煤矿综采工作面无人化开采的实现策略.pdf
2020 年第 9 期2020 年 9 月 煤炭作为中国储量最大的一次能源资源,为经济 社会的进步贡献了极大的力量,但其综采作业过程也 面临着自动化程度低、人员使用量大、综采效率低、 经济性差的现状。据统计,中国煤矿井下自动化程度 仅相当于世界先进水平的 30,因此煤矿井下综采自 动化程度低的现状已成为制约煤炭综采安全性和经济 性进一步提升的因素[1]。近年来机械控制自动化、智能 化技术的发展,为实现井下综采作业的无人化奠定了 基础。本文着眼于实现煤矿井下综采作业的无人化, 在对井下综采作业过程进行分析的基础上发现,目前 综采作业过程中采煤机片帮、液压支架在软底面情况 下的支护不稳及喷雾降尘稳定性差等均是影响实现无 人化综采作业的核心因素,因此着重从实现以上三方 面智能化作业方面展开论述,对无人化综采作业策略 进行了分析,为实现煤矿井下无人化作业、提升综采 作业的安全性和经济性奠定了基础。 1防片帮自动控制策略 采煤机在综采作业过程中由于煤层的应力路径效 应,会造成煤壁的滑移失稳和拉裂破坏,进而出现片 帮异常。通过煤层在受力过程中的“拉裂 - 滑移”机 理可知,若要有效避免片帮异常,需要在煤层拉裂、 滑移失稳及片帮的瞬间进行合理控制。具体来说就是 对液压支架的初撑力进行实时监测,确保综采过程中 支护压力的稳定,防止顶板下沉,同时对支架的护帮板 进行自动压力监测,确保护帮板上有足够的支撑梁和护 帮面积,避免出现空帮,当出现片帮时能第一时间对护 帮板支护状态进行调整,实现全流程的可靠防护。 要精确地实现综采作业过程中的防片帮控制,核心 是实现采煤机和液压支架的联合运行控制,对采煤机和 液压支架在运行过程中的位置状态进行实时监测,根据 不同编号的液压支架与采煤机之间的位置关系[2],精确 控制各个液压支架在采煤机附近护帮板的收放状态, 实现液压支架的跟机自动调整。其工艺流程如图 1 所 示。图 1 中,1 表示接近传感器,2 表示压力传感器,3 表示行程传感器。 图 1防片帮液压支架跟机自动控制流程 为了确保防片帮控制的精确性,一般采用对一级护 收稿日期2020-04-08 第一作者简介田子栋,1989年生,男,辽宁铁岭人,2011年毕业 于辽宁工程技术大学采矿工程专业,工程师。 煤矿综采工作面无人化开采的实现策略 田子栋,赵学,武智超 ( 辽宁铁法能源公司,辽宁 调兵山 112700 ) 摘要 煤矿井下综采作业技术是煤矿安全生产的核心。为了进一步提升煤矿井下的综采作业效率和安全性,对煤矿 综采工作面无人化开采的实现策略进行了分析。结果表明,井下无人化综采作业的核心在于实现综采面防片帮的自动化、 综采面底软的自动控制及井下自动化喷雾降尘,能极大地提升煤矿井下综采作业的经济性和自动化程度。 关键词 综采工作面;无人化;自动控制 中图分类号 TD67文献标志码 A文章编号 2095-0802-202009-0138-02 Realization Strategy of Unmanned Mining in Fully Mechanized Mining Face TIAN Zidong, ZHAO Xue, WU Zhichao Liaoning Tiefa Energy Co., Ltd., Diaobingshan 112700, Liaoning, China Abstract Fully mechanized mining technology is the core of coal mine safety production. In order to further improve the efficiency and safety of fully mechanized mining, this paper analyzed the realization strategy of unmanned mining in fully mechanized mining face. The results show that the core of the underground unmanned fully mechanized mining operation is to realize the automation of spalling prevention in fully mechanized face, automatic control of the soft bottom of the fully mechanized mining face, and the automatic spray and dustfall in the mine, which can greatly improve the economy and automation of the fully mechanized mining operation in the coal mine. Key words fully mechanized mining face; unmanned; automatic control (总第 180 期) 技术研究 支架支架支架支架 支架 控制器 支架 控制器 支架 控制器 支架 控制器 123123123123 a 设备结构布置 煤壁 采煤机 护帮板护帮板护帮板护帮板 护帮完 全收回 护帮 收回3/4 护帮 收回1/2 护帮 收回1/4 b 跟机示意图 138 2020 年第 9 期2020 年 9 月 帮板、二级护帮板分开控制的模式,分别采用行程及 压力控制,确保在综采作业过程中煤壁能及时获得支 护,避免出现片帮异常。 