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煤矿开采中机械自动化技术的应用

2023-10-27 81 上传者：管理员

摘要：随着中国经济及信息技术的高速发展，智能化设备及技术在煤矿开采领域中发挥着重要价值。以一实际工程为例，分别探究了智能感知技术、自动化综采工作面系统及自动化锚杆钻机在煤矿开采机械自动化领域中的应用。

关键词：
多元化
开采
机械自动化技术
煤矿
能源资源
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煤炭是中国重要的能源资源。作为世界上最大的煤炭生产国与消费国，中国正面临煤炭资源整合以及小煤矿兼并重组的多元化发展。中国煤层赋存形式相对复杂，煤矿开采以露天开采和井工开采为主。近些年，随着机械化程度的不断提高以及自动化技术的应用，煤矿开采质量及速度得到有效提高。要想进一步确保煤矿深部开采的安全性及有效性，需要充分发挥各类新兴技术在煤矿开采中的重要作用。

1、煤矿开采机械自动化技术发展分析

现阶段，煤矿开采机械自动化已经成为煤矿开采领域的重要发展方向。

从技术原理角度看，煤矿开采机械自动化是指依托信息技术实现煤矿开采设备的自动化工作。自动化开采能够利用智能感知设备以及特定的监测手段分析工作路径中是否存在人、物，规避各类潜在风险，按照预设要求完成煤矿开采工作，提高煤矿开采质量。

从实际应用角度看，自动化技术在煤矿开采领域中发挥着重要作用。

通过应用以光纤为传播媒介的自动传感技术，能有效掌握煤矿开采周边环境的压力、温度、震动情况。基于光纤传感技术研发的光纤光栅传感技术能进一步提高设备的环境适应能力。利用了光纤光栅传感技术的自动化煤矿开采设备具有极强的抗电磁干扰性能，且能在易燃易爆的复杂危险环境下可靠运行，无需技术人员亲自监测周边环境及调整煤矿开采设备的工作参数。

自动化综采工作面系统的构建，能够确保工作人员依托集中控制系统实现对整个采煤工作面设备的集中控制或远程控制。依托扁平化的控制架构，有效确保各项指令传输的实时性以及独立性。采用统一的本安型控制器，能实现不同软件对不同煤矿开采设备对象的针对性控制。此外，自动化综采工作面系统中的可编程自动化控制器能结合技术人员的实际需求对煤矿开采设备进行联动控制。

利用煤矿自动化锚杆钻机能为煤矿开采工作提供有效的井下支护，显著提高围岩的稳定性及强度。与传统人工安装锚杆以及取下钻杆的工作流程相比，自动化锚杆钻机能在确保开采效率的同时降低工作人员下井频次。煤矿自动化锚杆钻机包括自动铺设锚网装置、自动锚杆钻机装置等，具有自动输送锚杆、钻孔以及打锚固剂等功能。此外，煤矿自动化锚杆钻机工作期间会结合实际工况进行结构力学分析以及疲劳分析，将有关工作数据实时上传至云数据中心管理系统，以便为技术人员调整后续工作策略提供有效的数据支持。

2、矿井及采煤工作面概况

以A采煤工作面为例进行分析。该工作面地面标高1 025～1 385 m，水平标高602～674 m，平均埋深400 m；走向长度1 046 m，倾斜长度202 m；煤层储量约221 t，可采煤层储量约198.1 t。主采煤层为15#煤层，平均厚度6.69 m，倾角1°～14°。矿井有瓦斯突出危险性，瓦斯涌出量为121.42 m3/min，煤尘具有爆炸性。1号和2号矿井煤层为Ⅱ类自燃煤层，3号矿井煤层为Ⅲ类不易自燃煤层。细砂岩层平均层厚22.18 m,12#煤层平均层厚1.23 m，黑色泥岩层平均层厚11.90 m，石灰岩层平均层厚2.56 m,15#煤层平均层厚6.69 m，如表1所示。

表1 岩层参数表

覆岩结构方面，通过对煤层顶板活动空间及岩层垮落填充高度进行数据计算，结合煤层厚度、岩层厚度及碎胀系数得出工作面直接顶厚度为12.15 m。将采煤工作面的黑色泥岩作为基本顶，结合基本顶抗拉强度及基本顶所受上覆载荷，得到基本顶自重载荷为276.8 k Pa，基本顶所受载荷为416.74 k Pa。

该工程中巷道支护方式为锚、网、索及W钢带共同支护，如图1所示。

图1 巷道支护示意图

其中，W钢带参数为4 000 mm×5 mm,10#铁丝网参数为5 m×1 m，垫片参数为70 mm×70 mm。6根高强度钢筋锚杆的间排距为800 mm×800 mm。钻孔期间采用垂直顶板打注方式，并利用树脂药卷进行锚固。锚杆预紧力>30 k N，锚固力>70 k N。该工程采用3+2锚索加固锚固方式，钢绞线锚索规格为Φ22 mm×6 300 mm，其中1条排布在中心线，另外2条分别位于与中心线距离间隔1 m左右的对称位置。锚杆预紧力>80 k N，锚固力>120 k N。

3、机械自动化技术的应用

3.1 多参量光纤光栅智能感知技术的应用

该工程中矿井瓦斯气体含量较高，煤矿开采前期由采矿人员利用传统测量设备对矿压进行了一系列监测，利用机械式顶板离层仪以及电阻应变式测力锚杆测量了周边环境。虽然取得了各种环境数据，但由于传统监测技术存在一定的滞后性，且会受到环境因素的影响，监测误差相对较大。因此，采矿人员选择人工观测方式对环境数据进行检测，然而人工观测方式具有一定的滞后性，难以结合煤矿开采实际进程实现自动监测及数据传输。为避免影响煤矿开采效率，该工程采用了多参量光纤光栅智能感知技术推动煤矿开采机械设备的自动化以及智能化建设。结合实际工况，提出了多参量光纤光栅传感技术应用方案，能在煤矿机械设备采矿期间智能感知巷道围岩状态，实现煤矿高效安全生产。

