自動化截割技術(shù)為滾筒采煤機按照預定的截割軌跡進行自動割煤完成截割任務(wù)的自動化技術(shù)，是自動化綜采工藝的核心技術(shù)。隨著薄煤層自動化開采的廣泛應(yīng)用，自動化截割技術(shù)也取得了長足的發(fā)展，衍生出兩類自動化截割技術(shù)：記憶切割技術(shù)與預設(shè)截割軌跡技術(shù)。記憶切割技術(shù)適用于地質(zhì)條件相對簡單的薄煤層綜采工作面；預設(shè)截割軌跡技術(shù)適用于地質(zhì)條件相對復雜，構(gòu)造發(fā)育、煤厚變化相對較大的薄煤層綜采工作面。
一、記憶截割技術(shù)
1.技術(shù)原理
記憶切割技術(shù)是目前薄煤層自動化綜采工作面最為常用的自動化截割技術(shù)。記憶切割為人工控制采煤機沿工作面煤層先割一刀作為示范刀，控制中心將示范刀內(nèi)采煤機位置及姿態(tài)信息進行記錄與存儲，在工作面正常開采期間，截割流程由示范刀揭示的采煤機控制指令根據(jù)行程傳感器采集的采煤機位置進行自動控制，當遇煤巖界面異常點時，采煤機司機根據(jù)工作面視頻監(jiān)控系統(tǒng)反饋的信息進行煤巖界面的識別，并對采煤機工況參數(shù)進行及時修正，經(jīng)修正完善的采煤循環(huán)，作為記憶切割自動化開采新的示范刀，如圖1所示。
圖1 采煤機記憶截割技術(shù)示意圖
2.適用條件
記憶切割技術(shù)實施過程中，記憶參數(shù)是由示范刀信息揭露獲得的，薄煤層綜采工作面地質(zhì)條件復雜多變，需要頻繁更新示范刀的信息實現(xiàn)記憶切割，因此記憶切割技術(shù)對地質(zhì)條件的適應(yīng)性相對較差，僅適用于煤層頂?shù)装逑鄬ζ秸?、煤層傾角、煤層厚度變化小的薄煤層工作面。
3.遠程控制
記憶切割過程中，采煤機遠程控制中心根據(jù)采煤機行程傳感器采集的采煤機行程，對應(yīng)示范刀中的采煤機工況信息對采煤機前后滾筒的參數(shù)進行記憶調(diào)整，同時，借助工作面采煤機定位定姿系統(tǒng)及視頻監(jiān)控系統(tǒng)對記憶截割自動化截割參數(shù)進行必要的輔助決策。
4.應(yīng)用案例
某煤礦8812工作面煤層厚度1.45~1.8m，平均1.64m，煤厚穩(wěn)定，工作面選用MG2×160/710-AWD型滾筒采煤機，工作面采用自動化綜采工藝，利用記憶切割自動化割煤技術(shù)。自動化工作面開采期間，輔助采煤機定姿定位技術(shù)及工作面視頻監(jiān)控技術(shù)，成功實現(xiàn)了工作面采煤機的記憶切割功能，并實現(xiàn)了斜切進刀割三角煤、清理浮煤等工序的自動控制，整個自動化工作面開采期間，滾筒采煤機自動化運行平穩(wěn)，故障率控制在3%~5%，記憶切割自動化開采實施效果良好。
3.存在問題
當遇煤厚變化異常區(qū)、構(gòu)造發(fā)育區(qū)等復雜地質(zhì)條件，記憶截割技術(shù)無法按照記憶的參數(shù)進行有效實施，降低了薄煤層自動化工作面的開采效率。針對記憶切割技術(shù)適應(yīng)性差的技術(shù)難題，提出了復雜條件薄煤層綜采工作面預設(shè)截割軌跡自動化截割技術(shù)，用以實現(xiàn)復雜地質(zhì)條件下薄煤層綜采工作面的自動化開采，提高自動化綜采工藝的適應(yīng)性及穩(wěn)定性，為復雜條件下薄煤層自動化開采提供了決策支持。
二、預設(shè)截割軌跡技術(shù)
1.制約自動化開采的關(guān)鍵技術(shù)難點
根據(jù)復雜條件薄煤層綜采工作面自動化開采的技術(shù)特點，重點探討制約自動化開采的關(guān)鍵技術(shù)難點：
（1）受薄煤層綜采工作面煤厚變化大、煤巖界面起伏不均勻的影響，自動化開采過程中采煤機難免割頂或割底，增加了薄煤層綜采工作面原煤含矸率，加劇了薄煤層開采經(jīng)濟效益差的窘境。
（2）工作面內(nèi)的斷層、褶皺等構(gòu)造的賦存是影響薄煤層安全高效開采的關(guān)鍵地質(zhì)條件，自動化綜采工作面過構(gòu)造期間，截割路徑選擇不合理，容易造成工作面割巖量的增加，甚至帶來安全隱患，地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域內(nèi)采煤機割煤軌跡的合理選擇對于降低薄煤層工作面過構(gòu)造區(qū)域內(nèi)采煤機割巖量、提高自動化開采的效率具有重要意義。
