深部煤层智能化大采长综采工作面关键技术研究.pdf

第48卷第7期 2020年 7月 煤炭科学技术 Co a l Sc ienc e a nd Tec h no l o g y Vo l . 48 No . 7 Ju l y 2020 移动扫码阅读 张建国，朱同功,杨党委深部煤层智能化大采长综采工作面关键技术研究[J].煤炭科学技术,2020,487 62-72. d o i 10. 13199/j. c nk i. c st . 2020. 07. 005 ZHANG Jia ng u o, ZHU To ng g o ng, YANG Da ng w ei. St u d y o n k ey t ec h no l o g y f o r int el l ig ent f u l l y - mec h a nized mining f a c e w it h u l t r a l eng t h in d eep c o a l sea m [ J ]. Co a l Sc ienc e a nd Tec h no l o g y, 2020,48 7 62 - 72. d o i 10. 13199/ j. c nk i. c st . 2020. 07. 005 深部煤层智能化大采长综采工作面关键技术研究 张建国1,朱同功2,杨党委2 1.中国平煤神马能源化工集团有限责任公司，河南平顶山467000；2.中国平煤神马能源化工集团有限责任公司十矿，河南平顶山467000 摘 要针对平顶山矿区煤层埋深大，地质赋存条件复杂，采场围岩应力高，井下生产区域温度高的难 题，结合可视化远程干预控制、井下信息传输技术及液压支架电液控自适应控制技术，以智能化工作 面设备集成控制平台为基础，在平煤十矿构建了河南省首套大采长综采成套装备智能生产系统。建 立井下井下万兆工业环网和4G无线通信系统，优化升级矿井信息化平台及通信系统，支撑矿井智能 化安全生产高效运营管理;通过采煤机自适应记忆截割和远程集中控制等关键技术的应用，实现了采 煤机与支架的协调联动采煤及“可视远程干预遥控，无人化操作”的智能化生产模式；基于惯性导航 调直技术，形成“测量一计算一调直”的工作面智能化高精度调直方法，克服了生产设备高精度定位 和调直控制的瓶颈；并以智能泵站液压支架自动补液为例，分析工作面液压支架阻力频率分布规律， 表明智能化控制系统对煤层赋存条件具有可靠的适应性,确保了液压支架与顶板岩层之间良好的耦 合关系和工作面围岩的稳定性，能够满足安全高效生产的要求。 关键词深部煤层；智能开采;万兆工业环网；贯性导航调直系统;远程控制 中图分类号TD67 文献标志码A 文章编号0253 -2336 2020 07-0062-11 Study on key technology for intelligent fully-mechanized mining face with ultra length in deep coal seam ZHANG Jia ng u o1 ,ZHU To ng g o ng2, YANG Da ng w ei2 1.China Pingmei Sheruna Energy and Chemical Group Co. fLtd., Pingdingshan 467000, China； 2.N0.IO Coal Mine,China Pingmei Shenma Energy and Chemical Group Co.,Ltd.,Pingdingshan 467000, China Abstract In view o f t h e pr o bl ems o f l a r g e c o a l sea m bu r ia l d ept h, c o mpl ex g eo l o g ic a l o c c u r r enc e c o nd it io ns, h ig h st r ess o f su r r o u nd ing r o c k a nd t emper a t u r e o f u nd er g r o u nd pr o d u c t io n in Ping d ing sh a n Mining Ar ea , c o mbined w it h visu a l r emo t e int er vent io n c o nt r o l, u nd er g r o u nd inf bnna t io n t r a nsmissio n t ec h no l o g y a