美国煤炭地下开采与自动化技术进展.pdf

第4 6 卷第1 期 2 0 2 1 年1 月 煤炭学报 J O U R N A LO FC H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 ．4 6N o ．1 J a n ． 2 0 2 l j 纂鬟i 囊i i i i i ；豢- i i 攀鬻j 慧；i j - 囊i ；囊囊i 囊 鏊囊瀵瀵霪瀵i 糕霪羹 美国煤炭地下开采与自动化技术进展 王家臣1 ”，P E N GS y dS 3 ，李杨1 2 1 ．中国矿业大学 北京 能源与矿业学院，北京1 0 0 0 8 3 ；2 ．放顶煤开采煤炭行业工程研究中心，北京1 0 0 0 8 3 ；3 ．西弗吉尼亚大学，美国摩根 郡2 6 5 0 5 摘要美国煤炭的地下开采分为长壁式和房柱式2 种技术。地质条件较好、井田范围大的矿井， 一般以长壁开采为主，否则以房柱开采为主。1 9 9 4 2 0 1 7 年，美国井工矿数量减少了7 9 ％ 2 0 1 7 年为2 3 7 座 。但是单个矿井产量增加了2 3 0 ％，煤炭生产更加集中、高效。美国长壁开采以中厚 煤层为主，采高一般为1 ．6 2 ．5m 最大开采高度4 ．2m ，最小开采高度1 ．2m 。长壁工作面均采 用多巷布置、矩形断面巷道、锚杆支护。近年来，工作面尺寸、设备功率、设备尺寸逐渐增大，生产系 统更加可靠。长壁工作面的自动化开采源于1 9 8 4 年的电动控制液压支架的研发与使用，此后开发 了支架、采煤机、刮板输送机的单机自动化以及追机移架技术。2 0 0 0 年以后开发了半自动化工作 面技术和采煤机远程控制技术。目前应用的主要是半自动化工作面技术，只有2 个工作面应用了 采煤机远程控制技术。这些技术解决了条件简单工作面的自动化开采问题，但遇到复杂地质条件 时，仍需要人工干预。研发自动化开采的关键传感器和设备以适应地质条件变化、完善端部进刀系 统，聚焦作业安全和粉尘与噪音防控，以及矿用大数据、高速通信与可视化技术是目前美国的重要 研发方向。在近1 0a 来，房柱开采的工艺变化不大，但是开采装备的多样化和开采系统的自动化、 信息化、智能化的相关技术开发取得了重要进展。 关键词煤炭地下开采；自动化开采；长壁开采；房柱开采；智能开采 中图分类号T D 8 2 3文献标志码A 文章编号0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 2 1 0 卜0 0 3 6 1 0 S t a t e - o f - t h e a r ti nu n d e r g r o u n dc o a lm i I l i n ga n da u t o m a t i o nt e c h n o l o g y i nt h eU I I i t e dS t a t e s W A N GJ i a c h e n l ”，P E N GS y dS 3 ，L IY a n 9 1 ’2 1 ． 幻o f ∥E 聊r g ，Ⅱ蒯肘施增E 昭i ，聊一增，踟i 舾“n 眈m 渺∥肘i n i 昭n 删 每c 加魄 ， B e 玎i 昭 ，B 8 v 。凡gl O 【 【 8 3 ，c h I 加；2 ．7 印- c 0 酬‰踟唔朋㈨增尺e 。 “ o 砌＆m Ⅳ旷劬i n om d ∞打y ，＆彬增l 0 0 0 8 3 ，饥i M ；3 ．％n Ⅵr g i n 谊如眈m i ￡y ， 如r g ∽￡Ⅲn ，w2 6 5 0 5 ，心 A b s t r a c t U n d e 唱r o u n dc o a lm i n i n gi nt h eU S Ae m p l o y st w om e t h o d s l o n g w a Um i n i n ga n dm o m p i l l a rm i n i n g ． M i n e sw i t hs u i t a b l e g e o l o g i c a lc o n d i t i o na n ds u m c i e n tr e s e r v e sg e n e r a l l yu s el o n g w a Um i n i n g ，o t h e r w i s e ，m o m p i l l a r m i n i n gi su s e d ．