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综采工作面智能化开采技术探讨
摘要：本研究将新田煤矿1901工作面智能化开采作为分析对象，从当前工作面的实际地质条件出发，重点从自动跟机放煤智能化控制、顶煤精准探测技术等方面，构建了智能化综合机械化开采工作面。通过从输送机运载负荷监测、对放煤机构控制、对综放面三机工况监测、对工作面直线度控制、系统定位、防碰撞、成套设备大数据专家系统等方面进行全面智能化控制。在采取智能化控制技术后，井下的人员数量明显下降，每个工作人员的工作效果明显提升，工人劳动强度也明显下降。
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智能化开采是当前煤矿发展的主要趋势，随着互联网技术、物联网技术的不断更新发展，为提升煤矿智能化开采水平提供了更多的可能。特别是随着煤矿井下开采深度的不断增加，开采环境更为恶劣，对智能化开采提供了更高的要求。因此，对综采工作面智能化开采技术进行分析有着较为重要的意义。
1、工程概况
新田煤矿1901工作面当前主要开采的是9#煤层，煤层厚度在6 m左右，从地质勘察情况来看，煤层顶板为细粒砂岩、粉砂岩，底板主要是泥岩、细粒砂岩。本次设计采用综放开采，放采比例为1:1，采用一采一放工艺，每次进尺0.9 m。为了增强煤矿智能化开采效果，本次为1901工作面设计采用智能化综放开采，本次对智能化开采技术进行了重点分析。
2、综采工作面智能化开采技术要点
在本次智能化开采的过程中，涉及到开采和放煤两个环节，因此，本次智能化开采过程中，涉及到放煤和开采两个环节[1]。
2.1 智能化放煤技术要点
首先，对支架放煤机构进行智能化控制。在控制时，主要包含有放煤机构防碰撞和支架精准位姿监测控制两个方面。在对1901工作面放煤支架进行设计时，本次选择使用可靠性和精度均相对较高的尾梁行程传感器与插板形成，更好地提升放煤机构精准控制效果。同时，在每个支架上安装了倾角、红外、测高、推移形成及压力等传感器。通过传感器实现对井下监测到信号的有效收集，并通过以太网将各种类型的信息传递到调度指挥中心，数据可以在指挥中心中显示出来。
其次，支架放煤机构防碰撞控制技术。为了实现对液压支架姿态的智能化控制，同时对支护高度进行全面监测，也对放顶煤工作面进行智能化调整，本次在支架的底座、顶梁之间安装高精度测高传感器，同时在尾梁的位置安装倾角传感器，从而实现对放煤机构局部姿态、液压支架整体姿态的全面监测，严防出现支架过低的问题[2]。图1是支架尾梁倾角传感器安装的位置。
图1 支架尾梁倾角传感器安装的位置
同时，在液压系统中将收插板与降尾梁联动功能增设到其中，在开始放煤时，在达到了设计的行程或者在超前插板一定时间，然后再进行尾梁的降低。在完成了放煤之后，尾梁提升到设定的行程或者达到一定的时间时，开始进行伸插板操作。
第三，对煤炭、矸石进行精准识别技术。由于在综放开采的过程中，煤层和岩层的分界面不能直接观测到，需要使用具有较强穿透能力的雷达技术，才能较为精准的将煤层和岩层分界的位置有效探测出来，从而实现对采放比的精准控制。因为岩石与煤的介电常数有着较为明显的差异，脉冲雷达信号在两者的分界位置会出现较为明显的反射信号，因此，能够较为便捷的将煤层和岩层的分界位置确定出来，从而相对精准的确定出顶煤的厚度。通过使用该技术可以将放煤量提前预算出来，然后综合考虑放落矸石比例、放煤时间等因素，对放煤量给予精准指导，从而实现精准放煤效果[3]。
在本次1901工作面放顶煤过程中，使用的传感器探地雷达技术，选择使用无线电脉冲技术，频率控制在1 GHz到8.8 GHz之间，该技术可以探测的煤层厚度达到3 m，探测的精度控制在10%的误差，能够满足本次探测需求。1901工作面选择使用煤矸防落自动识别传感器，该设备使用的是先进传感采样技术，对煤矸石产生的震动信号可以取得较好的处理效果，通过使用内部的加速度模块等，结合滤波算法，从而得到物体震动频率。
本次在液压支架的尾梁位置安装了煤矸石识别传感器，并将传感器另一端安装在智能放煤控制器的接口上，在安装时，需要确保安装平面的平整性，在接触的位置不能存在煤灰等杂质。图2是传感器接口示意。图3是安装示意。
图2 传感器接口示意
第四是自动跟机放煤控制技术。在液压支架跟机过程中，在其中加入了支架根据采煤机位置自动放煤的功能，提升放煤智能化水平。在同一时间放煤开关数量控制在两个以内，采煤机从机头向机尾作业时，设计液压支架的动作为：首先是跟机移架区域、跟机伸缩梁护帮板联动区域、跟机放煤区域、跟机推溜区域等，图4是具体的放煤工艺流程。
图3 传感器安装示意
图4 跟机放煤工艺流程
2.2 工作面智能化开采技术要点
首先是智能化开采方案。1901工作面在智能化开采过程中，重点从输送机运载负荷监测、对放煤机构进行精准控制、对综放面三机工况进行智能化监测、对工作面直线度进行智能化控制、系统智能化定位、智能化防碰撞、成套设备大数据专家系统等方面进行全面智能化控制。在具体控制时，工作面主要配备了负荷监控系统、三机工况监测系统、防碰撞系统等，具体配置情况见表1。
