關(guān)于召開 2024 山西省煤炭學(xué)會(huì)煤礦智能化委員會(huì)年會(huì)暨千人智庫科創(chuàng)服務(wù)站工作會(huì)的通知

項(xiàng)目名稱: 大采高自動(dòng)化綜放工作面安全高效綜合配套技術(shù)研究

申報(bào)單位: 山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司王莊煤礦

主要完成人：劉克功  肖亞寧  周志利  賈雙春  楊建立  

牛宏偉  趙學(xué)雷  蘇  海  王  睿  李宗濤  

董宗斌  翟利斌  韓月強(qiáng)  楊曉國  王  鋒

主要完成單位: 山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司王莊煤礦

中國礦業(yè)大學(xué)

山西潞安機(jī)電修造公司

專業(yè)（學(xué)科）分類名稱代碼: 采煤專業(yè)

所屬國民經(jīng)濟(jì)行業(yè):B類型

任務(wù)來源：自選

計(jì)劃（基金）名稱和編號(hào)：無

項(xiàng)目起止時(shí)間：2006年6月-2007年8月

項(xiàng)目簡介：綜放開采技術(shù)經(jīng)過二十多年的發(fā)展，目前已經(jīng)成為我國厚煤層的主要開采方法之一。普通綜放開采存在采放比例不盡合理，割放煤不同步；工作面有效通風(fēng)斷面小、產(chǎn)量增大帶來瓦斯相對(duì)涌出量增大和上隅角瓦斯超限問題；工序復(fù)雜，工作面用人較多，放煤受人為因素影響較大，煤質(zhì)和采出率穩(wěn)定性波動(dòng)較大等問題。為了進(jìn)一步完善和提高綜放開采技術(shù)自動(dòng)化方向發(fā)展，潞安王莊煤礦、中國礦業(yè)大學(xué)和潞安機(jī)電修造公司等共同組成課題組，以普通綜放開采技術(shù)存在缺陷和問題為突破口，率先進(jìn)行了大采高自動(dòng)化綜放工作面安全高效綜合配套技術(shù)研究。

本項(xiàng)目研制了大采高自動(dòng)化綜放液壓支架和新型大采高綜放工作面端頭支架，進(jìn)行了大采高綜放工作面設(shè)備的配套選型，采用系統(tǒng)集成的方式研究大采高自動(dòng)化綜放工作面工藝、運(yùn)輸系統(tǒng)及生產(chǎn)保障系統(tǒng)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)控制技術(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析大采高綜放工作面煤巖的運(yùn)移規(guī)律及煤巖的破碎塊度特征，采用散體模型研究大采高綜放開采的煤矸流場(chǎng)特征，確定了大采高綜放開采的放煤工藝參數(shù)。針對(duì)工作面端部頂煤冒放性相對(duì)較差的特點(diǎn)，在工作面端部試驗(yàn)研究振動(dòng)放頂煤技術(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究大采高綜放工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，分析大采高綜放支架的承載特征及適應(yīng)性。研究了大采高綜放工作面瓦斯治關(guān)鍵技術(shù)和礦井綜合防塵技術(shù)。試驗(yàn)研究聲音頻譜煤矸識(shí)別與自動(dòng)放煤技術(shù)。

為了進(jìn)一步完善和提高綜放開采的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，特別是為了將放頂煤開采技術(shù)向自動(dòng)化方向發(fā)展，掌握和應(yīng)用更高層次的技術(shù)水平，王莊煤礦、中國礦業(yè)大學(xué)等共同組成課題組，以普通綜放開采技術(shù)存在的三大缺陷和問題為突破口，率先進(jìn)行了大采高自動(dòng)化綜放工作面安全高效綜合配套技術(shù)研究。項(xiàng)目采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研分析、理論研究、實(shí)驗(yàn)研究、工業(yè)性試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究相結(jié)合的綜合研究方法進(jìn)行，并在王莊煤礦進(jìn)行試驗(yàn)，取得了成功。

立項(xiàng)背景：綜放開采技術(shù)是由潞安集團(tuán)率先試驗(yàn)成功的厚煤層采煤技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)于1997年獲煤炭部科技進(jìn)步特等獎(jiǎng)；經(jīng)過近二十年的發(fā)展，目前已經(jīng)成為我國厚煤層的主要開采方法之一。但是，綜采放頂煤技術(shù)中還有許多難題沒有充分解決，一是普通綜放開采雖然實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)同時(shí)出煤，但由于采放比例不盡合理，割放煤不同步，割煤等放煤現(xiàn)象比較普遍；二是工作面有效通風(fēng)斷面小、產(chǎn)量增大帶來瓦斯相對(duì)涌出量增大和上隅角瓦斯超限問題，制約了安全高效水平的進(jìn)一步發(fā)展；三是工序復(fù)雜，工作面用人較多，同時(shí)放煤受人為因素影響較大，煤質(zhì)和采出率穩(wěn)定性波動(dòng)較大。因此綜放技術(shù)的優(yōu)勢(shì)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)未發(fā)揮出來，發(fā)展?jié)摿€很大。

目前，放頂煤支架最大高度一般在3.5m以下，機(jī)采高度3.2m以下，隨著國內(nèi)煤礦機(jī)械化開采步伐的加快以及地質(zhì)條件的變化，這些支架的性能已經(jīng)不能完全滿足厚及特厚煤層機(jī)械化開采的要求。