B e t w e e n19 9 4a n d2 0 17 ，t h en u m b e ro fu n d e r g m u n dc o a lm i n e si nt h eU S Af e l lb y7 9 ％，t o2 3 7i n 2 0 1 7 ．B u tt h eo u t p u tf 而mi n d i v i d u a lm i n e sh a sr i s e nb y2 3 0 ％，a n dc o a lp m d u c t i o ni sm o r ec o n c e n t r a t e da n de m c i e n t ．L o n g w a Um i n i n gi nt h eU S Ai sm a i n l yp r a c t i c e di nm e d i u m - t h i c ks e a m s ，a n dt h em i n i n gh e 培h ti sg e n e r a l l y 1 ．6 2 ．5m m a X i m u mh e 培h ti s4 ．2ma n dm i n i m u mh e 培h ti s1 ．2m ．M u l t i e n t r yd e v e l 叩m e n t ，r e c t a n g u l a rc r o s s 一 收稿日期2 0 2 0 一】O 1 8修回日期2 0 2 0 一】2 2 5责任编辑常琛D o I 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c nk j j c c s ．2 0 2 0 ．1 6 4 1 基金项目国家重点研发计划资助项目 2 0 1 7 Y F C 0 6 0 3 0 0 2 0 4 ；国家自然科学基金重点资助项目 5 1 9 3 4 0 0 8 ；国家自 然科学基金面上资助项目 5 2 0 7 4 2 9 3 作者简介王家臣 1 9 6 3 一 ，男，黑龙江方正人，教授，博士生导师。E m a i l w a n 商i a c h e n v i ps i n a | c o m 引用格式王家臣，P E N Gs y ds ，李杨．美国煤炭地下开采与自动化技术进展[ J ] ．煤炭学报，2 0 2 l ，4 6 1 3 6 4 5 ． W A N GJ i a c h e n ，S y dS ．P e n g ，L IY a n g ．S t a t e - o f ．t h e a r ti nu n d e r g m u n dc o a lm i n i n ga n da u t o m a t i o nt e c h n o l o g yi n t h eu n i t e dS t a t e s [ J ] ．J o u m a lo fc h i n aC o a lS o c i e t y ，2 0 2 1 ，4 6 1 3 6 4 5 ． 移动阅读 万方数据 第1 期 王家臣等美国煤炭地下开采与自动化技术进展 3 7 s e c t i o nr o a d w a ya n dr o o fb o l t i n ga r ea l la d o p t e df b rp a n e ld e v e l o p m e n ta n dr o a d w a yc o n f i g u r a t i o na n ds u p p o r t ．I nr e c e n ty e a r s ，p a n e ld i m e n s i o n s ，e q u i p m e n tp o w e ra n ds i z ec o n t i n u et oi n c r e a s e ，p r o d u c t i o ns y s t e mh a V eb e c o m em o r er e - l i a b l e ．A u t o m a t i co fl o n g w a Um i n i n gb e g a nw i t ht h ed e v e l o p m e n to fs h i e l dw i t he l e c t r 0 一h y d r a u l i cc o n t r o lt e c h n i q u ei n 19 8 4 ．