綜采生產(chǎn)管理人員要充分參與成套裝備的設(shè)計(jì)過(guò)程；

(2)綜采成套裝備要適應(yīng)綜采工藝和工作面條件，根據(jù)調(diào)試和初期運(yùn)行情況作出必要的調(diào)整和優(yōu)化，以適應(yīng)井下?tīng)顩r；

(3)綜采成套裝備是以滿足具體工況、發(fā)揮整體系統(tǒng)功能效果為優(yōu)化目的。

薄煤層成套智能一體化綜采裝備會(huì)隨著研發(fā)和應(yīng)用的持續(xù)深入，在我國(guó)薄煤層安全、綠色、高效、智能開(kāi)采中作出更大貢獻(xiàn)。