結(jié)合綜放開采和大采高綜采兩種采煤方法的優(yōu)點(diǎn)，厚及特厚煤層采用大采高綜放開采，避免了大采高綜采面采煤機(jī)割煤過高造成煤壁片幫的問題，同時(shí)也克服了綜放開采由于割煤高度小導(dǎo)致采煤機(jī)、前部刮板輸送機(jī)能力得不到充分利用的問題，適應(yīng)性好，是綜放面提高工作面產(chǎn)量和安全的主要途徑。同時(shí)，新版《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定放煤高度不能超過3倍的機(jī)采高度，即在煤機(jī)割煤高度給定的條件下，綜放開采一次采放的總厚度受到限制，對(duì)于部分特厚煤層將不能實(shí)現(xiàn)采用普通綜放開采一次采煤層全厚。因此，大采高綜放開采是未來我國厚及特厚煤層實(shí)現(xiàn)安全高產(chǎn)高效開采的重要途徑。

2005年集團(tuán)公司在前期調(diào)研的基礎(chǔ)上，決定將放頂煤開采技術(shù)由機(jī)械化方向向自動(dòng)化方向發(fā)展。為了進(jìn)一步完善和提高綜放開采的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，特別是為了將放頂煤開采技術(shù)向自動(dòng)化方向發(fā)展，以普遍綜放開采技術(shù)存在的三大缺陷和問題為突破口，率先進(jìn)行了大采高自動(dòng)化綜放工作面安全高效綜合配套技術(shù)研究。

大采高綜放開采能解決普通綜采放頂煤技術(shù)中存在的許多難題，同時(shí)提高了綜放開采一次采放的總厚度，進(jìn)一步拓寬綜采放頂煤技術(shù)的應(yīng)用范圍。放頂煤由于煤矸互混，塊度大小不一，方位變化不定，綜放工作面的自動(dòng)化的難度遠(yuǎn)大于一般工作面。因此，開展大采高自動(dòng)化綜放工作面安全高效綜合配套等關(guān)鍵技術(shù)研究，對(duì)于推動(dòng)我國安全高效礦井建設(shè)，實(shí)現(xiàn)煤炭開采技術(shù)的自動(dòng)化具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

總體思路：結(jié)合綜放開采和大采高綜采兩種采煤方法的優(yōu)點(diǎn)，采用大采高綜放開采實(shí)現(xiàn)厚及特厚煤層的安全高效開采。大采高綜放開采，即工作面采煤機(jī)割煤高度大于3.5m的綜放開采。由于大采高綜放工作面割煤高度加大，放煤高度相應(yīng)減小，不僅可增大工作面通風(fēng)斷面、降低工作面風(fēng)阻、縮短放煤時(shí)間、提高工作面回收率與單產(chǎn)，而且為工作面支架后部通風(fēng)與放煤提供了空間，為工作面放煤口附近瓦斯稀釋提供了保證，有利于工作面實(shí)現(xiàn)均衡生產(chǎn)；而且工作面割煤高度加大，為充分利用當(dāng)前大功率采煤機(jī)與輸送機(jī)創(chuàng)造了條件，可增加工作面割煤量；工作面采用大采高支架，為工作面配備大功率后部輸送機(jī)提供了空間，并有利于頂煤的垮落；大功率后部輸送機(jī)為工作面增加放煤口數(shù)量提供了保證；隨著大采高支架的高度增加，可有效減少循環(huán)移架、放煤時(shí)間，有效地縮短工作面循環(huán)時(shí)間，加快工作面推進(jìn)速度，是綜放開采進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效的途徑。

圖1  大采高綜放開采的優(yōu)勢(shì)

分析目前國內(nèi)外安全高效工作面的特點(diǎn)及技術(shù)裝備情況，結(jié)合礦區(qū)的特點(diǎn)，選取王莊煤礦6203工作面為項(xiàng)目實(shí)施地點(diǎn)，確定工作面布置及設(shè)備選型原則。采用模擬實(shí)驗(yàn)和理論研究大采高綜放開采條件下采場(chǎng)支架與圍巖關(guān)系、煤巖的活動(dòng)規(guī)律；確定大采高綜放液壓支架設(shè)計(jì)的目標(biāo)和主要技術(shù)參數(shù)。根據(jù)潞安礦區(qū)的具體地質(zhì)條件和大采高綜放開采的礦壓特點(diǎn)，確定合適的液壓支架架型，完成液壓支架與液壓控制系統(tǒng)的配套設(shè)計(jì)；優(yōu)化液壓支架結(jié)構(gòu)并進(jìn)行液壓支架結(jié)構(gòu)件有限元計(jì)算，研制整體頂梁的ZF7000/20/40大采高放頂煤液壓支架和大采高綜放工作面端頭支護(hù)的側(cè)向自移式端頭液壓支架。根據(jù)國內(nèi)外綜采設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀，確定能滿足工作面生產(chǎn)能力要求的采煤機(jī)、運(yùn)輸機(jī)及其它配套設(shè)備。

綜放開采時(shí)機(jī)采高度變化，引起采放比變化，將導(dǎo)致采場(chǎng)采動(dòng)應(yīng)力；基于此形成通過調(diào)節(jié)采放比來調(diào)節(jié)礦山壓力的思想和方法，即通過改變綜放面的機(jī)采高度，調(diào)節(jié)采放比，進(jìn)而調(diào)節(jié)礦山壓力的變化，改變煤壁塑性區(qū)寬度和支承壓力影響范圍，從而調(diào)節(jié)礦山壓力的破煤效果和工作面圍巖的穩(wěn)定性，使厚及特厚煤層滿足放頂煤開采“架前完整、架后破碎”的基本要求。