S i n c et h e n ，t h et e c h n o l o g yo fs i n g l em a c h i n ea u t o m a t i o no fs h i e l d ，s h e a I ℃r ，A F Ca n dS I S As y s t e mh a sb e e nd e - V e l o p e d ．A f t e r2 0 0 0 ，t h et e c h n o l o g yo fs e m i - a u t o m a t i cp a n e la n dr e m o t ec o n t r o lt e c h n o l o g yo fs h e a r e rw e r ed e V e l o p e d ． A tp r e s e n t ，t h em a i n 印p l i c a t i o ni ss e m i a u t o m a t e dl o n g w a Uf a c e ，o n l y2w o r k i n gf a c e sh a v ea p p l i e dt h er e m o t ec o n t r o l t e c h n o l o g yo fs h e a r e r ．T h e s et e c h n o l o g i e sh a V es o l v e dt h ep I ．o b l e mo fa u t o m a t e dm i n i n gi np a n e l sw i t hg o o dc o n d i t i o n s ， b u ti ts t i l ln e e d sm a n u a li n t e r v e n t i o ni nc o m p l e xg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ．R e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fk e ys e n s o r sa n d e q u i p m e n tf o ra u t o m a t i cm i n i n gt oa d a p tt ot h ec h a n g eo fg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ，t h ei m p r o v e m e n to ff a c e - e n do p e m t i o n ， o p e r a t i o ns a f e t y ，t h ec o n t r o lo fd u s ta n dn o i s e ，b i gd a t aa n a l y s i s ，f a s t e rc o m m u n i c a t i o n sa n dV i s u a l i z a t i o nt e c h n o l o 西e s a r ec u r r e n t l yt h ek e yf i e l d s o fr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ti n 山eU S A ．I nr e c e n tt e ny e a r s ，t h ep m c e s so fr o o m p i l l a r m i n i n gt e c h n o l o g yh a sn o tc h a n g e dm u c h ．H o w e v e r ，s i g n i 6 c a n tp r o g r e s sh a sb e e nm a d ei nt h ed e V e l o p m e n to fr e l a t e d t e c h n o l o g i e ss u c ha sa u t o m a t i o n ，i n f o 瑚a t i z a t i o na n di n t e l l i g e n t i z a t i o no fm i n i n gs y s t e m ． K e yw o r d s u n d e r 铲o u n dc o a lm i n i n g ；a u t o m a t i cm i n i n g ；l o n g w a l lm i n i n g ；r o o ma n dp i l l a rm i n i n g ；i n t e l l 培e n tm i n i n g 中国2 0 1 9 年煤炭产量3 8 ．