nd h yd r a u l ic su ppo r t el ec t r o - h yd r a u l ic c o nt r o l a d a pt ive c o nt r o l t ec h no l o g y, in Ping d ing sh a n No .10 c o a l mine, t h e f ir st set o f int el l ig ent mining syst em o f l a r g e mining l eng t h int eg r a t ed mining set w a s bu il t in Hena n Pr o vinc e w h ic h w a s ba sed o n t h e int eg r a t ed c o nt r o l pl a t f o r m o f int el l ig ent c h emic a l equ ipment . Und er g r o u nd 10 g ig a bit ind u st r ia l r ing net w o r k a nd 4G w ir el ess c o mmu nic a t io n syst em w er e est a bl ish ed, mine inf bnna t io n pl a t f o r m a nd c o mmu nic a t io n syst em, a nd su ppo r t mine int el l ig ent sa f e pr o d u c t io n a nd ef f ic ient o per a t io n ma na g ement w er e a l so o pt imized a nd u pg r a d ed . Th r o u g h t h e a ppl ic a t io n o f k ey t ec h no l o g ies su c h a s a - d a pt ive memo r y c u t t ing a nd r emo t e c ent r a l ized c o nt r o l o f sh ea r er, t h e int el l ig ent pr o d u c t io n mo d e o f c o o r d ina t ed l ink a g e mining o f sh ea r er a nd su ppo r t a nd M visu a l r emo t e int er vent io n a nd r emo t e c o nt r o l, u nma nned o per a t io n“ w a s r ea l ized . Ba sed o n t h e t ec h no l o g y o f iner t ia l na vig a t io n a l ig nment st r a ig h t ening t ec h no l o g y, t h e met h o d o f wmea su r ement -c a l c u l a t io n-a l ig nmentn w a s f o r med , w h ic h o ver c a me t h e bo t t l enec k o f h ig h -pr ec isio n po sit io ning a nd a l ig nment c o nt r o l o f pr o d u c t io n equ ipment ； t a k ing t h e h yd r a u l ic su ppo r t o f int el l ig ent pu mp st a t io n a s a n ex a mpl e, t h e a na l ysis o f t h e f r equ enc y d ist r ibu t io n r u l e o f t h e h yd r a u l ic su ppo r t r esist a nc e in t h e w o r k ing f a c e sh o w s t h a t t h e int el l ig ent c o nt r o l syst em h a s a r el ia bl e a d a pt a bil it y t o t h e c o a l sea m o c c u ir enc