智能综放工作面自动化放煤工艺分析与研究
时间:2022-02-14 20:01 来源:中国煤炭杂志官网 作者: 点击:次
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★ 科技引领 ★ 智能综放工作面自动化放煤工艺分析与研究0 引言21世纪以来，我国安全高效高端综采技术与装备研发突飞猛进，取得大批重要成果，极大地提高了煤炭行业机械化、自动化水平和安全保障能力[1-3]。随着我国经济发展方式的转变，煤炭行业也由粗放的生产方式向集约化、智能化方向转型，智能化开采成为煤炭安全高效开采的必然趋势[4-5]。 目前，国内许多煤矿在较薄煤层、中厚煤层顺利实现了工作面智能化开采，综放工作面智能化开采技术尚处于不断探索和研究阶段，尚未取得实质性突破，无法达到智能综放的常态化应用[6-8]。 当前，综放工作面放煤工序仍需要人工进行操作，针对综放工作面的自动放煤这一关键难题，本文以国家能源集团宁夏煤业有限责任公司枣泉煤矿(以下简称枣泉煤矿)130203综放工作面为例，探索综放工作面自动化放煤工艺。 1 工作面概况130203综放工作面开采煤层为枣泉煤矿2号煤层，工作面位于13采区+929 m水平，是13采区第3个回采工作面。130203综放工作面走向可采长度为2 660 m，工作面倾斜长度为206.14～226.97 m。130203综放工作面采用走向长壁综采放顶煤方法开采，采用全部垮落法处理采空区。 1.1 煤层顶底板130203综放工作面老顶为粉砂岩、泥岩、细粒砂岩，平均厚度为8.3 m；直接顶为炭质泥岩，平均厚度为4.85 m，无伪顶；直接底为粉砂岩(砂质泥岩)、中粒砂岩、细粒砂岩，平均厚度为7.45 m。 1.2 主要设备配套130203综放工作面安装1台采煤机(型号：MG750/2040-WD)，120架液压支架，包括1架端头架(型号：ZFT27500/25/43D)、8架排头架(型号：ZFP13000/26/40D)、1架过渡架(型号：ZFG13000/25/43D)、110架基本架(型号：ZF13000/25/43D)，1套前部刮板输送机(型号：SGZ1000/2×1000)，1套后部刮板输送机(型号：SGZ1000/2×1200)，1套转载机(型号：SZZ1350/700)，2部运输巷带式输送机(型号：DSJ140/330/3×630)，1套设备列车。 2 自动化控制系统配置130203综放工作面自动化系统组成包括ZE07-04型电液控制系统、“三机”监测系统、采煤机控制系统、带式输送机监测系统、语音急停控制系统、泵站控制系统、供电系统、视频系统等子系统。 130203综放工作面采用郑州煤矿机械集团股份有限公司生产的ZE07-04型电液控制系统，该支架电液控制系统由支架控制器、电液主控阀组、隔爆兼本安型稳压电源、位移传感器、压力传感器、红外线发射和接收器、倾角传感器、隔离耦合器、中继器、各种电缆等元件组成，各部分通过电缆及其它电控辅助配套部件联接，传感器安装位置如图1所示。 
图1 四柱放顶煤液压支架单架传感器安装位置 3 液压支架自动放煤参数确定3.1 放煤工艺3.1.1 采放比的确定 基于液压支架智能控制装置，研究试验工作面不同放煤参数的时序自动化放煤逻辑关系，参照中国矿业大学为兴隆庄煤矿综放工作面(平均煤厚8.6 m)，不同采高时不同放煤步距的顶煤放出率和含矸率对比的相似试验结果可知，随着采高的增大，当采放比减小到一定程度时，顶煤放出率最高[9]。130203综放工作面开采煤层平均厚度为8.5 m，工作面选用ZF13000/25/43D型四柱双伸缩支撑掩护式放顶煤液压支架，其支撑高度为2.5～4.3 m，顶梁厚度为0.46 m，采煤机选用MG750/1920-WD型交流电牵引采煤机，滚筒直径为Φ2.5 m。参照研究数据与工作面设备配套，确定130203综放工作面割煤高度为3.6 m±0.1 m，放煤高度为4.9 m，工作面采放比约为1∶1.32。 3.1.2 放煤步距的确定 根据我国放煤工作面的实际统计，确定放煤步距时可借用的经验公式见式(1)： d=(0.15～0.21)×h (1) 式中：d——放煤步距，m； h——放煤高度，m。 通过式(1)计算可知，130203综放工作面放煤步距应为0.735～1.030 m。根据130203综放工作面“三机”配套的采煤机截深为0.865 m，确定130203综放工作面的放煤步距为0.865 m。 