4 6 亿t ，占世界煤炭产 量的4 7 ．3 ％，其中地下开采比例高达8 5 ％，是世界上 煤炭产量和地下开采占比最高的国家。尽管2 0 1 9 年 印度的煤炭产量达到7 ．5 6 亿t ，仅次于美国的1 0 ．5 1 亿t ，处于世界第3 位，但是印度只有5 ％的煤炭来自 地下开采1 。德国也在2 0 1 8 年关闭了最后一个地下 煤矿旧j ，目前只有几个露天煤矿在生产。美国是世 界上除中国以外地下采煤产量最多的国家，也是地下 采煤技术总体上先进的国家。因此借鉴美国的先进 采煤技术经验，对进一步推动中国地下采煤技术发展 十分重要‘3 ，5 | 。 美国的煤矿数量和产量在近2 0a 大幅度减少。 煤矿数量从1 9 9 4 年的23 5 4 座 露天矿12 1 1 座，地 下矿11 4 3 座 减少到2 0 1 7 年的6 8 0 座 露天矿4 3 4 座，地下矿2 3 7 座，包括不需要提供产量数据的年产 2 ．2 3 万t 以下的煤矿 ，煤炭产量从1 9 9 4 年的1 5 ．3 7 亿t 减少到2 0 1 9 年的1 0 ．5 1 亿t 。美国地下煤矿数 量从1 9 9 4 年到2 0 1 7 年减少了7 9 ％，地下煤矿产量减 少了3 2 ％。关闭的地下煤矿主要是以生产成本高于 市场价格的烟煤和较薄煤层、开采效益差的煤矿为 主∞J 。目前美国地下采煤产量占比为3 8 ％ 2 0 1 9 年 为3 ．9 7 亿t ，其中长壁开采占5 5 ％，房柱开采占 4 5 ％。近些年来，尽管美国的地下煤矿数量和产量有 所减少，但是地下开采技术一直处于持续进步中，比 如工作面尺寸持续增大，设备更加大型化、更加可靠， 单体设备和生产系统的自动化程度更高，持续改善井 下作业环境等。 1 长壁开采技术 美国的长壁开采概念可以追溯到1 9 世纪匹兹堡 煤层开采的宽工作面，但是真正的长壁综采源于2 0 世纪5 0 年代初引进了西德的刨煤机和节式支架，当 时主要用于西弗吉尼亚南部几个煤矿的薄煤层开采。 在2 0 世纪7 0 年代中期，美国引进了德国的掩护支 架，在西弗吉尼亚北部煤矿进行应用，显著提高了工 作面产量和开采的安全J l 生，从此长壁开采技术得到稳 定发展，1 9 8 2 年长壁工作面达到历史上最多的1 1 8 个。1 9 9 0 年以后，长壁工作面数量持续减少，目前稳 定在4 0 个左右“ J ，由于效率和技术的进步以及良好 的管理，目前的4 0 个长壁工作面比2 0 世纪8 0 年代 1 18 个长壁工作面产量还要高。 美国大部分长壁开采的矿井都是一井一面，矿井 产量在3 0 0 ～7 0 0 万∥a ，也有几个矿井通常开采2 个 长壁工作面，个别矿井为了维持产量偶尔会有3 个长 壁工作面同时生产的情况。美国的地下开采工效是 世界上地下开采最高的国家，长壁开采的效率 2 0 1 7 年，5 ．4 ∥工时，折合1 ．2 万∥ 人a 是连续采煤 机房柱法开采的2 倍左右叫2 | 。 1 ．1 工作面布置情况 美国的长壁工作面采用多巷布置，工作面一侧多 为3 巷，个别有2 巷和4 巷的。工作面一侧的整个煤 柱宽度在4 0 ～1 3 5m ，具体宽度取决于巷道数量与开 采深度。工作面从开切眼处后退式回采，至终采线 时，留下的大巷保护煤柱宽度为6 1 ～1 5 2m ，大部分 在6 1 ～9 0m 。 近4 0a 来，美国长壁工作面的尺寸越来越大，往 往要满足1a 的回采期。工作面长度在1 5 2 ～4 8 2m ， 大部分工作面长度大于3 6 6m 。工作面推进长度在 9 7 6 ～68 6 0m ，而一半以上的工作面推进长度在 24 3 9 42 6 8m ，并且工作面尺寸还有继续增大趋 万方数据 煤炭学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 势。图l ，2 为2 0 1 9 年美国工作面的长度和推进长度 分布。 