實(shí)測(cè)研究大采高綜放工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和煤巖運(yùn)移規(guī)律，分析大采高綜放工作面支架圍巖關(guān)系及支架穩(wěn)定性。基于頂煤破斷冒放的塊度理論，采用散體模型試驗(yàn)和理論研究大采高綜放開采放煤口參數(shù)和煤矸放出的流動(dòng)場(chǎng)特征，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化大采高綜放開采放煤工藝參數(shù)。加大綜放工作面的機(jī)采高度，調(diào)節(jié)采放比，進(jìn)而調(diào)節(jié)礦山壓力的變化，改變了煤壁塑性區(qū)寬度和支承壓力影響范圍，從而改善了頂煤的冒放性，提高頂煤放出率；且煤機(jī)割煤采出率整體大于頂煤放出率，加大機(jī)采高度與頂煤放出率提高共同提高工作面的采出率。采用振動(dòng)的辦法，改變大塊頂煤的流動(dòng)性，形成工作面端部改善放煤效果的振動(dòng)放煤技術(shù)。根據(jù)放煤口放出煤矸的聲音頻譜信號(hào)差異，試驗(yàn)研究聲音頻譜煤矸識(shí)別技術(shù)，為自動(dòng)終止放煤提供依據(jù)，解決綜放工作面實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化放煤的技術(shù)“瓶頸”。

將電液控制技術(shù)應(yīng)用于大采高四柱支撐掩護(hù)式綜放設(shè)備，采用漢字顯示，開發(fā)適合于采放工藝要求的自動(dòng)跟機(jī)控制程序，達(dá)到采放平衡。采用本安型工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，通過Modbus/TCP總線、標(biāo)準(zhǔn)的OPC接口，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制臺(tái)對(duì)工作面設(shè)備的集中控制，實(shí)現(xiàn)了綜放工藝自動(dòng)化。實(shí)現(xiàn)主運(yùn)輸、供電設(shè)備的地面集中控制，無人值守。大幅度提高綜放工作面及環(huán)節(jié)系統(tǒng)自動(dòng)化水平、安全可靠性，達(dá)到減人提效的目的。

采用大采高綜放支架增大工作面有效通風(fēng)斷面，形成以綜放沿空小斷面留巷技術(shù)和工作面分源治理瓦斯技術(shù)為特征的大采高綜放開采J型通風(fēng)系統(tǒng)治理瓦斯涌出的關(guān)鍵技術(shù)，解決工作面因產(chǎn)量提高而帶來的瓦斯涌出量增大和上隅角瓦斯超限問題。采用未掘成前加固和掘成后的加固的方法，解決工作面風(fēng)巷變形量大，無法實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)和通風(fēng)能力受到影響的難題，形成了小煤柱錨網(wǎng)巷道注漿加固支護(hù)技術(shù)。將供給的高壓水轉(zhuǎn)化成控制采煤機(jī)滾筒割煤產(chǎn)塵源向外擴(kuò)散的汽霧流屏障和局部含塵風(fēng)流凈化除塵系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)滾筒割煤產(chǎn)塵的就地凈化、阻止和減少粉塵向外擴(kuò)散，形成采煤機(jī)二次負(fù)壓電控架間噴霧降塵技術(shù)。最后進(jìn)行大采高自動(dòng)化綜放工作面安全高效綜合配套技術(shù)的工業(yè)性試驗(yàn)和技術(shù)完善。

技術(shù)方案：一、大采高自動(dòng)化綜放工作面設(shè)備配套技術(shù)支架設(shè)計(jì)的目標(biāo)為（1）通過50000次壽命試驗(yàn)，生產(chǎn)原煤1000萬t不大修；（2）電液控制，移架速度小于11s/架。根據(jù)大采高綜放開采礦壓特點(diǎn)研制的ZF7000/20/40型大采高四柱支撐掩護(hù)式低位綜放液壓支架有如下特點(diǎn)：

（1）工作阻力大，切頂能力及抗沖擊能力強(qiáng)；

（2）后部放煤空間大，支架尾梁可以向上旋轉(zhuǎn)62°，增大了后部運(yùn)輸機(jī)的過煤高度，加大了支架插板的行程，插板行程700mm，增加了放煤口尺寸 ；

（3）采用整體式雙前連桿、單后連桿型式，大大提高了支架的抗扭能力和橫向穩(wěn)定性。

（4）采用雙活動(dòng)側(cè)護(hù)板，便于采區(qū)倒面。支架側(cè)護(hù)板收回時(shí)最小寬度1430mm，側(cè)護(hù)板展開后最大寬度1600mm。

（5）支架采用2根φ250的雙伸縮前立柱和2根φ230的雙伸縮后立柱，調(diào)高范圍大，采高適應(yīng)性強(qiáng)。

（6）提高了支架的初撐力。支架初撐力達(dá)到支架工作阻力的81%以上；同時(shí)加大前梁千斤頂缸徑，其缸徑為φ200，增加了前梁對(duì)頂煤的支撐力，提高了支架對(duì)新暴露頂板的控制能力。

圖2  ZF7000/20/40型大采高四柱支撐掩護(hù)式低位綜放液壓支架

研制了適合大采高綜放工作面端頭支護(hù)特點(diǎn)的位于外幫的ZDWX-07型側(cè)向自移式端頭液壓支架。該端頭支架具有適應(yīng)巷道和工作面寬度變化，前推后拉與轉(zhuǎn)載機(jī)同步前進(jìn)，與轉(zhuǎn)載機(jī)、運(yùn)輸機(jī)、排頭支架不接觸，結(jié)構(gòu)簡單，管理使用簡便，適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。研制了回風(fēng)巷超前維護(hù)循環(huán)支移支架，該支架具有能適應(yīng)動(dòng)壓巷道變形量要求，避免了對(duì)頂板的反復(fù)支撐，可根據(jù)巷道斷層尺寸進(jìn)行頂梁調(diào)節(jié)和護(hù)幫機(jī)構(gòu)等特點(diǎn)。

