★ 智慧矿山 ★
冀中能源峰峰集团地处河北省邯郸市峰峰矿区,是以煤炭开采为主的国有大型企业,煤炭开采历史悠久,目前本部现有11对矿井,2018年生产原煤1700万t。峰峰矿区井田地质条件复杂,采深大、断层多、水害、瓦斯突出等问题严重。近几年,峰峰集团依靠科技进步,不断探索和研究适合本地区的采掘机械化发展之路,在薄煤层开采技术研发和应用领域有了新突破,薄煤层综采自动化、智能化技术一度达到了国内领先水平。
峰峰集团薄煤层资源储量超过5000万t,实际可采储量逾3000万t。自2004年,峰峰集团开始研究薄煤层综采技术,2005年首先在新屯矿14459薄煤层工作面实际应用,之后在大淑村矿、大社矿、牛儿庄矿推广应用。
2008年峰峰集团开始研究薄煤层综采自动化技术,2009年上半年在辛安矿112上89工作面进行工业性试验并取得成功,随后在全集团公司推广应用,2009年获中国煤炭工业协会科学技术一等奖。
峰峰集团2011年就开始研究薄煤层综采自动化远程控制技术。2011年初首先在大力公司进行了工业性试验。由于该矿薄煤层工作面条件复杂,顶板破碎、淋水严重,试验被迫中断;2011年10月在大社矿94702工作面进行试验,并取得成功,实现了薄煤层工作面安全高效少人化开采,实现了历史性突破,2013年获中国煤炭工业协会科学技术二等奖。
1.2.1 薄煤层综采工作面设备配套及应用
采煤机选用MG456-WD型;支架选用ZY3000/08/19型(先导控制);刮板输送机选用SGZ730/264型,适用于煤厚1.3 m以上的较薄煤层。采煤队平均在册人员为98人,工作面单产3.6万t,生产能力为35万t/a左右,工效为10.7 t/工。
主要优点:以综采替代高档普采,提高了生产效率,降低工人劳动强度,改善了作业环境,实现了安全高效生产。该套装备曾经在集团公司多个薄煤层工作面推广应用。
主要问题:4#野青工作面煤厚1.1 m左右,且顶底板为石灰岩和粉砂岩,非常坚硬(f=12~14),机组无法截割,经常发生支架被压死事故,影响正常生产。
1.2.2 薄煤层综采自动化工作面配套设备及推广应用
采煤机选用MG200/456-WD(或MG160/360-WD)型;支架选用ZY3300/07/13D型(电液控制);刮板输送机选用SGZ630/220型。采煤机远距离遥控操作,支架自动跟机移动,成组推溜。该配套适用于煤厚1.2 m左右的薄煤层工作面开采,生产班共计5人作业,实现了少人值守,工作面单产3.6万t,年产40万t,工效达25 t/工。
1.2.3 薄煤层综采自动化推广应用情况
2008年初,峰峰集团开始在薄煤层综采工作面研究应用电液控技术,并与天地玛珂电液控制系统有限公司合作。2009年1月,首先在辛安矿112上89工作面进行工业性试验,该工作面煤厚平均0.75 m,顶底板为炭质泥岩(f=4~6),实际破岩0.5 m,采高保持在1.25 m,每天推进13 m左右,效果非常好。试验成功后先后在大社矿、牛儿庄矿、新屯矿、大淑村矿推广应用。
峰峰高瓦斯矿井中4#野青保护层普遍煤厚0.9~1.3 m,平均煤厚1.1 m,且顶底板坚硬,断层多。随着矿井开采深度加大,以前的装备已不能完全适用于现有薄煤层工作面生产需要,急需升级换代。2017年,集团公司制定采煤装备升级改造3年规划,进一步优化三机配套,选用ZY4000/07/15D型两柱掩护支架,配简易电液控,成组操作,提高支架工作阻力,扩大支架使用范围,统一型号;采煤机选用MG200/455-WD型,以提高机组截割功率,增强破岩能力;刮板输送机选用SGZ630/400型,电机减速机垂直布置,便于割透三角煤,目前在大淑村矿、羊东矿推广应用;
其中,九龙矿15449S薄煤层工作面(4#野青),埋深达1000 m,煤厚平均1.0 m。支架工作阻力由原来的3500 kN升至6800 kN,选用ZY6800/08/15D型两柱掩护支架,配简易电液控,生产中炮崩破底0.5 m,矿压大且出现底鼓,支架压力表显示最高达到80 MPa,来压频繁、持续时间长,经常造成压架事故,正常情况下月进尺不到30 m。此种复杂条件严重制约了综采自动化技术的有效发挥,亟需应用先进的电液控制技术。
总之,目前电液自动控制技术是峰峰集团推广应用最广泛、最适宜的技术。通过优化设计,在煤厚1.2 m左右的薄煤层工作面实现了少人作业,实现了矿井安全高效生产。