3.2 放煤方式[10-11]根据放煤的顺序、次数和放煤量的配合方式，可分为以下几种放煤方式： (1)多轮、分段、顺序、等量放煤。将130203综放工作面分 2～3 段，段内同时开启2个相邻放煤口，每次放 1/2～1/3 的顶煤，按顺序循环放煤，直到该段全部放完。可以多段同时或顺序放煤。 (2)多轮、间隔、顺序、等量放煤。先放 1号架、3号架、5号架、7号架、……，每次放 1/2～1/3 的顶煤，后放 2号架、4号架、6号架、8号架、……，每次放 1/2～1/3的顶煤，再反复进行2～3轮。可以多放煤口同时放煤。 (3)单轮、间隔、多口放煤。先放1号架、3号架、5号架、7号架、……，放顶煤“见矸关门”，滞后一定距离放 2号架、4号架、6号架、8号架、……。 经过现场反复试验，最终确定130203综放工作面采用采放平行作业，采用多轮、间隔、顺序、等量放煤方式。 3.2.1 采放平行作业 综放开采回采工艺明显有别于普通综采回采工艺，主要差别在于综放开采每个工作面均具有2个出煤点，一个是工作面支架前部出煤点，另一个是工作面支架后部出煤点。因此，在综放开采工艺设计时，应尽量使放煤与割煤平行作业，以实现回采工艺的合理布局。为了保证工作面运输系统运力平衡，即前部刮板输送机实际运力与后部刮板输送机实际运力之和接近或等于工作面运输巷的设计运力，回采工艺必须实现割煤与放煤协调进行。根据130203综放工作面设备配套、循环用时及循环产量可知，采煤机下行割煤时要严格控制下行速度，机头处工作人员及时反馈前部刮板输送机及转载机的煤量，2名放煤工根据反馈提示自130203综放工作面的112号支架向5号支架顺序进行一轮放煤作业，其中放煤作业滞后移架10架，第2名放煤工滞后第1名放煤工5架。 3.2.2 多轮次顺序放煤作业 除了采煤机下行时进行一轮放煤作业外，当采煤机上行清理浮煤时也安排2名放煤工对130203综放工作面的112号支架向5号架再进行一个循环放煤作业，并确保顶煤排放干净并做到“见矸关门”。采煤机在返机过程中，当班综采队副队长进行第三轮检查补充放煤。 3.2.3 返机反向逐架放煤 当倾斜煤层倾角增大时，放煤漏斗的母线发生偏移，煤层倾角越大，放煤漏斗的母线偏移越大，此时适合自下向上放煤作业。当采煤机上行清理浮煤时，2名放煤工按照单号和双号顺序对130203综放工作面的5号支架向112号支架逐架放煤，采煤机返机过程中，每台支架将剩余煤炭全部放出，放煤时间控制在0.5 min左右，直至本台支架放煤作业结束。 3.2.4 安排专人检查放煤工作 采煤机上行清理浮煤后，当班综采队副队长滞后放煤工20台支架对工作面放煤情况进行检查，并进行补充放煤，直至机尾排头支架为止，见矸停止放煤。 3.2.5 放煤具体操作要求 (1)采煤机下行割煤，滞后采煤机右滚筒2～3架开始顺序拉移支架。 (2)采煤机下行后，放煤与移架距离不少于10架。 (3)放煤过程中第1名放煤工从机尾112号架开始按照双号逐架放煤，待第1名放煤工放煤至106号架后，第2名放煤工开始在111号架开始按照单号逐架放煤，2名放煤工保持5架间隔放煤作业。 (4)采煤机返机过程中，放煤工滞后采煤机左滚筒5架开始放煤。 (5)采煤机下行过程中，每台支架放煤量控制在放煤总量的2/3，放煤时间控制在1.5 min以内(尾梁上下摆动6次)，采煤机返机过程中，每台支架放煤量控制在放煤总量的1/3，放煤时间控制在0.6 min以内(尾梁上下摆动2次)。尾梁摆动位置示意图如图2所示。 
图2 尾梁摆动位置示意图 4 自动放煤控制设计及实现逻辑模型4.1 自动放煤控制设计本文提出一种自动化综放工作面的放煤控制设计思路，该控制设计思路包含2个部分，一是自动化综放工作面放煤方法的下行放煤控制设计；二是自动化综放工作面放煤方法的上行放煤控制设计。上述2种设计中，液压支架可根据预设循环次数自动放煤。 4.1.1 下行放煤控制设计 自动化综放工作面放煤方法的下行放煤控制设计包含以下5个工艺段。 (1)控制采煤机上端头斜切进刀直至完全进入直线段后进刀完毕。 (2)控制采煤机以预设速度下行。 (3)当采煤机与液压支架间隔达到预设间距时，开启自动放煤作业，自动放煤作业以多架液压支架为一组整体编号。 (4)每组液压支架中偶数液压支架同时顺序进行放煤，偶数液压支架完成放煤作业后，奇数液压支架同时顺序进行放煤。 (5)偶数液压支架完成放煤作业，奇数液压支架支架完成放煤作业。 