3.1.1 监测内容

光纤传感器在采煤机采煤期间发挥重要作用，能够智能感知巷道安全性，对巷道围岩安全状态进行针对性辨识，以全面获得动态的巷道围岩状态信息。利用采煤机自动化设备中的光纤光栅锚杆测力传感器开展锚杆载荷监测，实时监测顶帮锚杆受力情况；利用光纤光栅顶板离层传感器开展顶板离层监测，实时监测巷道深部位移情况；利用光纤光栅钻孔应力传感器开展煤岩体应力监测，实时监测巷道煤帮应力情况；利用光纤光栅锚杆应力传感器开展锚杆杆体应力监测，实时监测锚杆杆体应力分布特征。

3.1.2 监测结果分析

随着采煤工作面的不断推进，采煤机锚杆测力传感器监测的预紧力数值也在不断发生变化。巷道采煤侧锚杆荷载大于非采煤侧锚杆荷载，说明采煤机开采煤矿期间对锚杆荷载变化影响较小。产生上述现象的主要原因在于自动化采煤机工作状态稳定，几乎不会偏移工作路径，因此具有较高的工作质量及工作效率。工作面向前推进期间，锚杆载荷变化规律为先增大后减小。采煤机距工作面90～180 m范围锚杆载荷变化趋势保持稳定；采煤机距离工作面40～90 m范围锚杆载荷首次出现增高趋势，在此期间载荷变化幅度并未存在较大明显变化，上述现象说明锚杆受到工作面开采应力立场的扰动影响；采煤机距离工作面12～40 m范围发现锚杆载荷变化幅度较大且载荷明显升高，此时锚杆载荷达到84 k N峰值；采煤机距工作面工作面12 m范围内锚杆载荷呈下降趋势，主要原因在于这一区域是应力集中区向松弛破碎区过渡的部分。

通过上述数据可得出，采煤机设备应用光纤光栅智能感知技术能有效实现对环境数据的自动化智能化监测，有利于进一步探究煤矿巷道围岩状态，为后续采煤策略的设计提供有效数据支持。

3.2 自动化综采工作面系统的应用

自动化综采工作面系统在工作面三机自动化采煤中发挥着重要作用。依托自动化综采工作面系统能对多种煤矿开采机械设备进行智能化控制，从系统结构及硬件设计角度对原机械设备进行优化调整，推动智能化与自动化建设，提高煤矿开采质量及效率[1]。

从组织结构角度看，自动化综采工作面系统由监控中心、三机子系统、泵站子系统和液压支架电液控制子系统构成。监控中心负责整个采煤工作面的控制，实现三机的集中控制。由工作人员操控主控操作台，主控操作台通过以太网接口连接集控系统网络[2]。实际应用中，工作人员可将扩音电话控制台与矿井电话系统相连，以便及时传达各种信息。控制台的急停开关要与采煤机自动化控制器相连，一旦遇到突发情况，控制台便可发送指令实现采煤机设备的急停闭锁[3,4]。三机子系统与工作面通信系统相连，能实现采煤工作面的语音预警功能及闭锁保护功能。此外，三机子系统能实现对采煤机减速器动力部实时状态的数据监测，将各种数据信息反馈至云数据中心平台，实现对整个系统的动力供电实时控制。泵站子系统运行，管理人员通过向控制器发布宏观控制指令，协调各控制器之间的逻辑关系，实现更加科学合理的数据交换与数据分析。液压支架电液控制子系统通过总线形式对工作面所有液压支架进行协调统一控制，能有效实现支架姿态实时检测及矿压实时检测。自动化综采工作面系统控制器软件程序任务划分如表2所示。

表2 自动化综采工作面系统控制器软件程序任务划分

3.3 自动化锚杆钻机的应用

自动化锚杆钻机在该工程中的应用能有效提高煤层钻孔、锚杆支护及铺设锚网等工序的工作质量[5,6]。如果没有应用自动化锚杆钻机，那么上述工序需要众多机械设备依次完成，一定程度上降低了整体的煤矿开采作业效率。而利用自动化锚杆钻机能有效实现煤层钻孔、锚网铺设、锚杆支护的自动化作业[7]。

实际应用期间，自动化锚杆钻机通过其支架实现上下运动，利用伸缩滑轨装置实现左右运动。技术人员发布相关指令后，自动化锚杆钻车到达指定位置并利用自动铺设锚网装置进行锚网铺设作业，再利用自动化钻机装置完成钻孔、装杆及紧固锚杆等工序，显著提高了作业质量，缩短了作业时间。

4、结束语

现阶段，自动化生产已成为煤矿开采领域的重要发展方向。实现煤矿开采设备的自动化工作能保障煤矿生产更加安全稳定地进行，提高煤矿开采的安全性、质量和效率，同时也可以为推动中国经济的稳步发展做出积极贡献。随着科技的不断进步和创新，机械自动化技术在煤矿开采中的应用将进一步拓展，有利于实现煤炭行业的可持续发展。

参考文献:

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[7]窦立森.煤炭开采中机械自动化技术的应用与发展[J].江西化工,2020,36(3):148-149.

文章来源:王鹏飞.煤矿开采中机械自动化技术的应用[J].能源与节能,2023(10):222-224.