圖3  ZDWX-07型側(cè)向自移式端頭液壓支架結(jié)構(gòu)示意圖

圖4  ZDWX-07型側(cè)向自移式端頭液壓支架地面調(diào)試

6203大采高自動(dòng)化綜放工作面設(shè)備選型配套有如下特點(diǎn)：（1）增大了工作面刮板機(jī)配套功率，并使用雙速電機(jī)，刮板鏈型號(hào)提高，有效減少了斷鏈和傳動(dòng)部事故的發(fā)生；（2）自行研制并成功使用了采煤機(jī)截割滾筒內(nèi)噴霧裝置，有效降低了工作面煤塵濃度，改善了工作面環(huán)境；（3）工作面配套使用了大功率移變，并實(shí)行雙回路供電和備用回路帶電熱備用，提高了工作面供電可靠性；（4）選用大流量乳化液泵站，實(shí)行雙泵雙回路供液，提高工作面支架供液系統(tǒng)的流量、壓力；（5）工作面安裝TK-200通訊控制一體化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)關(guān)鍵設(shè)備的集中控制和負(fù)荷檢測(cè)。

二、大采高綜放工作面煤矸流場(chǎng)特征及工藝參數(shù)優(yōu)化

與普通采高綜放工作面相比，大采高綜放開采頂煤開始張裂的位置前移了1m左右，張裂縫的傾角增大3°，頂煤的垮落角增大15°，張裂縫切割頂煤的間距減小約500mm，相同位置的裂縫寬度也有所增加。

圖5  6203大采高綜放工作面頂煤變形素描圖（單位：mm）

在大采高綜放開采條件下，頂煤的始動(dòng)點(diǎn)超前煤壁的距離較大，頂煤的破斷角增大，頂煤超前支架切頂線冒落，頂板滯后頂煤垮落的距離減小，頂煤破碎塊度變小，頂煤的冒放性改善。

圖6  頂煤及頂板位移變化曲線

基于以頂煤破斷塊度為特征量的塊度理論，分析得出了大采高綜放開采煤矸流場(chǎng)特征主要表現(xiàn)為：①頂煤放落后的煤矸分界線的斜率變陡；②放煤過程中煤矸的流動(dòng)速度變快，煤矸分界線與支架頂梁末端的距離縮??；③受采放比、掩護(hù)梁角度和放煤口尺寸變化影響而易于混矸。

圖7  頂煤破斷冒放的塊度理論框架

（a）移架前              （b）移架后放煤前              （c）放煤后

圖8  采高3.6m時(shí)煤矸流動(dòng)形態(tài)

大采高綜放開采煤矸分界線和頂煤始動(dòng)線之間的間隔層寬度隨著放煤步距的加大而增加。合理的放煤步距應(yīng)保證移架后放煤前的煤矸分界線應(yīng)略偏后于尾梁下部邊界。在王莊礦大采高低位綜放開采條件下，最佳放煤步距與放煤方式的組合形式應(yīng)是“兩采一放雙輪順序放煤”。

表1  不同放煤步距放煤效果對(duì)比

表2  放煤方式實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表3  6203工作面放煤工藝試驗(yàn)結(jié)果

采用振動(dòng)放頂煤技術(shù)破壞了重力放煤過程中形成的鉸接拱結(jié)構(gòu)，從而大幅度地降低了放頂煤過程中的成拱概率，提高了工作面端部頂煤的放出率。基于煤和矸石的聲音頻譜差異，試驗(yàn)研究了聲音頻譜煤矸識(shí)別與自動(dòng)放煤技術(shù)。

三、大采高綜放工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律與支架適應(yīng)性

與相鄰非大采高綜放工作面相比，具有以下特點(diǎn)：

（1）工作面來壓步距基本相同，采高增加后，對(duì)老頂?shù)钠茢嘁?guī)律沒有明顯影響；

（2） 大采高綜放工作面來壓期間動(dòng)載系數(shù)1.63，提高了27.3%；

（3）老頂周期來壓期間，工作面上中下三個(gè)部位支架最大工作阻力平均5061.15kN、6463.4kN和5178.9kN，分別占額定額工作阻力的72.3%、92.3%和73.98%；

（4）支架末阻力占其額定工作阻力的比例的分布較分散，基本呈均勻分布，而時(shí)間加權(quán)阻力基本呈正態(tài)分布；

（5）支架的工作特性主要呈現(xiàn)先增后降與先降后升狀態(tài)；

（a）末阻力                          （b）時(shí)間加權(quán)阻力

圖9  工作面中部阻力分布

（6）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)表明，片幫深度主要在150～300mm范圍，占統(tǒng)計(jì)總數(shù)的63.6％，而大于450mm的頻率占13.6％。冒頂高度小于600mm；

圖10  片幫深度分布

（7）實(shí)測(cè)支架頂梁的仰俯角分布范圍為-0.5°～1.5°，最大仰角為1.5°，最大俯角為6°，支架位態(tài)良好；

（8）從對(duì)煤壁片幫和端面冒頂?shù)目刂菩Ч峡矗蟛筛呔C放支架的支護(hù)參數(shù)及結(jié)構(gòu)形式能夠適應(yīng)大采高綜放工作面的圍巖活動(dòng)規(guī)律，保證了工作面的高效生產(chǎn)，具有良好的適應(yīng)性。

四、大采高綜放工作面自動(dòng)化控制技術(shù)研究

工作面自動(dòng)化系統(tǒng)集成采用三級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即信息層、傳輸層和監(jiān)控層，每一層均采用成熟的信息與控制技術(shù)，對(duì)工作面單個(gè)設(shè)備工況及整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行精確實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，實(shí)現(xiàn)了工作面生產(chǎn)過程自動(dòng)化和生產(chǎn)信息計(jì)算機(jī)管理網(wǎng)絡(luò)化。

系統(tǒng)集成的配套子系統(tǒng)包括： 1）采煤機(jī)子系統(tǒng)； 2）運(yùn)輸設(shè)備集控子系統(tǒng)； 3）泵站集控子系統(tǒng)； 4）負(fù)荷中心；5）頂板離層。