在1901工作面智能化开采过程中，对于采放协调生产模式进行了针对性的优化提升，总体形成了“前部记忆截割、后部进行智能化放煤、远程进行集中控制”的生产模式，图5是工作面人员的具体布置示意。工作面设计采用了“四六”制生产组织的方式，每日设计推进10刀煤。
表1 1901工作面智能化开采设备配置
图5 1901工作煤智能化开采工作面人员布置示意
工作面人员职责清晰、明确、合理是确保工作面智能化开采效果的关键。在本次智能化开采过程中，对于工作面监控员、巡检工、机头和机尾的超前支护工及远程放煤监控工的岗位职责进行了具体明确的规定，具体为：
首先，对于工作面使用的巡检工，其主要承担的是对工作面采煤机、液压支架的运行情况进行全面的巡检，在工作面割煤的过程中，对设备运行情况进行全面观察，发现问题后，及时采取停机措施，并第一时间与相关的技术人员联系，尽快将问题解决到位。在原先工艺中，工作面后部放煤操作，在智能化开采时，主要由放煤巡检工承担，工作面放煤巡检工承担的主要任务是对跟机放煤进行监测，对放煤过程进行控制，特别是对大块顶煤情况进行全面监测。
其次，对监控员和远程放煤监控工的主要职责是，远程放煤监测工主要对支架动作进行全面监测，同时借助数据、视频、图片等各种类型的信息，对工作面的运行情况进行全面观测，从远程监测放煤机构的具体动作情况，及时进行补放，对运输机负荷进行精准预判，特别是对放煤口数量进行提前干预控制，确保工作面智能化开采效果。对于采煤机监控员主要承担的是综合机械化开采设备的开启和停止，通过远程的方式，对采煤机各种动作进行提前干预。
最后，超前支架工，在本次智能化开采过程中，对于机头的进风巷与机尾的回风巷，本次均配备两名超前支架工，两个人的主要职责是，一人主要负责超前支架在移架过程中，对支架不能自动移到位的情况进行针对性的调整。另一人的主要职责是对操作人员的安全情况进行全面监测和指挥，此外，超前支架工还承担回风巷道和运输巷道的物料回收等相关工作。
在智能化工作面开采的过程中，通过人员的相互协调配合，相互之间能够取得“1+1>2”的效果，能够更为有效地提升工作面的开采智能化水平，保证工作面煤炭采出率，确保工作面开采的安全性。
3、综采工作面智能化开采技术应用效果
1901工作面在设计采用智能化开采系统后，已经通过了半年的调试和运行，从整体的运行情况看，设备整体运行较为稳定，实现了工作面高质量的自动化跟机作业，采放工艺协同的效果较好，达到了智能化放煤的效果。工作面在原工作模式下，工作面人员是100人，每个工作人员每天的工作效果是145 t煤。在采取智能化控制技术后，井下的人员数量降低到了60人，下降了40%。同时，每个工作人员每天的工作效果是185 t煤，提升了每人每天40 t。从数据情况来看，达到了较好的矿井减员提效的效果。
从经济效益的角度来分析，选择使用了智能化控制技术后，生产能力每年提升了接近100万t，根据当前煤炭的价格900元/t，每年可以为新田煤矿增加150万元的利润，极大地提升了新田煤矿的发展效益，也较为明显地提振了新田煤矿工人工作的积极性和主动性。
4、结论
(1）新田煤矿1901工作面从地质特征、智能化设备现状、开采条件等方面出发，通过利用支架放煤机构的精准化控制、自动跟机放煤控制、顶煤精准探测、煤矸精准识别等技术，在工作面形成了智能化开采控制系统，达到了“前部记忆截割、后部进行智能化放煤、远程进行集中控制”效果，极大地提升了工作面的智能化水平。
(2）随着煤矿开采深度的不断增加，全面提升煤矿开采智能化水平非常关键，同时，煤矿智能化开采水平的提升也是一项较为系统、全面的工程，在提升智能化开采水平的过程中，需要综合考虑地质、成本、安全等因素。因此，我们在提升智能化煤矿需要转变传统的开采工作理念，切实加大工作投入力度。
参考文献:
[1]张科学,徐兰欣,李旭,等.透明工作面智能化开采大数据分析决策方法及系统研究[J].煤炭科学技术,2022,50(2):252-262.
[2]苟科学,刘阳.智能化综放工作面无人开采技术在彬长矿区应用与思考[J].陕西煤炭,2021,40(S1):177-179,187.
[3]梁文彬,范凯,卓军.复杂地质条件工作面构造探测及智能化开采技术[J].煤矿安全,2020,51(12):188-191.
文章来源:李威.综采工作面智能化开采技术探讨[J].科学技术创新,2023(26):181-184.
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2024-04-23
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2024-02-20
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2024-02-20我要评论
期刊名称：矿业工程研究
期刊人气：458
主管单位：湖南省教育厅
主办单位：湖南科技大学
出版地方：湖南
专业分类：煤矿
国际刊号：1674-5876
国内刊号：43-1493/TD
邮发代号：42-359
创刊时间：1980年
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2023-11-17
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