e c o nd it io ns, ensu r ing a g o o d c o u pl ing r el a t io nsh ip bet w een t h e h yd r a u l ic su ppo r t a nd t h e r o o f st r a t a a nd t h e st a bil it y o f t h e w o r k ing f a c e su r r o u nd ing r o c k, w h ic h c a n meet t h e r equ ir ement s o f sa f e a nd ef f ic ient pr o d u c t io n. 收稿日期2020-02-02;责任编辑杨正凯 作者简介张建国（1965）,男,河南滑县人，教授级高级工程师,现任中国平煤神马能源化工集团有限责任公司总工程师。E-ma il l a nsebing l ing 2016 163.c o m 62 张建国等深部煤层智能化大综采工作面关键技术研究2020年第7期 Key words d eep c o a l sea m; int el l ig ent mining; 10 Gig a bit ind u st r ia l r ing net w o r k; c o nsist ent na vig a t io n a nd st r a ig h t ening syst em; r emo t e c o nt r o l 0引 言 智能化和互联网技术的迅猛发展正在加快推 动煤炭企业由劳动密集型向技术密集型转变，目 前我国煤矿生产正处于向智能化开采转型时期， 智能化技术在矿山工程领域正在得到快速得到推 广和应用⑴。煤矿开采地质条件复杂，特别是中 东部矿区面临着冲击地压、煤与瓦斯突出等严重 威胁安全生产；同时，随着开采强度逐渐增大，煤 矿生产过程中存在的探测感知和信息传输不透 明、系统不关联及预测难、监控难、效率低、井下作 业人员多等问题成为制约资源的安全、高效开采 的瓶颈。 煤矿智能化开采系统具有的井下运行信息有效 关联、实时监测分析开采过程的动态规律、设备群远 程协调控制、对工况的自适应记忆感知及系统与开 采环境的较好耦合等优势成为解决以上难题的有效 途径和煤炭工业技术革命升级发展的必然选择⑵。 近年来我国专家学者和现场技术人员对采煤工作面 的智能化生产进行了许多有益的研究和探索。王国 法等⑶通过对综采智能化的概念和内涵分析，提出 了“透明开采”技术、支架-围岩智能耦合、少人和智 能辅助作业等破解当前智能化综采发展难题的有效 对策。康红普等⑷针对千米深井超长工作面开采 过程中覆岩分区破裂、矿压动态迁移的特点,提出开 发超长工作面多信息融合的液压支架自适应群组协 同控制技术与装备。文献［5-6］以陕西黄陵二号煤 矿智能化工作面为背景，探索了大采高条件下智能 化无人开采技术，并通过优化支架电液控系统的时 间属性,完成了电液控系统与工作面作业主要动作, 形成液压支架群的自组织协同控制方法，建立了大 采高液压支架智能化标准。范京道等⑺结合陕煤 集团黄陵矿业公司智能化无人开采成功实践经验, 研究了薄、中、厚智能化开采实践技术，并得出了科 技创新、信息化标准等煤矿智能化无人开采五大体 系。张科学等⑻针对智能化无人开采关键难题之 一的调斜控制问题,基于研究得到的综采工作面刮 板输送机发生上窜、下滑和不发生上窜或下滑的力 学条件，指出了工作面调斜控制技术中的单向割煤、 反向推移刮板输送机、加刀、减刀及加刀减刀联合控 制技术原理，提出了综采智能化工作面基于实时推 进度监测的调斜控制技术，并在现场工业性试验中 取得了较好的应用效果。申伟等⑼在分析自动割 煤的影响因素及难点的基础上，基于采煤机的记忆 割煤原理,对自动割煤系统的工作模式、流程进行设 计，完善远程控制系统、通信系统、保护系统等，并在 MG620/1660-WD等采煤机型上进行工程应用，取 得了较好的应用效果。 平顶山矿区煤层开采逐步向深部发展,开采条 件日趋严峻，平煤十矿作为平顶山矿区的主力矿井, 部分开采煤层埋深已经超过千米，高围岩应力、矿井 高地温环境、复杂的煤层赋存条件及作业人员劳动 强度大已经成为制约矿井安全高效生产的主要瓶 颈。同时，受到平煤十矿原有的信息传输系统传输 和处理能力的限制,不能满足对全矿井生产动态、安 全监管的实时跟踪和综合分析,而矿井工作面和采 区逐步缩减整合，单个工作面的圈定储量、工作面长 度、开采强度和设备数量都有明显的提高，因此，构 建智能化开采系统就成为提升开采效率、对复杂地 质条件的适应性及设备维护、安全管理水平,实现煤 矿转型发展的必由之路。