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基于瓦斯体积分数监测的采煤机运行速度动态控制研究

2024-01-12 44 上传者：管理员

摘要：针对高瓦斯矿井回采工作面瓦斯容易超限，影响煤炭安全高效回采问题，提出在采面现场自动化控制系统基础上构建基于瓦斯监测的采煤机运行速度动态控制系统，实现瓦斯体积分数与采煤机运行速度联动控制。结合3205综采工作面现场情况，确定采面瓦斯体积分数低、中、高阈值分别为0.3%、0.5%、0.7%,并具体给出瓦斯体积分数与采煤机运行速度动态控制策略。在3205综采工作面现场工程应用表明，构建的采煤机运行速度动态控制可实现煤炭安全开采、提升煤炭生产效率并避免采面瓦斯超限问题。

关键词：
煤炭回采
瓦斯涌出
速度控制
采煤机
高瓦斯矿井
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煤炭开采时煤壁以及采空区等均会不断涌出瓦斯，当回采空间内瓦斯超限时容易诱发严重的安全事故[1,2]。为此，在高瓦斯煤层回采工作面煤炭开采时，采煤机上搭载有瓦斯传感器，用以实现瓦斯超限断电，提高煤炭开采安全性。受井下空间狭小、通风空间受限以及通风风量较小等多因素影响，采面风排瓦斯能力受限。一般情况下，采面瓦斯涌出量与采煤机推进速度有密切关联，为此众多学者从采面煤炭开采设计、采面瓦斯监控、瓦斯涌出预测及预警等方面展开研究[3,4,5]。以往的研究重点集中在高瓦斯智能化开采、瓦斯监控及瓦斯治理等方面，基于采面瓦斯体积分数监测对采煤机回采速度控制方面研究较少。为此，文中就以山西某矿3205综采工作面回采为研究背景，将采面瓦斯监控系统接入采煤机运行控制系统中，依据采面瓦斯体积分数变化实现采煤机运行速度动态控制，以期在保障煤炭回采安全前提下提升采煤机煤炭生产效率。

1、采煤机推进速度与瓦斯体积分数关系

1.1 工程概况

3205综采工作面设计回采3号煤层，设计走向推进长度1 980 m、倾向长度为150 m.采面回采范围内3号煤厚均值为1.6 m, 煤层顶底板岩性以粉砂岩、砂质泥岩以及炭质泥岩为主，煤层赋存较为稳定，回采区域内地质构造不发育；3号煤层原始瓦斯含量为7.9～11.3 m3/t、瓦斯压力为0.64～0.93 MPa, 煤层透气性较差且松软。3205综采工作面采用U型通风方式，额定供风量为950 m3/min, 在采面回采前通过采用底抽巷穿层钻孔、顺层钻孔方式对回采区域内煤层进行预抽，同时在回采期间通过埋管、高抽巷等方式减少采空区瓦斯涌出。

3205综采工作面布置的主要开采设备为MG2×200/930-WD1型采煤机、ZY4000/09/19D型液压支架、SGZ-764/400型刮板输送机等，并配备电液控制系统、巷道集控中心、视频监控系统、三机智能控制系统等先进的控制系统，采面自动化开采水平较高。采面在回采期间，受煤层瓦斯涌出量影响明显，采面及回风巷瓦斯体积分数均值可分别达到0.26%、0.52%,采面推进速度缓慢，煤炭产量较低。

1.2 采煤机推进速度与瓦斯体积分数关系

3205综采工作面回采过程中瓦斯体积分数较高，影响采面生产效率以及煤炭产量，采面煤炭推进速度与瓦斯涌出量有密切关联，因此有必要对采煤机运行速度进行动态调节，使采面瓦斯体积分数在合理、安全范围内。结合3205综采工作面现场条件，在采面回风上隅角、采煤机上均布置有瓦斯传感器，在0～6 m/min范围内调节采煤机运行速度。在其他参数保持不变的情况下，调整采煤机运行速度，对回风隅角以及采煤机所在位置的瓦斯体积分数进行实时监测，获取回风上隅角、采煤机位置瓦斯体积分数随采煤机运行速度的关系曲线如图1所示。

在煤炭开采期间，回风上隅角及采煤机位置瓦斯体积分数与采煤机运行速度整体上呈正相关变化趋势。

现场瓦斯体积分数监测发现，回风上隅角以及采煤机位置瓦斯体积分数较其他位置高，同时采煤机位置瓦斯体积分数较回风隅角处低，因此在实际回采期间应将回风上隅角位置作为瓦斯体积分数监测的重点。

图1 瓦斯体积分数随采煤机运行速度关系曲线

在保持其他参数不变的情况下，采煤机运行速度分别控制在2 m/min、3 m/min、4 m/min、5 m/min、6 m/min, 通过瓦斯传感器对采面中部至回风上隅角位置的瓦斯体积分数进行监测，具体结果如图2所示。