2综采面底软自动控制 在综采面底板硬度较差、软弱的地面上,液压支 架的支护状态会随着综采作业的进行不断变化,传统 情况下需要人工定时对液压支架的支护状态进行确认 并调整,效率低下而且容易出现支护失稳现象,对井 下综采作业安全造成了较大隐患。因此提出了在硬度 较差的综采面上通过模拟人工智能化处理的方案对其 进行自动化控制处理。首次对不同底板硬度情况下的 支护调节情况进行确认,形成人工记忆支护逻辑,然 后在综采作业过程中对支护区域的底板硬度进行分析, 针对性地设置对应的记忆支护逻辑。同时为了提升液 压支架在软底面情况下的调整灵活性,经过多次实验 验证,在支架进行移架的过程中通过增加降架时间、减 少移架步距、拉长移架时间的方式能有效降低液压支架 调整过程中的不稳定性,通过简化液压支架的移架流 程,能有效解决液压支架在移架和支护过程中的不稳定 性因素。液压支架自适应调整流程如图 2 所示[3]。 图 2软底面情况下的自适应支护 由图 2 可知,在采用自适应支护的情况下,在软 底面上,液压支架首先开始降柱和抬底动作,然后将 液压支架降柱 70 mm,并拉架 320 mm 以后先暂停 2 s, 待支架稳定后继续降柱 50 mm,然后拉架 320 mm 以 后再暂停 2 s,并继续拉 320 mm,最后待液压支架拉 到位以后再开始进行升柱动作,直到支架回到正常的 支撑状态为止。该液压支架自适应支护调节能显著提 升液压支架支护和调整过程中的稳定性,解决了液压 支架在软底面条件下支护稳定性差的缺陷。 3煤矿井下自动化喷雾降尘 为了提升煤矿的喷雾降尘效果,提出了一种新型 的高压降尘装置,该高压降尘装置采用了可调高压控 制技术,能根据采煤机的综采作业速度自动调整喷雾 降尘工作压力,达到在确保降尘效果的情况下降低用 水量的目的。该喷雾降尘装置的高压喷嘴模块设置在 机械臂上,传输管路采用了逐级递减的变管径结构, 管里直径从起始端的 25 mm 降低到喷嘴处的 16 mm, 从而确保了喷嘴处喷出的水雾形成直径为 30 滋m 的雾 滴。在应用过程中首先对截割转速和不同工作压力情 况下的喷雾降尘效果进行分析,确定不同转速情况下 的最佳匹配喷雾压力,达到了煤矿井下喷雾降尘装置 根据采煤机截割特性进行自适应喷雾降尘的目的[4]。一 系列应用表明,采用新的自适应喷雾降尘控制后,煤 矿井下喷雾降尘效率提升了 67.4,喷雾降尘耗水降低 了 9.2,显著提升了喷雾降尘的效果和经济性。自适 应喷雾降尘装置结构如图 3 所示。 图 3自适应喷雾降尘装置结构示意图 通过对煤矿井下防片帮自动控制、综采面底软自 动控制、自动化喷雾降尘的研究,能显著提升煤矿井 下综采作业的自动化和智能化程度,是实现无人化综 采作业的基础。 4结语 针对中国多数煤矿井下综采作业自动化程度低、 综采效率低、综采危险性高、稳定性差的缺陷,提出 了煤矿综采面无人化开采策略,对影响无人化综采作 业的防片帮自动控制、综采面底软自动控制、自动化 喷雾降尘进行了研究,为实现煤矿井下无人化作业奠 定了基础。分析表明 a 防片帮自动控制技术采用对一级护帮板和二级 护帮板分开控制的模式,分别采用行程及压力控制, 确保在综采作业过程中煤壁能及时获得支护,能及时 根据采煤机的位置进行自动调整,避免发生片帮; b 综采面底软自动控制技术采用了自适应控制方 案,能根据地面的硬度情况自动调整支护状态及移架 状态,满足复杂地形条件下的自动调整需求; c 自动化喷雾降尘,能根据采煤机运行状态自动 调节喷雾降尘压力,满足不同工况下的最优降尘需求, 将喷雾降尘效率提升 67.4,喷雾降尘耗水降低 9.2。 参考文献 [1] 黄乐亭, 黄曾华, 张科学.大采高综采智能化工作面开采关键 技术研究 [J] .煤矿开采, 2016, 211 1-6. [2] 王国法.煤矿综采自动化成套技术与装备创新和发展 [J] .煤 炭科学技术, 2013, 4111 1-5. [3] 张科学, 李首滨, 何满潮, 等.智能化无人开采系列关键技术之 一 综采智能化工作面调斜控制技术研究 [J] .煤炭科学技术, 2018, 461 139-149. [4] 袁亮.面向煤炭精准开采的物联网架构及关键技术 [J] .工矿 自动化, 2017, 4310 1-7. ( 责任编辑高志凤 ) a 支架开始 降柱、 抬底 b 支架降柱 70 mm、 抬底, 拉架拉320 mm 后暂停2 s c 支架降柱 50 mm、 抬底, 拉架320 mm后 停2 s后, 继续 拉320 mm d 支架拉到位 之后开始升 柱, 回到正常 支撑状态 电动机 调压阀 开关 压力表水箱 设备列车 喷雾 模型 田子栋, 等 煤矿综采工作面无人化开采的实现策略 139