综采自动化智能无人化技术与应用

赵 军

（大同煤矿集团同家梁矿安检站，山西 大同 037003）

综采自动化是指在煤矿采掘工程中的设备具有自动化控制和智能化操作功能，可以减少工作面操作人员数量，甚至可实现无人化开采。目前，全世界只有CAT 、JOY和Eickhoff等知名企业可以生产比较高端的自动化采掘设备。我国只能通过进口设备来完成综采自动化煤矿采掘工程。下面是同煤集团同忻煤矿8201工作面进行综采自动化采掘工程的具体情况。

1 工程概况

1.1 地质状况的剖析

对8201工作面的位置、相邻及井上下关系、煤层顶底板地质构造、水文地质、瓦斯及其他影响回采因素、工作面储量及服务年限做了详细的勘察、计算和剖析，储量具体情况如表1。

1.2 采空区积水情况

8201工作面上覆有同家梁矿、永定庄矿侏罗系大同组煤层采空区，其中工作面736m对应上覆有同家梁矿404盘区采空区，736m至切眼上覆有永定庄矿309、402盘区采空区。工作面内石炭系3～5#层与上覆侏罗系14#层层间距135.6～176.0m。针对上覆采空区情况，施工了17个井下探放水孔，其中5201巷施工5个孔，2201巷施工16个。见空钻孔17个，出水钻孔5个，共计疏放上覆老空区水1.5万m3。

1.3 奥陶、寒武系灰岩承压水情况

根据山西省煤炭地质115勘察院编制的《大同煤矿集团同忻矿矿井水文地质类型划分报告》附图“寒武-奥陶系灰岩顶界及水位等值线图”，8201工作面奥陶系灰岩埋藏深度471.57（1106孔）～583.88m（1508孔），O1地层顶界标高719～741m，水位标高995～1011m，工作面全区带压。根据DT2孔抽水试验，单位涌水量0.000932L/s·m。根据工作面周边揭露奥灰钻孔分析，奥灰含水层岩溶裂隙发育不均，富水性弱-中等。根据《煤矿防治水规定》附录四中突水系数T=P/M计算，3～5#煤层突水系数0.023～0.057MPa/m，全区突水系数均小于0.06MP/m，为安全区。综合论证，8201工作面具备安全开采条件。

表1 储量计算参数表

2 采用的主要设备及其自动化控制

2.1 液压支架

8201工作面选用由中央机场生产的128架液压支架，其中中部支架的架型为四柱支撑掩护式正四连杆低位放顶煤支架，型号为ZF15000/27.5/42，数量为118架；过渡支架的架型为ZFG13000/27.5/42H型正四连杆过渡支架，数量为9架；端头支架的架型为一组ZTZ20000/30/42放顶煤端头支架，共采用2架。液压支架采用液压、电气多渠道控制方法，可实现跟机移架、程控、邻架和成组作业等多种自动运行方式。

2.2 采煤机

选用由Eickhoff公司生产的1715kW采煤机，其采高5240mm，卧底量370mm，牵引速度0～26.8m/min，牵引力0～869kN，截深800mm，完全符合8201工作面的使用条件，采用交流电牵引，变频控制技术，有自动调高、自诊故障、自动定位等自动化功能，还能够完成对工作台面和液压支架的通讯和控制。

2.3 刮板运输机

前后刮板运输机都是由美国JOY公司生产的GXW74（Morley）运输机，其运输能力为3000t/h，装载功率为2×1050kW，满足8201工作面的生产要求，该运输机具有皮带自张紧、自诊故障功能，还能够完成对工作台面的通讯和控制。

2.4 工作面自动控制系统

工作面自动控制系统是整个生产系统的控制中心，不仅要实时通讯和控制液压支架、采煤机、运输机等主要设备，还要对转载机、破碎机、乳化液泵站以及其他辅助设备进行自动化控制，还能实现所有设备间的通信和人工干预调整等。

3 施工中面临的问题及解决方案

（1）保证开采的连续性。经前期勘查，8201工作面煤层存在很大的不稳定性，夹有矸断层，顶板易出现破碎现象，底板太软，地压的冲击大，这些不确定因素都会造成工作面片帮、冒顶或输送机跑偏、扎低以及液压支架倒塌等状况的发生，导致无法连续开采。井下作业环境的复杂性和受安全条件制约等多方面因素影响，是综采自动化采收面临难题之一，为防止此类事件的发生就要做好完善的准备调研工作，深入了解矿井信息，将一切不确定因素排除在计划之外，以保证开采的连续性。