图2 上隅角瓦斯与采煤机距回风上隅角距离关系曲线

在3205综采工作面回采期间，回风上隅角位置瓦斯体积分数与采煤机距回风隅角距离呈负相关变化趋势，上隅角瓦斯体积分数峰值一般出现在采煤机回采至回风上隅角位置。

在保持采煤机位置不变的情况下，回风上隅角瓦斯体积分数与采煤机运行速度呈正相关变化趋势。

采面瓦斯体积分数受采煤机运行速度变化影响，可通过动态调节采煤机运行速度达到控制采面瓦斯体积分数的目的；反之依据瓦斯体积分数对采煤机进行调节，可确保采面瓦斯体积分数始终保持在允许范围内。

2、采煤机运行速度动态控制研究

在采面回风上隅角、采煤机、采面进风隅角、采面中部等位置均安装监测精度及可靠性较高的GJG 100J瓦斯传感器，同时将瓦斯传感器监测数据传输至采面巷道集控中心。结合采煤机姿态、位置监控系统获取采煤机与回风上隅角间距离，通过获取的瓦斯体积分数对采煤机运行速度进行远程动态调节，确保采面瓦斯体积分数始终在允许范围内，具体动态控制系统如图3所示[6,7,8]。

图3 速度动态控制系统架构

采煤机运行速度动态控制系统通过获取采面上部、中部、下部以及采煤机位置的瓦斯体积分数调节运行速度，合理确定瓦斯体积分数阈值是该系统可靠运行的关键。当设定瓦斯体积分数阈值过大时，容易导致采面瓦斯体积分数超限；设定阈值过小时则会制约煤炭开采效率。结合现场需求以及采面瓦斯体积分数超限相关规定，具体设定的瓦斯体积分数阈值为：低位0.3%、中位0.5%、高位0.7%.

采煤机运行速度动态控制策略为：当采面瓦斯体积分数≤0.3%时(即小于低阈值时),可适当增加采煤机运行速度；当采面瓦斯体积分数在0.3%～0.5%区间时(即瓦斯体积分数在低阈值至中阈值之间时),保持采煤机当前运行速度；当采面瓦斯体积分数在0.5%～0.7%区间时(即瓦斯体积分数在中阈值至高阈值时),适当降低采煤机运行速度并发出一预警信息；当采面瓦斯体积分数≥0.7%时(即瓦斯体积分数超过高阈值),采煤机立即停机并发出二预警信息。

3、现场工业试验分析

针对3205综采工作面采面瓦斯体积分数高导致回采速度慢、煤炭开采效率低等问题，提出并应用基于瓦斯体积分数监测的采煤机运行速度动态控制系统。在3205综采工作面进行工业试验时，根据上述研究成果以及采面现场情况确定采煤机运行速度，具体运行速度设定值如表1所示。同时在基于瓦斯体积分数控制调节采煤机运行速度的基础上，通过采煤机姿态定位、视频监控系统等实时获取采煤机运行位置，在靠近回风上隅角位置时对采煤机运行速度进行调整，具体控制策略为：当采煤机与回风上隅角间距在18 m以内时，将采煤机运行速度由6.0 m/min降至5.0 m/min, 避免回风上隅角瓦斯超限；当采煤机与回风上隅角间距在10 m以内时，将采煤机运行速度由5.0 m/min降至4 m/min, 进一步减少采面瓦斯涌出。

表1 瓦斯体积分数与采煤机运行速度对应结果

3205综采工作面于2022年6月10日完成采煤机运行速度动态控制系统设备安装及调试等工作。该系统经现场应用后，有效提升了采面煤炭生产连续性，采面推进速度由4.8 m/d提升至6.4 m/d, 煤炭产量增长幅度超过33.3%.系统可依据瓦斯体积分数动态控制采煤机运行速度，达到提高煤炭生产效率的目的。

4、结语

1) 为提高3205综采工作面煤炭生产效率及安全保障能力，对采面回采期间瓦斯体积分数与采煤机运行速度进行监测，发现采面瓦斯体积分数与采煤机运行速度呈正相关变化关系。为此提出基于瓦斯体积分数监测的采煤机运行速度动态控制系统，即依据采面瓦斯体积分数动态控制采煤机运行速度，达到既实现煤炭连续回采又控制采面瓦斯涌出的目的。

2) 在采面上部、中部、下部及采煤机机身上均布置瓦斯传感器，并将传感器监测数据传输至巷道集控中心，设定瓦斯体积分数阈值为：低位0.3%、中位0.5%、高位0.7%, 并具体给出采煤机运行速度动态控制策略。工程应用表明，构建的采煤机运行速度动态控制策略可依据采面瓦斯体积分数动态控制采煤机运行速度，有助于保证高瓦斯矿井采煤工作面生产持续性且避免采面瓦斯超限。

参考文献:

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[3]胥良,陈鸿垚.改进蚁群算法优化的采煤机滚筒调高控制策略[J].黑龙江科技大学学报,2023,33(2):214-220.

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文章来源:石凯强.基于瓦斯体积分数监测的采煤机运行速度动态控制研究[J].煤,2024,33(01):100-102.