笔者以河南省首个智能化 工作面平煤十矿己”,16-24130工作面为工程背景, 基于“自动化减人，智能化无人，少人则安,无人则 安”生产理念,对基于井下万兆工业环网的信息化 平台建设、智能化工作面生产系统及远程控制框架 等矿井智能化生产关键技术进行研究,为深部高应 力复杂开采条件下智能化生产系统的发展提供借鉴 与实践基础。 1智能化工作面概况 平煤十矿位于河南省平顶山市区东部,核定生 产能力为330万t /ao井田东西走向长约5 k m,南 北倾向宽约6.5 k m,面积32.5 k n,井田内主要开采 煤层自上而下分别为戊、己组2个煤组，井田划分为 东西两翼、3个生产水平。矿井主要开采煤层逐渐 由二水平下部向三水平过渡，埋深普遍在800 m以 深，属于大埋深开采煤层。己15,16-24130工作面位 于二水平己四采区东翼下段，主采煤层为己辽」6合层 煤层，平均厚度3.53.7 m,工作面可采走向长 870 m,倾向长307 m,平均倾角9。，采用“E”型通风 方式。 己15」6-24130智能化工作面直接顶为厚度8.0 13.0 m深灰色砂质泥岩含薄层细砂岩，基本顶为厚 度大于18 m厚层状细至中粒砂岩，直接底为厚度 63 2020年第7期媒農科学技术第48卷 l . 0-2.8 m砂质泥岩及薄层细砂岩,基本底为厚度 5.0-6.0 m灰色条带细砂岩。 31516-24130工作面作为平煤十矿主要接替 工作面，开采强度大，该工作面标高-663-728 m, 煤层埋深达千米以上，采场围岩处于高应力环 境下，顶板变形大，且工作面倾向长度达到300 m 以上，对采煤机、液压支架等开采设备的操作要求 较高，同时，该工作面矿井地温高,严重影响作业 人员的工作效率。按照原有的开采系统，由于受 到煤层赋存条件的制约该工作面不仅需要投入较 多的作业人员，存在较大的安全隐患，而且达不到 预期产量。针对以上问题，提出了在己冲6-24130 工作面构建深部大采长智能化综采工作面的技术 构想，如图1所示，实现工作面无人操作条件下采 煤设备自适应协调工作及远程监控、控制的智能 化生产模式，并在现场进行成功的实践，有效加强 对采场顶板稳定性控制,提高生产效率,大幅减少 工作面作业人员，消除生产过程中的安全隐患,为 类似条件下煤层的智能化安全高效生产具有较高 的指导和借鉴意义。 图1构建智能化生产系统技术框架 Tec h nic a l f r a mew o r k o f int el l ig ent mining syst emFig J 2信息网络化基础升级建设 2.1建立井下万兆10G工业环网 智能化无人开采系统具有开采作业区域、井下 集控中心和地面调度中心三级控制功能，结合井下 安设的大量数字化高清摄像仪，实现了对工作面生 产的实时感知和操控，数字通信传输量巨大;同时, 智能化工作面的顺利运行，集中控制平台不仅需要 与记忆割煤、液压支架高精度惯性导航调直、智能化 泵站等主要功能的监测和传感器信号之间实时交互 传输,而且必须实现对生产设备的集成联动控制,加 之井下复杂环境对信号源的干扰能力强，对井下网 络带宽提出了较高的要求。平煤十矿原有的千兆光 口的光纤环网仅涵盖矿井运输提升、电力辅助、安全 监测功能,数据信息传输能力差，容易出现信号不同 步、数字画面图像不流畅等现象，且网络智能形成信 息的孤岛，不能实现采集数据信息的共享，无法满足 智能化生产的需要和信息化网络传输，因此建立井 下万兆以太环网成为解决以上难题的必然选择［⑹O 为了实现平煤十矿智能化生产系统的高度集成 和信息的高度共享，对整个矿井进行信息化传输平 台建设。设计的网络为10 G以太主干环网，由井 下、井上工业以太千兆环网共同构成信息传输平台， 64 工业环网按区域、节点数量、规模划分为2个环网 地面环网、井下环网,环网之间相对独立。通过光纤 环网交换机配套的Ind u st r ia l HiVisio n网络管理软 件，实现对整个通信网络更加全面的管理，在网管工 作站上使用浏览器,通过光纤环网交换机的管理IP 地址即可在图形化界面上实现对交换机管理、配置 和状态的观测。地面光纤环网覆盖中心机房、变电 所、绞车房、调度指挥中心及数据中心，井下设置 KJJ12 A万兆矿用本安交换机，每台交换机各配置 1台井下专用矿用隔爆型电源箱KDW99-660/ 220B,提高了电源监控的灵活性和稳定性,能够随 意组合和扩展，保证应用系统数据的不间断性及完 整性;并通过在核心交换机划分VLAN保证了工业 以太网内部数据传输不会出现广播风暴,导致数据 的丢失或阻塞，使煤矿的综合自动化监控网络系统 稳定、可靠、连续运行。