大采高工作面智能化开采技术研究

大采高工作面智能化开采技术研究

0煤矿技术发展方向采矿业属于传统产业领域。复杂的工作环境和复杂的安全环境给员工的劳工报酬、工作效率和职业健康安全带来了很大挑战。智能煤矿和智能开采是煤矿技术发展的唯一途径。目前在矿井地质和生产条件相对简单、煤层赋存较薄的采煤工作面，采用智能控制的正常作业模式已得到一定的发展和推广应用，但在矿井地质和生产条件相对复杂、大采高厚煤层的采煤工作面，还存在有井下生产作业环境差、煤层赋存变化大、煤壁片帮、煤层底板岩性软、煤壁护帮管理困难、支架拉移精准控制难度大等问题，无法实现工作面智能化常态化应用，亟需进一步研究新的技术方案和开发新的装备来解决。1工作流总结某煤矿井田面积351.94km2智能化工作面开采方案在传统采煤装备的基础上，对综采装备进行升级改造，使其具备智能感知功能和学习记忆功能，利用智能化集中控制技术和装备协同作业技术对工作面生产作业方式进行探索研究，实现工作面设备的自动化运行；建立井下和地面集控中心，实现综采设备数据的集成，在集控中心对综采设备进行远程监测、状态显示和远程集中控制，从而实现大采高采煤工作面装备的智能化运行和工作面的常态化生产作业。2.2工作面智能控制以可视化网络通信技术为基础，以生产作业智能化远程控制技术为核心，对工作面采煤装备运行工况数据进行采集、分析、预警、决策和远程干预控制，实现工作面采煤装备的集中智能操作和控制等功能，形成以远程智能化控制为主、人工干预为辅的智能化生产作业模式，达到了大采高采煤工作面智能化控制实现常态化的目的。(1）建立矿井上下高速网络传输系统、工作面全方位视频监控系统和可视化通信系统。为了使工作面采集的数据能够实时、快速、准确地传输到井上控制中心，使其能够对采集的数据进行分析和决策，达到智能控制的目的，必须在矿井上下建立一个以万兆工业环网为基础的高速网络通信系统。(2）建设工作面集控中心。建设由主控计算机、交换机、本质安全型操作台、电源和具备相应功能的软件等组成的一体化操作平台，能够将支架控制系统、三机设备、顺槽带式输送机以及泵站、各类开关、通信系统、供电系统等进行融合，实现工作面无人化、智能化控制与保护。(3）设定模拟人工操作的采煤工作面智能化回采工艺流程。结合传统人工操作作业方式，同时根据工作面实际生产环境和地质条件，通过对截三角煤、扫底煤等工艺进行优化或调整，减小采煤机截蛇形段距离和截底煤距离，形成模拟人工操作的智能化综采采煤工艺。(4）通过矿井上下高速工业环网系统，搭建地面分控中心，实现地面远程操控。创建地面视频监控系统和矿井上下可视化通信系统，利用矿井上下万兆工业环网实现对工作面设备的集中控制和一键启停功能。3高采煤工作面智能开采控制针对该煤矿井上、井下现场实际情况，实现大采高采煤工作面智能化开采需重点研究高效回采工艺、防止煤壁片帮智能控制技术、煤层底板松软智能控制技术和工作面破碎顶板智能控制技术。3.1工作面操作工艺通过对大采高工作面地质条件和实际生产条件进行研究分析，优化了工作面回采工艺，制定了工作面采煤机截煤的14道工序操作工艺流程，如图1所示，减小采煤机截底煤距离，并跳过采煤机返刀扫底煤工序。把采煤机截三角煤端头进刀的距离减少5.25m，刮板输送机弯曲蛇形段距离缩短15m。通过对工作面截三角煤工序的优化，使截煤效率提高35%。3.2提高支护效果根据工作面煤壁发生片帮机理，煤壁片帮过程共分3个阶段：第1阶段煤壁发生拉裂破坏；第2阶段煤壁出现滑移失稳；第3阶段煤壁发生片帮。针对煤壁片帮的3个阶段，应采取不同的控制措施：第1阶段采取的主要措施是支架支撑力自动监测，对支撑力达不到要求的支架实行自动补压，保证液压支架对工作面支护的支撑力合格，减缓工作面顶板下沉速度，同时减小顶板下沉量；第2阶段对支架护帮装置压力进行自动监测、自动补压，确保护帮板护帮力合格，对煤壁支护有效，降低煤壁暴露时间和暴露面积；第3阶段对支架护帮装置进行精准控制。