4.1.2 上行放煤控制设计 自动化综放工作面放煤方法的上行放煤控制设计包含以下5个工艺段。 (1)采煤机完成一刀正规作业循环准备返机清理浮煤。 (2)控制采煤机以预设速度上行。 (3)当采煤机与液压支架间隔达到预设间距时，开启自动放煤作业，自动放煤作业以多架液压支架为一组整体编号。 (4)每组液压支架中偶数液压支架同时顺序进行放煤，偶数液压支架完成放煤作业后，奇数液压支架同时顺序进行放煤。 (5)偶数液压支架完成放煤作业，奇数液压支架支架完成放煤作业。 4.2 自动放煤时间控制设计每台液压支架自动放煤包括以下5个过程。 (1)插板液压油缸电磁阀接收回收信号，控制所述插板液压油缸回收，持续动作2 s。 (2)尾梁液压油缸电磁阀接收回收信号，控制所述尾梁液压油缸回收，持续动作3 s。 (3)接收放煤信号，控制放煤动作，持续动作3 s。 (4)所述尾梁液压油缸电磁阀接收伸出信号，控制尾梁液压油缸伸出，持续动作4 s。 (5)所述插板液压油缸电磁阀接收伸出信号，控制插板千斤伸出，持续动作6 s。 4.3 自动放煤实现模型130203综放工作面共有120台支架，采用多轮次间隔顺序放煤方式。采煤机下行自动放煤实现模型如图3所示，采煤机上行自动放煤实现模型如图4所示。 
图3 采煤机下行自动放煤实现模型 
图4 采煤机上行自动放煤实现模型 4.3.1 采煤机下行自动放煤 采煤机下行自动放煤的步骤如下。 (1)采煤机上端头斜切进刀，当采煤机完全进入直线段后进刀完毕。 (2)控制采煤机以预设速度V=3 m/min下行。 (3)当液压支架完成移架后且与采煤机间隔达到预设间距D1=16架液压支架时(预设间距D1为10～16架液压支架)，开启自动放煤作业。 (4)图3中编号为27的液压支架与所示采煤机位置判断点对应的编号为10的液压支架之间间隔16架液压支架，自动放煤作业以一组液压支架为操作单元，每组液压支架包含5架液压支架，即图3中编号为27～31的液压支架。每组液压支架中偶数液压支架(编号为28、30)同时进行放煤。在偶数液压支架(编号为28、30)完成放煤作业后，奇数液压支架(编号为27、29、31)同时进行放煤。 (5)采煤机继续下行，编号为22的液压支架与所示采煤机位置判断点对应的编号为5的液压支架之间间隔16架液压支架，自动放煤作业以一组液压支架为操作单元，每组液压支架包含5架液压支架，图3中编号为22～26的液压支架，每组液压支架中偶数液压支架(编号为22、24、26)同时进行放煤，在偶数液压支架完成放煤作业后，奇数液压支架(编号为23、25)同时进行放煤。图3中液压支架的循环次数为2次，上述每个持续动作都循环2次。 4.3.2 采煤机上行自动放煤 采煤机上行自动放煤的步骤如下。 (1)采煤机完成一刀正规作业循环准备返机清理浮煤。 (2)控制采煤机以预设速度V=3 m/min上行； (3)当液压支架完成移架后且与采煤机间隔达到预设间距D1=16架液压支架时(预设间距D1为10～16架液压支架)，开启自动放煤作业。 (4)图4中，编号为47的液压支架与所示采煤机位置判断点对应的编号为64的液压支架之间间隔16架液压支架，自动放煤作业以一组液压支架为操作单元，每组液压支架包含5架液压支架，图4中编号为42～47的液压支架。每组液压支架中偶数液压支架(编号为44、46)同时进行放煤，在偶数液压支架完成放煤作业后，奇数液压支架(编号为43、45、47)同时进行放煤。 (5)采煤机继续上行，编号为52的液压支架与所示采煤机位置判断点对应的编号为69的液压支架之间间隔16架液压支架，自动放煤作业以一组液压支架为操作单元，每组液压支架包含5架液压支架，图4中编号为48～52的液压支架，每组液压支架中偶数液压支架(编号为48、50、52)同时进行放煤，在偶数液压支架完成放煤作业后，奇数液压支架(编号为49、51)同时进行放煤。图4中液压支架的循环次数为2次，上述每个持续动作都循环2次。 4.4 自动放煤程序执行自动放煤过程为人工或程序设定在特定条件下启动的过程，其基本过程为自动顺序执行，设计程序实现方式为控制器顺序通知执行方式。本文建立了与下行/返机自动化放煤工艺相匹配的“20工艺段”自动化放煤程序，通过系统“参数配置”[12]菜单进入自动放煤参数设置界面进行参数设置，工实现自动化放煤。自动放煤参数设置见表1。 表1 自动放煤参数设置 