綜放工作面自動(dòng)化的關(guān)鍵是液壓支架的電液控制，尤其是放煤的電液自動(dòng)控制。本項(xiàng)目采用PM31電液控制系統(tǒng)對(duì)液壓支架實(shí)施多功能、高效率、自動(dòng)化控制。6203工作面PM31系統(tǒng)具體功能主要包括：

（1）用按鍵對(duì)單個(gè)支架（鄰架）單動(dòng)作的非自動(dòng)控制；

（2）對(duì)單個(gè)支架（鄰架）的降柱→移架→升柱動(dòng)作施行自動(dòng)順序聯(lián)動(dòng)；

（3）成組自動(dòng)控制；

圖11  大采高綜放工作面自動(dòng)化的總體要求

圖12  大采高綜放工作面自動(dòng)化功能體系

（4）支柱在工作中發(fā)生卸載時(shí)的自動(dòng)補(bǔ)壓功能；

（5）閉鎖及緊急停止功能；

（6）信息功能；

（7）以采煤機(jī)位置為依據(jù)的支架自動(dòng)控制；

（8）跟機(jī)自動(dòng)化。

圖13  6203工作面系統(tǒng)集成圖

液壓支架電液控制系統(tǒng)由工作面支架監(jiān)控系統(tǒng)、采煤機(jī)位置監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、平巷主機(jī)系統(tǒng)組成。每個(gè)支架安設(shè)了控制單元系統(tǒng)并聯(lián)接形成了一個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)；可監(jiān)控工作面支架、輸送機(jī)和采煤機(jī)的運(yùn)行情況，并實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)支架或者一組支架自動(dòng)補(bǔ)液、推溜和移架。

工作面工藝自動(dòng)化技術(shù)主要包括：（1）采煤機(jī)自動(dòng)進(jìn)刀與割煤技術(shù)；（2）工作面自動(dòng)移架與推溜技術(shù)；（3）自動(dòng)放煤技術(shù)，實(shí)現(xiàn)人工啟動(dòng)成組按時(shí)間控制自動(dòng)放煤，必要時(shí)人工單架找補(bǔ)的半自動(dòng)放煤，根據(jù)后部運(yùn)輸機(jī)負(fù)荷實(shí)現(xiàn)放煤口數(shù)量和組數(shù)的自動(dòng)控制。

利用支架電液控制系統(tǒng)和采煤機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的控制原理和可編程功能，設(shè)計(jì)了采煤機(jī)進(jìn)刀與割煤、移架與推溜和放煤的自動(dòng)控制流程，實(shí)現(xiàn)了綜放工作面工藝過程（采煤機(jī)進(jìn)刀與割煤、移架與推溜、放煤）的自動(dòng)化。

（a）

（b）

圖14  移架推溜控制過程

大采高綜放工作面運(yùn)輸及生產(chǎn)保障系統(tǒng)集成技術(shù)：

（1）工作面集控臺(tái)首次采用防爆型ups電源，提高了系統(tǒng)集中控制的可靠性。

（2）工作面首次采用本安型環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，保障數(shù)據(jù)通信的高速傳輸。

（3）首次在皮帶機(jī)頭設(shè)置集控臺(tái)，實(shí)現(xiàn)工作面設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

（4）首次采用modbus/TCP現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)工作面各種設(shè)備與系統(tǒng)集成主機(jī)的通訊。

（5）首次采用標(biāo)準(zhǔn)的opc接口技術(shù)，將系統(tǒng)集成主機(jī)與電液控主機(jī)數(shù)據(jù)快速提供給第三方，實(shí)現(xiàn)在地面的集中監(jiān)控。

（6）自動(dòng)化工作面供電監(jiān)控系統(tǒng)首次采用樹型結(jié)構(gòu)及多線結(jié)構(gòu)，監(jiān)控分站與高、低壓開關(guān)間采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊方式，可同時(shí)獲取各開關(guān)數(shù)據(jù)。滿足自動(dòng)化工作面供電系統(tǒng)快速反映要求，在遙測(cè)的基礎(chǔ)上，首次引入了遙控、遙調(diào)功能。

清水保障系統(tǒng)：取自奧灰水，全封閉供水系統(tǒng)，加超高精度凈水器和高精度過濾器，內(nèi)外噴型鋼鐵管，水泵調(diào)節(jié)供水，水質(zhì)精度可達(dá)10μm。

系統(tǒng)集成子系統(tǒng)：工作面控制器TK200；皮帶控制器TK200；三機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；采煤機(jī)系統(tǒng)；泵站控制系統(tǒng)；負(fù)荷中心；頂板離層監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

運(yùn)輸與生產(chǎn)保障系統(tǒng)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)整體工作狀態(tài)較好。刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、皮帶、泵站、負(fù)荷中心以及頂板離層的監(jiān)測(cè)、報(bào)警與控制功能保證了工作面外圍系統(tǒng)的安全生產(chǎn)，為優(yōu)化生產(chǎn)工藝，提高工作面效率創(chuàng)造了條件。

圖15  工作面控制器TK200

圖16  皮帶控制器TK200                 圖17  三機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

圖18  采煤機(jī)系統(tǒng)                 圖19  泵站控制系統(tǒng)

圖20  負(fù)荷中心

圖21  頂板離層監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

6203大采高自動(dòng)化綜放工作面整個(gè)循環(huán)過程設(shè)備動(dòng)作配合嚴(yán)密、運(yùn)動(dòng)關(guān)系協(xié)調(diào)，工序完成流暢，尤其是自動(dòng)化移架與推溜技術(shù)和放煤的半自動(dòng)化控制技術(shù)使工作效率分別提高了29.6%和57.9%。支架自動(dòng)補(bǔ)液技術(shù)使平均初撐力提高了27.5%，支架初撐力得到了保障。

五、大采高自動(dòng)化綜放工作面安全關(guān)鍵技術(shù)