薄煤层智能综采自动化技术由峰峰集团和天地玛珂电液控制系统有限公司合作研究,于2011年12月在大社矿94702作面投入使用,该工作面煤厚平均1.3 m,赋存条件较好,生产单班3人作业,实现了薄煤工作面少人值守,工作面单产达10万t以上,工作面效率达33.4 t/工,使得薄煤层综采实现了远程自动化控制、工作面少人值守,为峰峰集团薄煤层综采工作面实现无人值守远程自动化开采积累了宝贵经验。
采煤机选用MG160/360-WD型;支架选用ZY3300/07/13D型(电液控制);刮板输送机选用SGZ630/220型。采煤机远程或远距离遥控操作,支架自动跟机移动,成组推溜。经优化设计后,三机配套参数见表1。
表1 三机配套参数
项目技术参数/mm高度700~1300中心距1500宽度1450推移步600中部槽高度208过煤高度226铲间距230滚筒直径900卧底量156机面高度711
薄煤层综采工作面远程监控系统,主要采用先进的数字化控制技术,建立薄煤层综采工作面远程监控系统平台,自动完成割煤、推溜、移架、装煤、拖缆和运输等生产流程,对关键设备和工况进行实时监控、对三机运行参数协调匹配、对三机故障保护和联动,实现薄煤层综采工作面无人化开采,确保井下生产高产、高效和安全生产。
(1)采煤机自动控制系统。采煤机作为工作面的核心设备,现在普遍具备交流变频电牵引、系统参数显示、参数记忆、负载保护和一定的故障诊断等基本的智能功能;在此基础上对采煤机技术进行改造,增加煤岩识别、位置检测和远程控制和监测等功能。
(2)液压支架电液控系统。电液控系统是工作面的关键控制环节。液压支架电液控技术采用天地玛珂电液控制系统有限公司公司PM32液压支架电液控制系统,具有成组控制、邻架控制和远程控制等功能。
(3)刮板输送机自动控制。实时检测刮板输送机链条张力、负载状态,配合自动化控制中心实现负载匹配、主动过载保护和故障保护等功能。
(4)工作面视频监视系统。采用支架内嵌式摄像机和LED照明,尽可能减少薄煤层作业空间的占用,解决工作面高质量图像传输和线缆保护等问题,实现全煤壁连续监视和设备工况的实时监视。采用超低照度成像技术,实现工作面全长煤壁侧无盲区视频监控,对生产现场工况进行随时瞭望和异常查看。工作面视频监视系统如图1所示。
(5)工作面自动化控制中心。采用工控机、组态软件和数据接口等技术,对采煤机、支架电液控和刮板输送机等设备上传的数据进行处理,实现工作面关键设备的功能协调、参数匹配及故障保护连锁控制等功能;对重要工况参数进行存储,并建立数据库便于后续分析和处理等。煤矿用隔爆型工业计算机基于X86构架,可以运行Windows XP或Linux系统,已经完全支持组态控制软件,为灵活、方便地开发自动化集中控制系统提供了保障。
1-防爆LED灯;2-本安型摄像仪;3-防尘风罩;
4-画面分割切换器;5-隔爆型监视器
图1 视频系统结构示意图
(6)远程操作台。显示设备运行参数,监视工作面工作状况,人工调整及操作设备运行状态。
2.3.1 薄煤层综采工作面实现无人化开采
建立工作面集中监控平台,集采煤机自动化控制、液压支架电液控制、低照度视频监视、网路通信与数据通讯等系统为一体,确保各设备协调、连续、高效、安全运行,使工作面生产过程自动化、现场操作无人化,仅当设备检修、维护时,工作人员才会到达工作面。
2.3.2 薄煤层采煤机实现自动化控制
运用采煤机记忆截割、自主定位、移动通讯和远程监控等技术,设计开发薄煤层采煤机滚筒自动调高、远程通信与操作控制等功能,实现无人化工作面对采煤机的自动控制要求。
2.3.3 薄煤层综采工作面全景动态视频监视
组建完备的网络视频监视系统,远程跟踪监视支架各种动作、采煤机运行和辨识煤岩界限情况,为远程控制采煤机和调整液压支架提供视觉支持。
2.3.4 矿用摄像仪风幕式主动防尘
设计研发防尘风罩专利技术,利用压缩空气在镜头前形成气幕屏障,直接隔离和阻断粉尘,彻底避免煤尘对视频摄像仪镜头的污染。
2.3.5 犁型装煤装置和电缆拖放装置
设计采煤机煤岩装载和刮板输送机电缆收放装置,改善了自动化运行效果,适应薄煤层无人化开采的需要。
2.4.1 经济效益
目前峰峰集团有7个矿井应用实施薄煤层综采自动化技术,平均生产原煤210万t/a,工作面单产最高达到10万t,工效达到33 t/人,年实现经济效益10亿元以上。