图I2 0 1 9 年美国长蹙J 作断的长度分和 F 培l I ’a 叫w i 1 t 1 1 h s t “1 L l 【i ‘l nt ，f l m g w a l lm i l l i l l gi n U ．S ．i 1 12 0 1 9 O2 46 8 1 0 长壁开采l 作面数量／个 图22 0 1 9 年美国长壁工作面的推进长度分布 F 唔2 P a n e ll e n g t h 1 i s t r i b u t i 0 1 1 f l o n g w a l ln l i l l i l l gi n U ．S ．i 1 12 0 1 9 1 ．2 工作面开采设备 2 0 1 8 年，美国最后一个刨煤机工作面停采，此后 所有长壁工作面均采用采煤机割煤。采煤机平均总 功率从1 9 7 6 年的2 6 1k w 增加到了2 0 1 9 年 的l4 1 3k W 。2 0 1 9 年的采煤机最大功率是 20 9 3k w ，其中大部分采煤机功率都在10 0 0k w 以 上。采煤机割煤速度可以达到4 5 ．7n t ／m i n [ ，一次割 煤进刀量为0 ．7 6 ～1 ．0 7m ，其中7 0 ％以上的进刀量 为1 ．0 7n ，。为了满足大尺寸工作面和大型设备的需 求，2 0 1 9 年除了4 个工作面使用23 0 0V 供电外，其 余工作面都使用41 6 0V 电压供电。 由于两柱式支架具有端面支护能力强和易于维 护的优点，自1 9 9 1 年以来，长壁工作面均采用两柱式 支架。支架平均额定阻力从1 9 7 6 年的49 0 0k N 增 加到2 0 1 9 年的1 05 0 0k N ，而支架最大额定阻力 为1 32 8 0k N ，如图3 所示。除个别老的工作面仍然 采用1 ．5n ，宽的支架外，其余工作面均采用1 ．7 5n ， 或者2z n 宽的支架。所有支架都安装了电液控制系 统和采煤机启动系统，支架的移架循环时间已经减少 6 ～8s ． 是罄赛材葛磊器昌裂基累誊昌g 若吕答呈￡_ 要竺 旦曼旦旦2 旦竺竺22 旦旦高曷曷曷曷昌高曷昌昌 年份 图3J 9 7 6 年以来支架额定阻I 力变化情况 F i g ．3S u p I 】0 1 1 t i n g ’a p a c i l y fs h i P I 1 吼l I p t 1 1o fl 儿1 9 w a n l i l l i l l gi n U ．S ．s i l l 【_ e1 9 7 6 工作面刮板输送机采用双中链布置，链条直径从 1 9 7 6 年的18 ～3 01 1 1 I n 增力口至02 0 1 9 年的3 4 ～5 21 1 1 1 1 1 刮板输送机的平均功率从1 9 7 6 年的1 5 5k w 增加到 了2 0 1 9 年的31 8 8k w ，其中最大功率为49 2 5k w ， 最小功率为10 4 5k w 。刮板输送机的槽宽也逐步增 加，2 0 1 9 年的槽宽为8 6 4 ～l3 4 6m 1 1 ，其中大部分[ 作面都采用10 0 0m n 槽宽。 刮板输送机的链速也在增加，从1 9 7 6 年的 1 ．0 7 ～1 ．5 8I n ／s 增力[ 1 至02 0 1 9 句二的1 ．1 7 ～2 ．2 91 1 1 ／s ， 其中一半以上的链速都大于1 ．9 4n ∥s 。刮板输送机 的设计能力在1 9 7 6 年时为4 0 0 ～6 0 0t ／1 1 ，2 0 1 9 年时 为70 0 0t ／h 。 刮板输送机在工作面端部与进风巷的转载机采 用T 字链接。转载机的槽宽在l0 0 0 ～16 0 0n m ，，平 均12 8 0n 1 1 1 1 。转载机的链速在9 5 ～1 6 8m ／m i l l ，平均 1 4 0n ∥m i ，。为了破碎大块煤岩，近年来破碎机的功 率有所增加。 1 ．3美国长壁开采特点及发展趋势 1 美国长壁工作面适用的煤田比较集中。2 ／3 以上的长壁工作面位于北阿巴拉契亚煤田，其余的长 壁工作面位于阿拉巴马、伊利诺伊和犹他州。 2 地质条件简单。煤层平缓、厚度均匀和埋藏 浅，大部分煤层的埋藏深度在6 4 0r n 以内，且顶板易 于垮落。实际开采深度在6 l ～9 1 5n 、，大部分开采深 度为1 0 l ～4 0 0m ，近些年来开采深度没有什么变化。j 3 工作面尺寸逐步增大。