大采高放頂煤開采條件下，由于開采強(qiáng)度和工作面產(chǎn)量的增大，進(jìn)行瓦斯的有效防治是確保工作面安全順利生產(chǎn)的重要保障。6203大采高綜放工作面采用E+J型通風(fēng)系統(tǒng) ，即運(yùn)輸順槽進(jìn)風(fēng)、回風(fēng)順槽和采空區(qū)沿空留專用排瓦斯尾巷回風(fēng) 。該通風(fēng)系統(tǒng)主要關(guān)鍵技術(shù)有：綜放沿空小斷面留巷技術(shù)，高瓦斯涌出工作面通風(fēng)方法分源治理瓦斯技術(shù)。

形成了以綜放沿空小斷面留巷技術(shù)和工作面分源治理瓦斯技術(shù)為特征的大采高綜放開采J型通風(fēng)系統(tǒng)治理瓦斯涌出的關(guān)鍵技術(shù)，6203綜放工作面正常生產(chǎn)期間各測(cè)點(diǎn)瓦斯?jié)舛戎灯椒€(wěn)正常。

圖22  6203工作面瓦斯尾巷支護(hù)示意圖 圖23 工作面正常生產(chǎn)與高產(chǎn)期間瓦斯涌出量曲線

6203綜放工作面風(fēng)巷與6205工作面為留5m窄煤柱掘巷，且在6203工作面頂煤中距風(fēng)巷15m平行掘有一條排瓦斯巷。未掘成前加固：噴漿參數(shù)：噴漿水泥河沙比為1：2，噴層厚度100~150mm。噴漿為6205風(fēng)巷外幫煤墻。

注漿參數(shù)：6205風(fēng)巷外幫破碎圈為0.8m，松動(dòng)圈為1.2m。掘成后的加固：有效地控制了6203風(fēng)巷的變形。

圖24  6205風(fēng)巷注漿孔平、剖面圖        圖25  6203風(fēng)巷注漿孔平、剖面圖

工作面采用負(fù)壓二次降塵技術(shù)等綜合防塵技術(shù)，運(yùn)輸系統(tǒng)采用封閉除塵、凈化風(fēng)流、沖洗巷道相結(jié)合的綜合防塵技術(shù)，回風(fēng)巷凈化水幕采用粉塵傳感器及紅外控制自動(dòng)噴霧裝置。工作面最大粉塵濃度118mg/m³（落煤），平均濃度36.4mg/m³，降塵效果理想。

圖26  負(fù)壓二次除塵裝置在采煤機(jī)上的安裝示意圖

圖27  負(fù)壓二次除塵裝置井下應(yīng)用效果

采用了地面三維地震勘探、無線電波坑道透視等地質(zhì)保障技術(shù)，形成了大采高自動(dòng)化綜放開采的安全關(guān)鍵技術(shù)體系。

研制了大變形回風(fēng)巷超前支護(hù)系統(tǒng)，支移機(jī)構(gòu)由吊掛機(jī)構(gòu)、自懸式軌道、行走機(jī)構(gòu)和平衡機(jī)構(gòu)組成；其特點(diǎn)為：單框架結(jié)構(gòu)型式；能適應(yīng)動(dòng)壓巷道變形量要求；避免了對(duì)頂板的反復(fù)支撐；可根據(jù)巷道斷層尺寸進(jìn)行頂梁調(diào)節(jié)；有護(hù)幫機(jī)構(gòu)；通過吊掛環(huán)形工字鋼梁實(shí)現(xiàn)支架的支、回、運(yùn)等動(dòng)作。

                                                 圖28 支架總裝圖            圖29  回風(fēng)巷循環(huán)支移支架移架立體圖

圖30  回風(fēng)巷超前維護(hù)循環(huán)支移系統(tǒng)井下應(yīng)用效果

（2.3） 實(shí)施效果

6203大采高自動(dòng)化綜放工作面試驗(yàn)期間，對(duì)大采高綜放工作面自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)可靠性、采高、采煤機(jī)割煤速度與開機(jī)率、支架移架工序、大采高綜放支架位態(tài)及不同放煤工藝參數(shù)下的放煤效果等進(jìn)行了大量跟班實(shí)測(cè)。生產(chǎn)班內(nèi)采煤機(jī)的開機(jī)率平均為65.24％。

經(jīng)過三個(gè)月的工業(yè)性試驗(yàn)證明，該項(xiàng)目總體設(shè)計(jì)適應(yīng)工作面地質(zhì)條件和生產(chǎn)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)達(dá)到了自動(dòng)化生產(chǎn)工藝，新型ZF7000型支架適應(yīng)并提高了綜放工作面的壓力支護(hù)要求，設(shè)備裝備配套體現(xiàn)了設(shè)計(jì)選型先進(jìn)，匹配合理、幾何關(guān)系協(xié)調(diào)、生產(chǎn)能力穩(wěn)定、自動(dòng)化程度高。頂煤的破碎塊度平均為20～30cm，直接頂?shù)钠扑閴K度平均為30～40cm，破碎煤矸的流動(dòng)性好，工作面回收率平均達(dá)91.6％，最高達(dá)92.1％。在工業(yè)性高產(chǎn)試驗(yàn)期間，最高日產(chǎn)達(dá)到33186t，平均日產(chǎn)26068t，最高月產(chǎn)達(dá)到633168t；最高工效達(dá)到502t/工，平均工效394t/工。實(shí)踐證明該大采高自動(dòng)化工作面是我國目前設(shè)備配套最為先進(jìn)、自動(dòng)化程度最高的放頂煤工作面。

表4  6203大采高自動(dòng)化綜放工作面主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)（6~8月份）