此外,网络在主干线路上及 主要设备点都进行了冗余设计，井上、下环网允许有 一段线路出现故障，核心交换机允许有一台交换机 出现意外情况而不影响网络运行。 通过以上信息化升级在整个矿井搭建一个统一 的网络平台，使各类信息化应用系统之间是无缝衔 接,数据统一存储和共享，支撑矿井智能化安全生产 高效运营管理。 张建国等深部煤层智能化大综采工作面关键技术研究2020年第7期 2.2建成井下无线4G通信系统 基于无线通信技术具有的跨越性、布置简单及 信号抗干扰能力强等优势［⑴。 统无线通信工作区域内的语音、视频、短信、彩信等 多种业务，通过网关，具备与公网（固定电话、程控 电话、移动电话）间的互联互通的功能，如图2 分站 井下 一.分站 勿 卄艦A Z啊 汇4 A ■分站 （■基站 勿 勿 分站分站.分站.分站 d ■丢并实现智能化工作 面采煤机、液压支架、乳化液泵等重要设备状况监测 传感器数据、自动控制数据（信令）和设备故障点视 频的无线传输;在井下发生突发状况断网时能及时 与各部位人员与后方,包括调度指挥中心的语音通 信联络，从而能够即刻掌握险情、指挥有效自救等。 3智能化工作面实现功能 3.1智能化工作面设备集成控制系统 W智能4ET作面系统的最终目的就是破层开 采过程中採场布置的采煤机、液压支架和刮板输送机 等关联生产设备之间能根据煤层赋存条件实现自主耦 合协同运转，因此,必须构建工作面的集中控制系统, 有效解决生产设备之间的交互、协调问题。己中6 - 24130工作面基于智能化頂控制舷配钿上矗E 舞电液控自固雖制系统、可视化远程干预控制、采 煤机截割路径自动规划和自主全面感知监控和井下万 兆环网等关键技术，建立了由开采作业区域、井下集控 中心和地面调度中心构成的三级控制框架，形成了以 工作面数据上传云端控制、远程监控集中控制、电液控 系统及红外感知功能为核心的成套智能化开采控制系 统，如图3所示,采煤生产队伍由过去160人减少至 59人,工作面由原来的每班2名采煤机司机、8名支 架工,2名补架工减少至1名巡视人员和1名控制 台操作人员,作业区域无人，实现了常态化的“有人 巡视、无人操作”智能化开采模式。 3.2采煤机与支架协调联动采煤 采煤机和液压支架作为采煤工作面的主要设 备，其工作效率对于实现快速、安全割煤至关重要, 而采煤机工况及与液压支架之间的相互配合必须依 据生产、地质条件实时调整，因此，实现无人开采不 仅需要采煤机自主适应开采条件完成割煤作业，而 且需要液压支架在集中控制系统协调下配合采煤机 自主完成跟机移架。己氓16-24130智能化工作面采 用178架ZY10000/23/45D掩护式液压支架、 ZT23800/20/35 端头液压支架及 MG500/1340-WD 大功率交流电牵引采煤机。如图4所示，通过人工 操作采煤机完成一整刀,采煤机根据示范截割刀所 记录的工况、姿态及滚筒高度等参数通过集控中心 的分析、校正形成记忆轨迹模板，随即进入自适应记 忆割煤模式，依据记忆轨迹和工艺段信息进行自动 截割，并不断修正误差,进行采煤机自动调高、挖底 和调速等动作，实现工作面智能化连续记忆割煤。 与此同时，如图5所示,安装在每个液压支架的红外 65 2020年第7期媒農科学技术第48卷 线接收和采煤机的红外线发射装置构成位置检测装 置，随着采煤机的往复运行,并不断发射红外线信 号,液压支架的红外接收装置将受到的红外信号转 化为模拟信号传输至集控中心分析，反馈到支架控 制模块，自动控制跟机、移架、推移刮板输送机、护 帮、喷雾降尘等动作。 刮板输送加 带式输送机 集控操作台采跚程 光纤环网 图3己第,16-24130工作面成套智能化开采系统 Fig .3 Co mpl et e set o f int el l ig ent mining syst em f o r No .Fs 16-24130 w o r k ing f a c e --上滚筒参考轨迹 图4自适应记忆割煤示意 Fig .4 Sc h ema t ic o f a d a pt ive memo r y c o a l c u t t ing 采煤机运行方向 采煤机当前位置、、＜ I 端头斜切标识架 移架距离 j 推移距离 推移范围（10台支架） 图5自动跟机移架功能 Fig .5 Au t o ma t ic f o l l o w ing a nd mo ving f u nc t io n 采煤全过程采用液压支架自动跟机移架及自适 应的记忆截割为主,人工干预为辅，只需跟机巡视人 66 张建国等深部煤层智能化大综采工作面关键技术研究2020年第7期 员进行对特殊工况进行远程适当干预，解放过去割 煤全程操作的支架工和采煤机司机，相比过去工作 面每天割煤增加2〜3刀，回采工效也由过去的500- 600 t /工提高到1 000 t /工以上，提高了工作效率，减 轻工作强度。 