工作面平均长度从 1 9 7 6 年的1 4 0m 增加到2 叭9 年的3 6 0m 。近年来， 在没有地质构造或其它条件限制时，尽可能布置大尺 寸工作面。历史上 ．工作面长度曾经在2 0 1 3 2 0 1 5 年 问达到5 0 3n 1 ，但是2 0 1 9 年的最大长度为4 8 2 Ⅲ。’【 作面平均推进长度从1 9 7 6 年的11 2 8m 增加到2 0 1 9 年的36 5 9n 1 ，2 0 1 9 年最大的推进长度为68 6 0m 。 4 以开采中厚煤层为主。所有长壁面都开采 R { ∞m R 0 H D ￡R舭喜|；。岬邮㈣ 0 Ⅺ∞K R O O R f趴●～ 溜8 0 叭q 叫”如 姒一i _ 烹黼 ㈣㈣㈣㈣㈣㈣㈣㈣㈣㈣““K“KⅡ孔 勰童薹舞裂一 ＼回蜒到出一暑专一 万方数据 第l 期王家臣等美国煤炭地下开采与自动化技术进展 3 9 水平或近水平煤层，采用单一分层或一次开采煤层全 厚。一般情况下，煤层的厚度就是开采高度。大多数 工作面的采高为l5 2 4 24 3 8m m ，2 0 1 9 年的实际最 小采高为l6 7 4m m 。 5 采用先进的采矿设计和布置。所有长壁工 作面都采用多巷布置，有2 4 条进风巷 大多数为3 条 。巷道形状为矩形，由连续采煤机掘进，锚杆支 护。工作面之间的煤柱不再回采。 6 设备先进可靠。所有设备都是重型和高可 靠性的，个别子系统的可靠性大于9 0 ％，甚至接近 1 0 0 ％，与行业／制造商建立了密切合作的服务制度。 7 工作面安装技术先进。对于一个3 6 6m 长 的工作面搬家只需要5 ～7d 注采煤机、刮板机和 转载机已经预安装在新工作面的情况下 。整个工 作面搬家一般需要2 周时间。 8 设备冗余，投资大，用人少。为了保证生产 接续和高效生产，一般矿井除了支架以外，均会投资 一套完整设备和一套没有整装的设备，“一采一备”。 一套完整的设备 液压支架、采煤机、刮板输送机、转 载机 用于生产，另一套没有整装的设备 采煤机、刮 板输送机、转载机 预先安装在下一个工作面。一个 长壁开采的矿井，包括地面选矿厂的职工人数在 3 5 0 6 0 0 。 9 大型化、重型化、自动化是美国长壁工作面 发展的基本方向。工作尺寸连续增加，开采设备的重 量、尺寸、功率都在增大。进一步提升设备可靠性和 生产系统自动化是美国长壁开采的重要发展方向。 美国的井下自动化以提高开采效率、研发制约自动化 开采的关键装备和提高井下安全、职业健康标准为主 要目标。 2 自动化长壁开采技术 美国的自动化长壁开采始于1 9 8 4 年的电液控液 压支架技术，并一直发展至今。第1 代的半自动长壁 开采系统问世于1 9 9 5 年，随着传感器技术和物联 网 I O T 技术发展，长壁开采技术也在逐步改进，包 括控制粉尘技术、近距离感知和防碰撞技术以及远程 控制技术等。自动化技术分为工作面单机自动化和 长壁生产系统的自动化。 2 ．1 单机自动化 2 ．1 ．1自动化液压支架 电液控液压支架首次使用是1 9 8 4 年在西弗吉尼 亚州的莫加利县煤矿，从此煤矿行业成为了最早使用 计算机技术的行业之一。电液控液压支架首次使用 时，主要问题是设备不能适应地下环境 潮湿和灰 尘 以及电缆容易发生故障。到1 9 9 0 年左右，这些问 题得到了解决。电液控液压支架可减少液压支架的 操作时间，从大于4 0s 手动 减少到1 2 2 0s ；可以 确保所有液压支架移动到正确位置，并整齐地摆放于 工作面，而且在整个工作面实现均匀的设定压力；减 少液压支架操作人员的数量。 2 ．1 ．2 自动化采煤机 采煤机的自动化始于1 9 7 8 年 模拟 无线电远 程控制技术，然后就是1 9 8 4 年的 数字 控制技 术[ I3 | 。1 9 8 6 年引入了“记忆切割”技术，即记录有关 滚筒抬升高度和摇臂倾斜度以及采煤机位置的数据， 用来指导后续采煤机运行以完成切割工作。最常用 的“记忆切割”系统通常只控制前滚筒高度，而后滚 筒通过固定的开采高度来运行，从而使工作面底板切 割线更加均匀。但是该系统需要频繁进行数据收集 及训练。 2 0 世纪9 0 年代初开发了一种伽马射线煤厚测 量传感器【1 4 叫5 | ，用于控制采煤机沿煤层顶板进行切 割。由于该系统体积庞大，且只能对页岩顶板有效识 别，该系统没有得到进一步应用。 