同時(shí)，對(duì)煤層硬度較大、礦山壓力較小的綜放面，增加機(jī)采高度，采放比增大，礦山壓力顯現(xiàn)加劇，有利于頂煤地破碎和順利放出，從而提高頂煤的放出率；且煤機(jī)割煤采出率整體大于頂煤放出率，加大機(jī)采高度與頂煤放出率提高共同提高了工作面的采出率。

取得的主要技術(shù)指標(biāo)如下：（1）工作面支架移架速度達(dá)11.5S/架，通過50000次壽命試驗(yàn)，生產(chǎn)原煤1000萬t不大修；（2）側(cè)向自移式端頭液壓支架適應(yīng)巷道和工作面寬度變化，前推后拉與轉(zhuǎn)載機(jī)同步前進(jìn)，實(shí)現(xiàn)不停機(jī)作業(yè)；（3）大采高綜放面累計(jì)采出率達(dá)91.6％，最高達(dá)92.1％；（4）生產(chǎn)班內(nèi)采煤機(jī)的開機(jī)率平均為65.24％；（5）自動(dòng)化移架與推溜技術(shù)和放煤的半自動(dòng)化控制技術(shù)使工作效率分別提高了29.6%和57.9%；（6）支架自動(dòng)補(bǔ)液技術(shù)使平均初撐力提高了27.5%，支架初撐力得到了保障；（7）工作面的工人數(shù)量降至16人；（8）形成了以綜放沿空小斷面留巷技術(shù)和工作面分源治理瓦斯技術(shù)為特征的大采高綜放開采J型通風(fēng)系統(tǒng)治理瓦斯涌出的關(guān)鍵技術(shù)；（9）工作面最大粉塵濃度118mg/m³（落煤），平均濃度36.4mg/m³。

作用意義如下：（1）“大采高自動(dòng)化綜放工作面安全高效配套技術(shù)研究”項(xiàng)目的試驗(yàn)成功，形成了一套技術(shù)含量高、設(shè)備配套性能好、自動(dòng)化程度高的綜采成套設(shè)備與技術(shù)，建立了在厚煤層實(shí)現(xiàn)安全高效的工藝與保障技術(shù)體系，使我國厚煤層條件下安全高效綜放技術(shù)躍上了新的臺(tái)階。（2）在6203綜放工作面工業(yè)性試驗(yàn)期間，由于各項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，工作面產(chǎn)量、安全可靠性、回采工效、資源采出率等各項(xiàng)指標(biāo)均有了明顯的提高，特別是自動(dòng)放煤技術(shù)的應(yīng)用，大采高綜放工作面采出率獲得了較大提高；另隨著工作面自動(dòng)化集控程度的提高，工作面支架前移、放煤、頂溜（拉后溜）等工序均實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，工作面的工人數(shù)量明顯減少；自主研發(fā)的側(cè)向自移式端頭液壓支架的應(yīng)用，改變了原機(jī)頭空檔采用單體柱架鉸結(jié)頂梁的支護(hù)方式，減少了單體支柱的投入；大大降低了生產(chǎn)成本，進(jìn)一步提高了生產(chǎn)效率。（3）該套設(shè)備推廣應(yīng)用之后，將進(jìn)一步拓寬綜采放頂煤技術(shù)的應(yīng)用范圍，提高綜采放頂煤技術(shù)水平，促進(jìn)綜放開采技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

發(fā)現(xiàn)、發(fā)明及創(chuàng)新點(diǎn)：（1）根據(jù)潞安礦區(qū)地質(zhì)條件，自主研發(fā)制造了大采高四柱支撐掩護(hù)式綜放液壓支架和新型側(cè)向自移式端頭支架，并與國內(nèi)先進(jìn)設(shè)備相配套，形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高可靠性、大功率、大采高成套綜放設(shè)備。

（2）首次將電液控制技術(shù)應(yīng)用于大采高四柱支撐掩護(hù)式綜放設(shè)備；首次采用本安型工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，通過Modbus/TCP總線、標(biāo)準(zhǔn)的OPC接口，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)控制臺(tái)對(duì)工作面設(shè)備的集中控制，實(shí)現(xiàn)了綜放工藝自動(dòng)化。實(shí)現(xiàn)了主運(yùn)輸、供電設(shè)備的地面集中控制，無人值守。

（3）采用大采高綜放支架增大工作面有效通風(fēng)斷面，解決了工作面因產(chǎn)量提高而帶來的瓦斯涌出量增大和上隅角瓦斯超限問題。研究應(yīng)用了小煤柱錨網(wǎng)巷道注漿加固支護(hù)技術(shù)。首次采用采煤機(jī)二次負(fù)壓電控架間噴霧降塵技術(shù)，有效地降低了工作面的粉塵濃度。

（4）根據(jù)煤矸流場(chǎng)特征，試驗(yàn)研究了聲音頻譜煤矸識(shí)別技術(shù)，為下一步實(shí)現(xiàn)智能化放煤提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

（5）研究了大采高綜放工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和煤巖穩(wěn)定性控制技術(shù)，形成了通過改變綜放開采采放比來調(diào)節(jié)礦山壓力的思想和方法，為綜放開采端面圍巖穩(wěn)定性和頂煤冒放性控制提供了依據(jù)。

應(yīng)用情況：本項(xiàng)目實(shí)施以來，6203大采高自動(dòng)化綜放工作面最高日產(chǎn)33186噸，平均日產(chǎn)26068噸，最高月產(chǎn)633168噸；年生產(chǎn)能力達(dá)到800萬噸水平。隊(duì)組在冊(cè)人數(shù)由120人減少到96人，主運(yùn)輸、供電實(shí)施地面集中控制，無人值守。工作面效率最高達(dá)502噸/工，平均394噸/工，工作面回收率達(dá)92.1%。工業(yè)性試驗(yàn)證明，設(shè)備配套合理，主要技術(shù)參數(shù)選擇適當(dāng)、各單機(jī)性能良好、系統(tǒng)運(yùn)行可靠；自動(dòng)化工藝之間協(xié)調(diào)一致，能夠?qū)崿F(xiàn)集中控制與在線檢測(cè)。各部件操作正常，設(shè)備運(yùn)行良好，支架自移步距正常，移架時(shí)間達(dá)到試驗(yàn)要求，放煤程序適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)需要。實(shí)踐證明該大采高自動(dòng)化工作面是我國目前設(shè)備配套最為先進(jìn)、自動(dòng)化程度最高的放頂煤工作面。

