纳林河二号煤矿中厚煤层智能化综采工作面关键技术研究与应用

纳林河二号煤矿中厚煤层智能化综采工作面关键技术研究与应用

刘慧

乌审旗蒙大矿业有限责任公司 内蒙古鄂尔多斯市  017307

摘要：纳林河二号煤矿3-1上103工作面是该矿实施的首个中厚煤层智能化工作面，也是陕蒙区域首个在存在冲击地压、涌水量大、有断层的水温地质条件下实施的智能化综采工作面。项目以先进可靠的电液控制系统、三机智能通讯系统、泵站控制系统、采煤机控制子系统为基础，以工作面人员识别系统、顶板压力监测系统、设备故障诊断系统和工作面视频系统为保障，以工业总线网络为通道，以大数据分析和处理为依据，以高端集控设备为平台，研发了14项关键技术，建成了井下集控、地面远控为目标,具有主动感知、自动分析、智能处理的安全、高效、节能、少人化的智能综采工作面。

关键词：智能化；路径规划；安全

1 引言

近年来，随着矿井开采强度和深度的加大，地质条件越来越复杂，冲击地压、水害等灾害的威胁加大，导致各种安全事故频繁发生[1]。2019年9月，国家能源局在全国智能化建设工作推进会上指出，加快煤矿智能化建设是能源安全的关键[2]。为减少生产期间工作面人员，将职工从艰苦的作业环境中解放出来，提高综采工作面的安全系数，必须要通过先进的技术探索综采工作面少人、无人路径，研发远程控制、智能生产的无人智能化技术成为实现这一目标的核心要点。

2 工作面概况

纳林河二号煤矿3-1上103工作面走向长度4271.2m，倾向长度301.5m，可采面积为128.78万平方米。工作面煤层厚度为1.5～2.4m，平均厚度1.9m，地质储量318万吨，可采储量302万吨。设计采高2.3m，沿底、局部割顶进行回采。工作面存在冲击地压、底鼓、断层、构造、起伏大、水大等情况，属于复杂地质采煤工作面[3-4]。

3 工作面设备选型

在3-1上103胶运顺槽主要安装移变列车38节、伸缩电缆车100米、移变5台，组合开关2台、泵站系统一套（采用七泵三箱一站设计）、集控系统一套、自移机尾一套、转载机、破碎机；工作面布置安装采煤机1台，运输机1部，共布置177台支架。工作面支架包括端头支架9台，采用头五尾四的布置方式，过渡架2台，中间支架168台，另外胶运顺槽布置两组滑移支架、回风顺槽布置4台超前支架，设备选型及控制系统见表1。

表1.工作面主要设备型号及控制系统统计表

3 智能化综采实施总体方案

分别在地面和顺槽建立集控中心，地面通过工业环网与工作面进行通讯，顺槽集控中心通过交换机与多标准协议与各子系统连接，地面集控中心和顺槽集控中心对所有设备的运行状态进行远程监控并进行远程操作。井上下使用华宁VOIP电话与工作面扩音电话相连接进行实时通讯。研发了集本地控制、井下集中控制和地面远程控制于一体的综采工作面智能控制系统和自动开采技术体系，共包含14项子系统，最终实现少人干预、系统自主决策、自主执行、自我修正的智能化采煤工艺，系统构成见图1。

图1.综采智能化系统构成示意图

4 智能化综采系统建设突破的关键技术

4.1 路径规划技术

为实现复杂地质条件下的智能化回采，该工作面首创使用了带有角度补偿的路径规划功能。该功能解决了传统自动化割煤数据修正量大、生产连续性差、操作不方便的问题。工作面通过数据建模实现了首刀即自动化割煤的创举，在回采时，可根据煤层走向和采高变化情况，从集控中心调整局部位置底板和采高数据，上位机根据数据进行智能分析和合理规划，形成未来几刀的数据模型，规划后的数据可保证顶、底板在横向和纵向都实现平滑过渡。有效的保证了智能化回采的工程质量和生产连续性，也提高了生产效率，见图2。

图2.路径规划技术模型示意图

4.2 自动找直技术

国内外成熟的智能化工作面均在惯导系统所提供数据的基础上通过“以溜调架”实现自动找直，但因少推溜会导致煤机割支架顶梁而无法上刀，自动找直在实际生产中无法实现。本项目在工作面调试时创造性的提出“以架调溜”的自动找直方案，在回采时，上位机根据惯导系统和推移杆数据形成工作面运输机和支架相对曲线，上位机通过运输机和支架对比形成目标直线，在自动跟机时，通过调整推移杆推移量进行工作面的支架和运输机的自动找直，彻底解决了在智能化工作面“上窜下滑”的这一难题，见图3。