开发更先进的传感器，包括采煤机机身的俯仰和 侧倾传感器，遥臂倾角传感器以及采煤机位置的运动 传感器，从而确保可以更精确地控制采煤机运行是提 升采煤机自动化水平的关键。目前的发展方向是解 决采煤机俯仰和转向问题，对采煤机机身进行定位， 以便在随后的工作面推进过程中将采煤机机身调整 至特定的俯仰角来对底板进行修整6 。。 从2 0 世纪9 0 年代后期到2 0 1 3 年，澳大利亚的 C S I R 0 成功开发了用于工作面对齐，采煤机水平控制 和刮板输送机行进控制的惯性导航系统 I N s ⋯。18 | 。 该系统自2 0 1 4 年以来在澳大利亚煤矿得到广泛应 用，但是直到最近几年才应用到美国长壁工作面，截 止至2 0 1 9 年有2 处矿山采用了该系统。 2 ．1 ．3 自动化刮板输送机 刮板输送机 A F C 传动系统需要静态和动态的 功率储备，以应对启动高负载和处理链条松弛情况。 2 0 世纪8 0 年代，由于链条尺寸和链条强度较小，经 常发生A F C 突然过载导致链条断裂或驱动电机烧坏 现象。因此，1 9 9 2 年开发了A F C 软启动技术，以处理 重载启动问题，确保驱动电机之间可均摊负载，也可 避免机头驱动架上的链条松弛。2 0 世纪9 0 年代初 引入了双控液压缸可张紧的尾部驱动器来控制链条 的张力。在2 0 1 0 年安装了带有智能张力调节系统的 机尾驱动器。该系统在刮板上安装有载荷传感器，用 以测量链条实时张力。 万方数据 煤炭学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 2 ．2 自动化长壁采煤系统 根据三机配套设备自动化发展的时间顺序可将 美国的自动化长壁采煤系统大致分为3 个阶段，即追 机移架技术 S I s A 、半自动化长壁工作面和采煤机 远程控制技术。 2 ．2 ．1 追机移架技术 S I s A 追机移架技术 s I s A 源于2 0 世纪8 0 年代中 期，其核心是在自动化采煤机和自动化液压支架之间 建立联系，并且相互确认位置。当采煤机经过后，其 背后的液压支架将自动向前推移，然后刮板输送机也 自动逐一推进。该技术的基本要求是要有自动化系 统计算机、装有红外发射器的采煤机、带有电液控制 系统的支架和采煤机可执行“记忆切割”。 由于井下空气中存在大量粉尘和水雾的区 域，会使红外信号接收器发生混乱，导致采煤机的 位置数据丢失，同时由于位置定位是以液压支架 编号来完成的，当支架宽度从以前的1 ．5m 增加 到目前常用的1 ．7 5m 或2m 时，根据此方法确定 的采煤机位置不够精确。因此，在2 0 世纪9 0 年 代初，开发并使用了一个编码器接口电路，该电路 可对采煤机驱动链轮的齿数进行计数，并且位置 识别功能比红外传感器系统更为精确。现在，所 有采煤机都配备了这两种系统 红外和编码器 ， 以作相互补充。在2 0 0 0 年，开发了用于监控动力 马达齿轮数的转速监视器，用来确定采煤机的位 置，其精度可达毫米级。 当采煤机采用单向割煤时，该系统在整个工作面 均具有较好的适用性。当采用双向割煤时，该系统在 工作面内可正常运行，但是在端头处需要自动模式下 完成斜切进刀两次切割三角煤时遇到了很多困难。 这一端头自动操作问题一直到2 1 世纪初才得到解 决，自此追机移架系统得以全面使用。 2 ．2 ．2 半自动化长壁工作面 源于2 0 0 0 年的半自动化长壁工作面是美国目前 最常用的一种长壁开采模式，主要是由追机移架系 统 S I S A 、采煤机姿态控制系统 A s A 和刮板输送 机动态链管理系统 D C M ，以及澳大利亚的惯性导 航系统 I N s 组成 如果矿井选用该设备 。 A S A 系统包括采煤机倾角传感器、摇臂倾角传 感器、转速监视器和采煤机精确定位等。D c M 系统 包括刮板输送机的链条张紧装置、过载保护与软启动 等。 采煤机以记忆切割模式工作，目前的记忆切割模 式比2 0 世纪9 0 年代以前开发的初始版本系统更加 准确、可靠。另外，采煤机司机也可以对割煤的位置 随时进行调整。 该开采模式目前仍然需要4 ～8 名工作人员，具 体人员数量取决于实际的采矿和地质条件，一般是 1 2 名采煤机司机、1 3 名支架人员、1 名机械工程 师、1 名轮转工和1 名领班。 2 ．2 ．3 采煤机远程控制技术 采煤机远程控制技术始于2 0 1 2 年在新墨西哥州 的一个煤矿，为了提高煤矿工人的安全性和煤炭产 量9 | ，采煤机司机在工作面端头控制点远程控制采 煤机的采煤工作。 