2.4.2 社会效益
(1)改善了煤矿开采的安全现状,工作面能够无人或少人化生产,提高了安全生产本质化程度,促进了煤矿安全生产。
(2)采用先进的自动化控制技术,实现了采煤工作面生产过程的自动化和无人化,确保了安全、高效生产。
(3)保证了矿井正常衔接,提高了煤炭回收率,延长了矿井寿命。
薄煤层综采自动化技术的应用将对提升综采设备自动化控制水平、提高煤炭采掘生产效率、实现高效无人化开采提供了新的有效途径,对保障安全生产、改善作业环境,由劳动密集型向技术密集型转变、促进煤炭资源开发的可持续发展具有重大的现实意义和长远的战略意义。
针对薄煤层综采自动化中存在的问题,峰峰集团投入大量人力和资金,做了很多研究工作。在复杂地质条件下采煤工艺研究、工作面直线度控制、采煤机无线控制、采煤机电缆管路管理、工作面乳化泵站自动控制、工作面虚拟现实显示、煤流集中控制等问题做了探索和研究,取得了一些成果,同时有些问题还亟待解决。
峰峰集团大部分矿井为了释放中厚煤层地应力开采薄煤层,煤层厚度1~1.3 m,倾角15°左右,顶底板硬度大,断层多,过断层截割难度大,采煤机震动严重,设备故障率高,放炮松动更易造成设备损坏。
在大社矿自动化开采实践过程中发现,工作面刮板输送机与支架通过推移油缸位移传感器检测相对位置,只能保证刮板输送机与支架之间的相对位置且精度不高,不能保证工作面直线度。工作面直线度控制不好,智能化开采就无法实现,必须人为参与控制。工作面刮板输送机直线度控制是自动化、智能化开采的瓶颈之一。
在煤层较薄、放炮多、电缆弯曲半径小的工作面,采煤机控制信号通过有线传输,故障率极高,是实现工作面自动化的一个难题。采用载波通信受电网波动、变频干扰,可靠性不高;采用WiFi通信,受金属及空间影响控制距离有限、基站漫游时间长、容易出现控制数据丢包,并且控制输出响应时间较长,不适用于系统控制。
峰峰集团正在探索使用泄漏通信技术,特制工作面采用高强度泄漏电缆,通过泄漏通信技术,解决基站漫游、无线通信距离受限、控制响应时间长的问题,解决采煤机自动控制通信问题。
薄煤层工作面高度受限,采煤机电缆管理是难题。峰峰集团与大连海事大学共同研究采煤机卷缆装置。通过采煤机在工作面相对位置,变频控制系统通过计算采煤机的距离,收放卷缆装置,解决采煤机拖缆问题,避免电缆被挤的问题。
峰峰集团与浙江中煤机械科技有限公司合作开发了乳化泵站智能控制系统。乳化泵控制系统根据电液控制系统中液控阀操作指令和系统压力双重反馈,判断工作面是否有用液需求,实现乳化泵站自动开停。该系统与净水反渗透储量装置、乳化液自动配比装系统联合使用,实现乳化泵站高效、可靠运行,智能控制、无人值守。
工作面截割过程中,粉尘较大,普通摄像头无法看清滚筒位置。通过增强现实、虚拟现实显示等技术,实现掘进工作面虚拟现实可视化,利用红外技术识别截割发热的截割部,融合到虚拟现实可视化图像中,解决高粉尘环境监视问题。
针对后路带式输送机,近几年峰峰集团推广应用永磁电动滚筒+螺旋自清煤滚筒,减少传动环节、减少故障点、避免因机头机尾滚筒沾煤造成皮带跑偏,加强皮带机道管理,实现带式输送机无故障运行。结合带式输送机远程集中控制系统,实现煤流后路运输无人化。
薄煤层综采自动化、智能化技术研究应用,使薄煤层开采装备技术达到国内领先水平,基本实现工作面无人(或少人)开采,为实现矿井本质安全高效生产,提高资源回收率探索出一条有效途径。目前薄煤层综采自动化装备已在峰峰集团全面推广应用,并取得了良好的经济效益和社会效益,薄煤层综采自动化技术值得在全国范围内推广应用。
[1] 张广成. 发展薄煤层机械化和高档普采试验情况[J]. 煤矿机械,1983(1)
[2] 乔红兵,吴淼,胡登高. 薄煤层开采综合机械化技术现状及发展[J]. 煤炭科学技术,2006(2)
Zhang Buqin, Liu Jianli, Lv Shuze. Research and application practice on automatic technology of fully-mechanized mining at thin coal seam in Fengfeng Group[J]. China Coal,2019,45(7):40-43,67.