图3.工作面“以架调溜”自动找直技术示意图

4.3 自动加刀、甩刀技术

在自动找直功能界面中调整基准线，控制拉架距离形成加甩刀茬口，实现自动加甩刀。通过及时安排加刀和甩刀调整工作面推进方向和推进度,解决了回采过程中因推进速度较快，导致刮板机机头和机尾推进度不一致、经常出现上窜下滑等问题，保证工作面支架齐直,工作面安全出口符合《煤矿安全规程》规定

[5]。

4.4 皮带自移机尾自动控制技术

开发了皮带自移机尾自动控制逻辑功能，当运输机机头推移完毕后，自移机尾推移缸所装接近传感器得到触发后，可通过集控中心或自移机尾控制器一键启动皮带机尾自移功能，自移机尾推移完毕后，可通过立缸、水平缸传感器和跑偏传感器实现机尾自动调平、调直，功能在国内属领先工艺，基本原理见图4。

图4.皮带自移机尾自动控制原理示意图

4.5 自动摆底技术

通过人工巡视掌握工作面推进时运输机的窜动、支架架型和架间距情况，在集控中心合理设置支架摆底参数和控制模式，对支架进行连续调整，使支架架型符合安全生产标准化要求。自动摆底功能的视线，配合自动拉架功能，解决了自动加甩刀时运输机上窜下滑及工作面支架扭架、挤架等问题，保证了支架工作姿态，见图5。

图5.自动摆底功能示意图

4.6精准定位技术

利用高精度陀螺仪、煤机脉冲编码器、煤机姿态传感器和射频无线发射器等硬件设备，采用基于陀螺仪和轨道里程技术的综合定位方法，将数据传输到工控平台，实现采煤机的精准定位。同时在运输机中部加装铷磁铁，改进脉冲编码器计数方法，提高计数精准度，定位精度高，可靠性高，见图6。

图6.精准定位硬件设备图

4.7采煤机程序化割煤技术

在实现精准定位的基础上，配合状态图表记录的顶、底刀数据，采煤机自动完成割煤步骤。通过编辑状态表规划采煤机的割煤路线，衍生出包括两端斜切进刀、二次扫煤、自动加甩刀、中部割煤等多种自动化割煤路线。该技术通过创新性实现程序割煤，控制系统可自动识别煤机运行状态并进行自动跟机，减少工作面用人，见图7。

图7.采煤机程序化割煤技术现场应用图

5智能化采煤工作面应用总结

1.智能化综采工作面开机率高。纳林河二号煤矿中厚煤层智能化采煤工作面自启动到成熟应用，历经1年左右时间，到目前以累计推采3个综采工作面，回采米数7064米，智能化回采率以达到90%以上。

2.关键创新技术发挥了积极作用。本项目在传统自动找直方法的基础上，创造性的开发了“以架调溜”的自动调直方法；设计了自动加甩刀方法和自动摆底调技术；研发了两巷超前支架与端头架自动跟机移架技术；建立了工作面顶板和底板的高精度三维数字模型，通过预知煤层变化趋势，实现采煤机路径规划和程序割煤；首创了工作面带式输送机自移机尾和设备列车自移技术，实现了带式输送机和设备列车自主跟机，为中厚煤层智能化开采提供了探索方向

3.生产班减人效果明显。采用智能化回采后，工作面单班生产仅需要5人，煤机、支架巡视工1人、班长1人、机头、机尾巡检各1人、控制台1人，工作面生产人员每班减少6人。将职工从危险环境解放出来，改善了职工的工作环境，提高了设备运行效率和矿井的安全生产水平。

4.智能化综采工作面建设走在了行业前列。项目不仅通过了煤炭工业协会认证，达到了国内领先水平，还获得了2023年全国煤矿采煤工作面智能创新大赛中厚煤层赛道特等奖。

5.要及时做好生产组织方式，适应常态化智能生产。智能化工作面与传统采煤工作面相比，作业人员数量更加的精简，人员素质与技能水平要求更高。岗位技能也必须由原先的单人具备单岗的操作水平提升至单人具备多岗位的操作水平。加强职工技能的培训和培养、提升职工技能水平、建立了完善的智能化生产激励机制是实现常态化智能生产的重中之重。

参考文献：

[1]关伟,杨刚,张玮蓉,等.综采工作面远程智能监控系统研发及应用[J].陕西煤炭,2022,41(03):164-169.

[2]程超峰.综采工作面智能化系统及其应用研究[J].机械管理开,2022,37(05):280-281+286.

[3]梁云峰,关伟,朱超,等.蒙大纳林河矿中厚煤层综采工作面智能化技术研究[J].矿山机械,2021,49(10):12-15.

[4]蔡峰.蒙陕地区中厚煤层智能化综采工作面关键技术应用研究[J].中国煤炭,2022,48(05):41-46.

[5]王旭峰,崔石磊,侯永清.加甩刀工序在综采工作面调整中的应用[J].煤炭工程,2015,47(04):66-68.