（2）设备种类繁多，相互信息传递存在一定难度。8201工作面系统庞大，各个元件之间关联、配合复杂，所以对控制的准确性、顺序性要求很高。设备检测工作环境信息的能力有限，若设备不能构成闭环实时信息监控，不能获取采掘工作中装备突破岩层时的状态，就很难完成设备配合的准确性和快速性；系统中高压、高频设备种类繁多，会产生很强的电磁干扰，对信号输送影响很大，电缆随设备运动产生位移和弯曲，也会对信号产生影响，所以造成了信号远距离传送困难；设备采购来自厂家不统一，设备间通讯协议和信号接口存在差异。为了解决这些问题，施工前必须做好信号调试工作，统一信号传输协议和电缆对接接口，施工中做好自动监控和人工干预工作，出现问题及时修正，保证施工的顺利进行。

（3）虽然很多综采设备都带有自诊故障功能，但自维修功能不完善。由于工况复杂，时常会引起设备的硬性损伤性故障，进口设备结构复杂，维修能力薄弱，设备损伤性故障会降低开采速度和开采效率。要想克服此类困难，必须使用业务能力较强的操作人员和维修人员，操作精准减少故障的发生，加强维修能力，减少维修时间，降低维修成本，间接提升采收速度和采收效率。

4 施工工艺

采煤机斜切进刀→割煤→移架→推前溜→放顶煤→拉后溜，此为一个正规循环，照此往复不断割煤。采煤机采用双向割煤法，从头到尾或从尾到头，采煤机沿牵引方向，升起前滚筒按设计采高割顶煤，后滚筒沿底板割底煤。

采煤机进刀采用在工作面两端头斜切割三角煤进刀法，其进刀工艺如下（详见图1）：

（1）采煤机割煤至头部或尾部停机并拉回支架，反向牵引，同时调换两滚筒上下位置，割掉端头采煤机段底煤。

（2）采煤机后滚筒15m外溜子全部推移到位。

（3）采煤机割掉端头段底煤后沿溜子弯曲段逐步斜切入煤壁，直至两滚筒完全切入煤壁。

（4）将端头溜子弯曲段全部推移到煤壁并移直，放顶煤，拉后部运输机。

（5）采煤机再次反向牵引，同时对调两滚筒上下位置，割掉机身段底煤和三角煤，采煤机割煤到端部。

（6）将采煤机再次反向牵引，来回2～3次，将三角段浮煤扫清之后，采煤机进入正常割煤至尾部或头部。

图1 斜切进刀方式示意图

5 施工结果

（1）工作面长度：根据矿井盘区划分及二盘区开采经验，确定8201工作面倾向217.5m。8201工作面西部为盘区三条大巷故留设保护煤柱100m，确定工作面走向长度为2038m。

（2）采高：根据8201工作面采用SL-500型采煤机及ZF15000/27.5/42型低位放顶煤支架，综合考虑支架高度确保工作面来压期间立柱收缩后采煤机能够正常通行，支架后摆梁上下摆动能够满足放顶煤要求以及采高对煤壁片帮的影响，确定工作面采高为3.9m。

（3）截深：8201工作面配套使用ZF15000/27.5/42型支架，推移千斤行程为0.96m，确定8201工作面截深为0.8m。

（4）综放工作面放煤步距及停采前顶煤留设距离：根据二盘区已采工作面经验确定，放煤步距为一刀一放，放煤步距为0.8m，初次放煤步距为20m，停采前不放煤的距离为30m。

（5）煤柱留设：8201工作面西部为盘区三条大巷故留设保护煤柱100m，北侧为二盘区8202和8203采空区保护煤柱38m。

6 结语

完善和推广综采自动化开采系统，减少操作人员数量，提高生产效率和开采速度，是煤炭企业提高采收速度和采收率的重要方法。做好开采前的准备工作和工作面的信息调研，加强设备之间的通讯管理，提升操作人员和维修人员业务能力，使综采自动化、智能化、少人化技术进一步发展，逐步解决技术难题，最终实现安全、智能、无人、高速开采。