自2 0 1 6 年8 月起，由于可吸人粉尘的标准从 2m g ／m 3 降低至1 ．5m g ／m 3 。为了达到该标准，西弗 吉尼亚州煤矿也采用了类似的远程控制采煤系统。 在这两个远程控制采煤系统中mJ ，采煤机上安装 6 8 台摄像机，分别面向重要位置的不同方向，以便 远程操控采煤机的司机可以实时看到整个工作面情 况。l ～4 台摄像机安装在刮板输送机的头尾驱动部 位置。 工作面远程控制系统安装在工作面端头巷道中， 同时地面也安装了具有类似功能的地面控制中心。 美国在过去的2 0a 中，自动化采煤方面已经取 得很大进展，但是尚不能称为完全自动化开采。远程 控制将工作面设备的操作人员转移至远离工作面的 安全地方通过摄像机监控来完成设备操作工作。除 了工作面实际工作人员没有减少太多以外，两个远程 控制的长壁工作面对人员健康、生产安全和煤炭产量 等方面都有很大的提升。 2 ．3 大数据、高速通信与可视化技术 一个现代自动化长壁开采系统配备了70 0 0 多 个不同类型的传感器，实时采集海量数据，并连接到 一个或多个P L C s 上 图4 ，这就需要开发一些软件 用来分析每个传感器的数据，以及传感器之间数据的 相关性。大数据和高速通信技术以及专用的软件可 以实时显示每台机器、三机中的任意一台以及整个长 壁开采系统的工况。 操作人员可以从屏幕上查看工作面形状，并确 定何时需要工作面调直。屏幕上可以显示支架立 柱阻力、时间加权平均阻力、载荷增量、支架高度与 支架间碰撞情况，工作面位置及轮廓、采煤机的位 置以及存储控制部件的状态。操作人员可以对双 重访问随机存取存储器中的控制杆进行编程，以校 正切割，调整水平线。动态链控制管理系统 D C M 显示输入压力、设定和实际的链条张力，以及液压 缸活塞的实时位置等信息。 近年来各设备商还开发了3 D 可视化功能。 万方数据 第l 期 王家臣等美国煤炭地下开采与自动化技术进展 4 1 该系统利用存储控制部件从工作面三机中收集数 据，并构建高保真3 D 图形系统。包括管理人员在 内的操作人员便可在生产过程中监管整个长壁工 作面。操作人员可以选择工作面三机中任意一台 的特定数据点，并从任意角度实时监测长壁系统， 这使得操作人员不仅可以看到正在运行的装备， 还可以在接近预警系统中看到操作人员的位置， 并且系统可以回放。 图4 长壁开采数据传输系统”l F i g ．4 D a t at r a n s n l i s s i o ns y s t e mi nl o n g w a l lm i n i n g i 7 2 ．4 自动化开采问题与方向 自动化长壁开采技术源于美国，但自2 0 世纪9 0 年代中期以来，并没有取得重大进展，其主要原因是 1 目前的系统运行良好，无需重大改进，且已 能满足开采需要，此外自动化系统的成功应用并不能 保证提高产量，甚至在某些情况下，还会减少产量。 矿山工会害怕工人失业而抵制这项技术。 2 “清洁能源计划”政策限制燃煤电厂的二氧 化碳排放，再加上近年来丰富廉价的页岩气，煤炭在 发电中的份额大幅下降，煤炭产量减少，新的煤炭开 发项目也很少。在2 0 0 0 年代初，电液控液压支架的 价格大幅上涨，导致矿山经营者没有能力购买新设 备，而是寻找其它替代品，如购买二手液压支架或延 长已有支架的使用年限。 3 煤炭行业一直将注意力集中在改善矿工的 健康和安全方面，在提高产量和减少作业人员方面并 不迫切。 4 井下地质条件复杂多变，可能会对自动化设 备造成损坏，经常需要人工操作。 美国在自动化长壁开采技术升级中，一直致力于 改善工作面设备的可靠性、保证工作人员的健康和安 全等，目前主要的攻关方向为”8J 1 开发各种传感器，以实时测量不断变化的地 质和采矿条件，从而对工作面设备进行高级控制。 2 需要可以快速移动的自动化重型设备，特别 是大量的液压支架需要配置多个警告系统，以确保矿 工的安全，如临近传感器或安全闭锁装置，以及可以 反映设备移动、故障和其他活动的彩灯照明系统。 3 液压支架的智能喷水系统，以便用于支架前 进过程中自动抑制粉尘。发展液压支架与采煤机之 间的防撞技术。 4 完善端头往返和三角煤切割系统，使工作面 实现完全自动化。 5 完善采煤机、液压支架和刮板输送机组件的 实时工作状况和诊断监控系统，使其可以及时进行预 防性维修。 6