3.3智能工作面供液系统 支架与围岩系统中直接顶刚度与支架刚度相 对大小不同，决定了支架可处在不同的工作状态 下工作，从而使支架有不同的承载状态。合理的 支架支护强度可以降低顶板下沉量与下沉速度, 减轻顶板动载冲击对支架的影响，因而，支架自身 稳定性及对围岩失稳的适应性是支架-围岩系统 稳定性耦合的关键心⑶。己和6-24130工作面开 采煤层深度达到千米以上，采扮处于高应力环境， 矿压显现和动力响应剧烈,顶板控制困难，因此液 压支架系统对工作面区域围岩的稳定性控制提出 了更高的要求。 针对以上问题，B1516-24130智能化工作面根 据液压支架一级护帮板上安装的行程传感器和压力 传感器反馈信息，实现三级联动护帮智能控制和平 衡千斤顶自动调节、初撑力自动补偿等顶板耦合控 制,大幅提升系统对地质条件的适应性,完成对顶板 和煤壁支撑压力的智能控制，有效提高了对工作面 顶板和煤壁片帮的管理水平。液压支架电液控系统 将支撑压力参数通过万兆工业环网及时向集控中心 和智能化泵站反馈，并对低于设定压力值的液压支 架自动补压，有效避免补压滞后问题。智能化供液 系统工作模式如图6所示，所采用的乳化液泵站为 GYZ4型,液压支架压力目标值P2 28 MPa,补压下 限分别为P0 12 MPa、P】 25 MPa ,前3次补压延时 分别为几二5 s、7\ 60 s、笃 180 s ,补压次数设定 为5次，支架在正常支撑的情况下，当顶板松动等原 因导致立柱下腔压力低于设定值时，电控系统自动 发送升柱指令将立柱压力补充至初撑力，保证工作 面变流量恒压供液，自动应对差异地质条件,彻底解 放支架工。 补压时间 补压成功 \ 1 / 1 1 \ 1 / I 1 二次补压 （延时話） \ 彳时间虬未达到瑚定值 三次补压 1 1 1 rtri 1 1 ■ ___i 闭锁、 按钮 急停 本架电制 急停闭锁 BBinnHH tUttsssV Iua并基于万兆工业环网建立了矿 井4G无线宽带集群通信系统，形成多媒体集群调 度，实现智能化工作面生产设备状况监测数据的无 线传输,及视频、语音通信联络,从而有效解决原有 千兆环网数据信息传输能力差，容易出现信号不同 步、数字画面图像不流畅、采集数据信息无法共享等 难题，满足了智能化生产的需要和信息化网络传输, 支撑矿井智能化安全生产高效运营管理。 3 根据深部煤层采场围岩压力大，顶板压力显 现剧烈的特点，基于液压支架与顶板之间相互耦合 关系对工作面围岩稳定性的决定性影响，己口6- 24130工作面建立了基于根据液压支架实时监测反 馈数据对液压支架多级自动补液的工作模式，保证 工作面变流量恒压供液，自动应对差异地质条件，彻 底解放支架工。通过分析液压支架立柱压缩规律可 知己即6 -24130工作面液压支架支护位态稳定，没 有出现殳架的结构性破坏,液压支架处于额定工作 状态比例比平煤十矿原有类似条件下所占比例提高 了 3040,确保了在深部高应力环境下液压支 架与顶板岩层之间良好的耦合关系和工作面围岩的 稳定性，对工作面回采期间的顶板和煤壁片帮管理 起到了良好的控制作用。 4 己口6一24130工作面通过集成智能化控制系 统，构建了以井下远程集中干预控制、采煤机记忆截 割、液压支架自动跟机移架及长距离视频跟踪定位 等关键技术为核心的综采成套装备智能生产系统, 实现了千米埋深采煤工作面自行感知、决策及生产 设备自动协调联动等智能化开采模式；同时，在 己即6-24130智能化工作面采用“测量一计算一调 直”扁高精度惯性导航调宜模式,克服了大采长生 产设备定位精度和调直控制的瓶颈,达到代替人工 方式完成工作面设备高精度调直。相比平煤十矿以 往类似的开采系统，采煤生产队伍由160人减少至 59人，工作面操作人员由12人减少至2人,作业区 域无人，液压支架调直误差平均降低40以上，每 天多割煤23刀，产量也由3 000 -4 000 t /d增加 至8 000 t /d以上，为深部高大采长煤层开采向智能 化、信息化方向的发展具有重要的指导意义。 参考文献References [1] 李首滨.煤炭智能化无人开采的现状与展望[J]中国煤炭， 2019, 454-7-14. 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