大采高綜放開采技術(shù)因其顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)而適用于高瓦斯堅(jiān)硬難冒厚及特厚煤層，拓寬了綜放開采技術(shù)的適用范圍；同時(shí)，通過調(diào)節(jié)采放比來調(diào)節(jié)礦山壓力的思想對(duì)綜放開采具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

本項(xiàng)目首次形成了小煤柱大采高綜放工作面的支護(hù)設(shè)備配套體系，自主研發(fā)了側(cè)向自移式支架，在人員組織、勞動(dòng)強(qiáng)度、支護(hù)效果上均不能與自動(dòng)化工作面相適應(yīng)，在端頭管理上取消了單體架設(shè)十字梁的管理方式，達(dá)到了安全高效率方便快捷的效果；該支護(hù)設(shè)備體系可以在綜放工作面條件下應(yīng)用。大采高綜放工作面礦壓規(guī)律、煤巖運(yùn)移規(guī)律、支架圍巖關(guān)系及支架穩(wěn)定性、煤矸流場(chǎng)特征及工藝參數(shù)優(yōu)化等礦壓與工藝的理論和技術(shù)成果可以在所有的大采高綜放工作面應(yīng)用。大采高綜放工作面自動(dòng)化控制技術(shù)可以在所有綜放工作面推廣應(yīng)用?？傊?，大采高自動(dòng)化綜放工作面安全高效綜合配套技術(shù)研究形成的理論與技術(shù)體系具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

經(jīng)濟(jì)效益：（1）產(chǎn)量提高增加的收入：工業(yè)性試驗(yàn)期間實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量137.2895萬t，平均月產(chǎn)量45.68萬t，王莊煤礦類似煤層條件下工作面常規(guī)開采平均月產(chǎn)量37.26萬t，按同期原煤銷售平均價(jià)格372.08元/t計(jì)算，增加銷售收入：（45.68－37.26）×3×372.08=9398.7408萬元

（2）產(chǎn)量提高增加的成本：2007年6、7、8月份，王莊礦平均原煤成本為164.6元/t，王莊礦類似煤層條件下工作面常規(guī)開采平均原煤成本為170.99元/t，由于產(chǎn)量提高實(shí)際增加成本費(fèi)用總額為：137.2895×164.6－111.78×170.99＝3484.5895萬元

（3）產(chǎn)量提高增加的凈利潤為：9398.7408-3484.5895=5914.1513萬元

由于該項(xiàng)目的實(shí)施，2007年3個(gè)月可增加稅前利潤5914.1513萬元，平均月增加稅前利潤1971.379萬元，預(yù)計(jì)年增加23656.548萬元。按33%計(jì)算所得稅7806.66萬元，年凈利潤為15849.888萬元。

社會(huì)效益：（1）進(jìn)一步提高了我國對(duì)厚煤層開采的整體裝備水平和工作面單產(chǎn)能力，為礦井提高綜合生產(chǎn)能力、高度集約化生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

（2）自動(dòng)化程度顯著提高，設(shè)備安全可靠性增強(qiáng)，大大降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了勞動(dòng)環(huán)境，設(shè)備故障率明顯降低。

（3）綜放面安全高效是王莊煤礦實(shí)施“三步走”戰(zhàn)略，保證礦井持續(xù)、穩(wěn)定、健康發(fā)展的需要。

    （4）項(xiàng)目的實(shí)施為進(jìn)一步減人提效、合理集中生產(chǎn)，大幅度減少生產(chǎn)、運(yùn)輸、通風(fēng)、排水、供電等環(huán)節(jié)設(shè)備的占用，降低運(yùn)行費(fèi)用，創(chuàng)造了必須的前提條件。

    （5）本項(xiàng)目的成功實(shí)施是安全、生產(chǎn)和效益互動(dòng)的客觀需要，通過科學(xué)組織，加強(qiáng)管理，集約高效生產(chǎn)呈現(xiàn)出強(qiáng)勁發(fā)展態(tài)勢(shì)，在生產(chǎn)指標(biāo)連續(xù)攀升的同時(shí)，各類事故均降至了建礦歷史最低點(diǎn)，繼續(xù)保持了百萬噸死亡率為“零”的紀(jì)錄。與此相應(yīng)的是由于增產(chǎn)增銷和安全形勢(shì)良好所帶來的銷售收入、利潤和職工收入的大幅度提高。

（6）該項(xiàng)研究在王莊煤礦生產(chǎn)實(shí)踐過程中取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益億元，為王莊煤礦進(jìn)一步提高礦井綜合生產(chǎn)能力和高度集約化生產(chǎn)打下良好基礎(chǔ)。該項(xiàng)技術(shù)成果的總體思路、基本框架以及具體技術(shù)措施和控制參數(shù)都能向同類礦區(qū)推廣應(yīng)用，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景

獲獎(jiǎng)情況：：2007年12月獲長治市人民政府“長治市科技進(jìn)步獎(jiǎng)”一等獎(jiǎng)；

           2008年10月獲中國煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)、中國煤炭學(xué)會(huì)“中國煤炭工業(yè)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)”一等獎(jiǎng)。

專利情況：大采高自動(dòng)化綜放工作面安全高效綜合配套設(shè)備項(xiàng)目成功獲得國家專利號(hào)：中國200720138454.0