结合该矿煤层赋存情况，对综采支架的护帮板进行改造，使其护帮高度能够达到3m以上。通过改造，不仅使支架护帮板对工作面煤壁的支护效果得到提高，而且增强了护帮板自身的安全可靠性。(1）煤壁片帮情况下支架智能化跟机移架作业工艺当工作面煤壁受采动应力或支护影响发生片帮时，在该区域支架智能化跟机移架工艺操作流程如图2所示。当工作面采煤机自下而上从第97(2）支架自动跟机移架控制煤壁片帮的基本原理为使液压支架护帮装置能够有效支撑防护大采高工作面煤壁，一般将液压支架护帮装置的一级护帮板设计成自动控制，支架的二级护帮板利用液压控制阀与一级护帮板实行液压联动操作，确保采煤机运行过程中支架护帮板及时有效地支护工作面煤壁，防止煤壁片帮。工作面每架液压支架上都安装接近、压力、行程传感器和支架电液控制器，各类传感器与工作面液压支架电液控制器之间采用通信联络，而电液控制器之间安装有通信网络系统实现相互通信控制。(1)当工作面液压支架护帮板往回收缩不到位时，接近传感器会将监测的数据信息传送给支架电液控制器，支架电液控制器会根据接收到的信息操控液压支架将护帮板进行继续收缩，护帮板收缩到位后，接近传感器停止发送信息。当支架护帮板未能在设定的时间内及时收缩到位，支架电液控制器会发出故障预警信号，提醒控制中心人员护帮板故障，使用人工干预及时停止采煤机，防止采煤机运行到该位置时滚筒截割到支架护帮板造成机械事故。(2)压力传感器的主要作用是对液压支架护帮板支撑工作面煤壁是否有效进行监测。当支架护帮板支撑煤壁的支撑力未达到要求时，支架上的压力传感器会将信息发送给支架上的电液控制器，电液控制器在接收到信息后会根据情况做出分析，并操控护帮板实现自动补压支护煤壁，使支撑力达到设定值，从而确保支架护帮板对工作面片帮区域的煤壁达到良好的支护效果。(3)护帮板行程传感器将护帮板伸缩行程数据信息实时传输给支架控制器，支架控制器根据接收的数据来判断护帮板是否伸缩到位并决策处理，从而达到精准控制。3.3煤层底板柔软条件下自动跟机移架工艺大采高工作面的综采液压支架相对于其他薄煤层或中厚煤层使用的支架，其整体结构更大，底板比压更大。该矿工作面掘进时采用沿顶留底煤掘进的方式，由于工作面煤层硬度系数较低，煤质较软，在工作面生产过程中经常会出现支架钻底、支架前方堆煤影响移架等问题。(1）煤层底板松软条件下自动跟机移架工艺利用探测感知、视频监控等技术手段对工作面回采过程中出现的底板松软区域进行提前预知，采取多次降架、抬支架底座模仿人工操作的措施，实现在工作面煤层底板松软情况下完成智能化处理，并形成该条件下支架自动跟机移架工艺，如图3所示。(2）底板松软工作面智能移架控制技术通过在底板松软工作面对人工操作支架流程的研究分析，进行学习记忆并将该记忆程序添加到工作面智能化自适应系统中，在智能跟机移架控制过程中设置多次停顿、抬底座、降立柱操作程序，将人工操作拉架程序序列进行参数化，具体控制流程如图4所示，从而解决拉架时支架底座前堆煤问题。3.4破碎地段智能化控制技术利用探测感知、视频监控等技术手段对工作面顶板出现破碎地段进行超前感知、预测，采取超前移架支护方式对工作面出现顶板破碎的地段进行智能化处理，并形成该情况下支架自动跟机移架工艺，以工作面874智能化开采作业模式研究根据某矿井下现场实际生产和地质条件，提出大采高工作面智能化开采技术方案。通过对大采高工作面在智能化开采实施过程中面临的工作面煤壁片帮、顶板破碎智能化控制难度大、煤层底板松软导致移架困难、装备协同作业能力差等技术难题进行分析研究，制定了有针对性的解决方案，形成了一套适合于大采高综采工作面智能化开采的