序号参数名称参数意义备注1放煤开关自动放煤允许或禁止默认关2启动方式自动放煤手动启动还是自动启动默认 03启动区域在自动启动方式下,可自动启动的采煤机区域默认 04启动架号在自动启动方式下,可自动启动的采煤机架号默认 15起始架号自动放煤区域起始架号默认 16终止架号自动放煤区域结束架号默认 897放煤方向自动放煤启动方向,即从小号到大号,还是大号到小号,或者大小大及小大小默认小大8放煤分区自动放煤分的段数默认 19放煤次数自动放煤的轮数默认 310分区同时每段内支架同时放煤还是段间顺序放煤默认关11单次间隔架每一分区正在放煤的支架与本次这一区域后续要放煤的支架间隔的架数默认 012动作架数每一分区同时放煤的架数默认 113间隔开关是否间隔放煤,默认间隔放煤架数与动作架数相同默认关14放煤口数同时放煤口个数默认 115分区分控打开时,各分区可独立控制启停默认关16分区 1 起始分区 1 放煤起始架默认 017分区 2 起始分区 2 放煤起始架默认 018分区 3 起始分区 3 放煤起始架默认 019更新配置20启动放煤开启/停止放煤,分区分控时仅开启所属区域放煤 5 结论(1)进行了放煤工艺的优化，确定了采煤机下行割煤、上行清理底煤过程中自动化放煤工艺，工作面支架从上到下、从下到上依次可以实现分区独立控制，不同区域可根据综放工作面顶板完好特征采用不同放煤工艺，实现了动态和静态情况下支架控制范围的设置。 (2)建立了与下行/返机自动化放煤工艺相匹配的“20工艺段”自动化放煤程序，并通过ZE07-04型电液控制系统进行支架自动化顺序放煤、下行/返机放煤，实现了综放工作面放煤工序的自动化，减少了作业人数，降低了工人的劳动强度，同时也减少了放煤工作时间。 (3)进一步提高了工作面煤炭资源回收率，避免了因人员操作差异而造成的“过放”或“欠放”问题。 (4)提出了一种自动化综放工作面的放煤控制设计思路，该设计进一步提高了综放工作面的安全保障能力，实现了减人、增效、保安，为综放工作面的智能开采提供了经验借鉴。 [1] 王国法，刘峰，孟祥军，等. 煤矿智能化(初级阶段)研究与实践[J]. 煤炭科学技术，2019，47 (8):1-36. [2] 王国法，范京道，徐亚军，等. 煤炭智能化开采关键技术创新进展与展望[J]. 工矿自动化，2018，44(2):5-12. [3] 马英.综放工作面自动化放顶煤系统研究[J].煤炭科学技术，2013，41(11):22-24，94. [4] 宋庆军. 综放工作面放煤自动化技术的研究与应用[D].徐州：中国矿业大学，2015. [5] 吴亚军，王亚军，杨树新，等.特厚煤层综放工作面智能化开采研究与实践[J].中国煤炭，2020，46(11):49-57. [6] 鲍永生.特厚煤层综放工作面智能控制关键技术研究[J].煤炭科学技术，2020，48(7):55-61. [7] 于斌，徐刚，黄志增，等.特厚煤层智能化综放开采理论与关键技术架构[J].煤炭学报，2019，44(1):42-53. [8] 张守祥，张学亮，刘帅，等. 智能化放顶煤开采的精确放煤控制技术[J]. 煤炭学报，2020，45(6):2008-2020. [9] 王寅. 兴隆庄煤矿大采高综放工作面设备配套与工艺技术[J]. 中国煤炭， 2010，36(3):59-61. [10] 于斌.大采高综放割煤高度合理确定及放煤工艺研究[J]. 煤炭科学技术，2011，39(12):29-32，71. [11] 谌伦建. 合理放煤工艺及放煤步距的研究[J]. 中州煤炭，1992(1):10-13. [12] 李宇珂. 厚煤层综采放顶煤开采工艺参数设置分析[J]. 当代化工研究， 2020(9): 135-136. Analysis and research on automatic coal caving technology in intelligent fully mechanized top coal caving face
移动扫码阅读 MA Kun.Analysis and research on automatic coal caving technology in intelligent fully mechanized top coal caving face [J].China Coal，2021，47(8):34-40.doi:10.19880/j.cnki.ccm.2021.08.006 |