（3）自動化綜采工藝實施過程中，采煤機截割速度受工作面瓦斯、煤巖界面等的綜合影響。高瓦斯薄煤層綜采工作面開采期間，工作面瓦斯?jié)舛瘸?，造成工作面停機停產(chǎn)；薄煤層綜采工作面空間狹窄，工作面設(shè)備相對密集，嚴重影響工作面通風效果，加劇了工作面瓦斯治理的難度；自動化工作面采煤機截割過程中，對于煤巖界面的識別不清，造成采煤機的截割電流、扭矩不穩(wěn)等，增加了采煤機故障率，嚴重影響自動化工作面開采系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
2.薄煤層預設(shè)截割軌跡自動化開采模式
針對以上技術(shù)難點，提出了三種薄煤層預設(shè)截割軌跡自動化開采模式，分別為：薄煤層煤厚變化帶截割軌跡預設(shè)技術(shù)；薄煤層地質(zhì)構(gòu)造帶截割軌跡預設(shè)技術(shù)；薄煤層綜采工作面采煤機截割速度自適應(yīng)調(diào)節(jié)技術(shù)。
（1）薄煤層煤厚變化帶截割軌跡預設(shè)技術(shù)
薄煤層煤厚變化帶截割軌跡預設(shè)技術(shù)以薄煤層工作面煤厚變化的超前勘探信息為基礎(chǔ)，通過建立工作面煤厚分布的特征函數(shù)，為截割軌跡預設(shè)提供基礎(chǔ)參數(shù)。為此，提出了基于CT超前勘探的薄煤層煤厚變化帶截割軌跡預設(shè)技術(shù)。
CT探測技術(shù)是根據(jù)探測物外部的測量數(shù)據(jù)對物體內(nèi)部的物理量進行反演并得到清晰分布圖像的技術(shù)，屬于薄煤層自動化綜采工藝的安全保障技術(shù)。目前，用于工作面地質(zhì)異常體的CT探測技術(shù)主要有地震波CT、電磁波CT探測技術(shù)等。
地震波CT透射法探測以探測范圍大、方法靈活、解析容易、準確率高（大于等于85%）的優(yōu)勢在薄煤層工作面煤厚變化特征勘探方面具有良好的應(yīng)用前景。
將采集到的數(shù)據(jù)利用CT成像處理技術(shù)，得到探測區(qū)域槽波傳播的慢度分布特征，根據(jù)“慢度-煤厚”關(guān)系，將探測的慢度轉(zhuǎn)換為工作面煤厚，得到工作面探測區(qū)域內(nèi)煤厚的分布。
工作面采煤機截割軌跡預設(shè)所需的信息包括工作面煤層厚度及頂?shù)装迤鸱兓卣?，頂?shù)装迤鸱卣魍ㄟ^地質(zhì)勘探獲得。將地震波CT超前勘探的薄煤層綜采工作面煤層厚度變化信息儲存至工作面采煤機截割控制器中，預生成工作面煤厚變化帶三維信息圖，如圖2所示。
圖2 煤厚變化帶預設(shè)截割軌跡示意圖
將工作面煤厚變化帶三維信息傳遞給采煤機截割高度控制器，截割高度控制器是采煤機截割軌跡預設(shè)的控制設(shè)備，負責控制采煤機截割高度的遠程控制及就地控制。兼顧薄煤層綜采工作面原煤含矸率及自動化實施效果，對薄煤層煤厚變化異常區(qū)內(nèi)采煤機的截割軌跡進行優(yōu)化，提出了薄煤層“浮動采高”預設(shè)截割軌跡自動化割煤技術(shù)，即沿工作面傾向及走向兩個方向上，隨著工作面的推進，依據(jù)薄煤層煤厚變化分區(qū)域進行預設(shè)采高，截割高度控制器根據(jù)預設(shè)的截割高度實時調(diào)整采煤機滾筒達到采煤機自動化截割的目的。
薄煤層煤厚變化帶“浮動采高”預設(shè)截割軌跡自動化開采流程與正?；夭深愃?，“浮動采高”割煤技術(shù)的實質(zhì)為采高的實時調(diào)整?！案硬筛摺鳖A設(shè)截割軌跡技術(shù)實施過程中，采煤機截割高度隨采煤機位置頻繁變化，參照工作面預設(shè)采高的變化規(guī)律，工作面實際截割高度需要實時進行調(diào)節(jié)。
“浮動采高”預設(shè)軌跡截割技術(shù)實施前，選擇采煤機前滾筒中心為基準點，作為采煤機定位的參考點，根據(jù)采煤機的結(jié)構(gòu)特點及浮動采高參數(shù)，確定隨采煤機位置變化采煤機前后滾筒的工作參數(shù)?！案硬筛摺鳖A設(shè)軌跡實施過程中，通過參考采煤機行程傳感器的反饋信息，對采煤機前后滾筒進行自動化控制。“浮動采高”截割軌跡預設(shè)的信息基礎(chǔ)為CT探測揭露的薄煤層綜采工作面煤層厚度數(shù)字化模型，實現(xiàn)薄煤層自動化截割還需要辨別工作面煤層頂?shù)装迤鸱卣?，只有在煤層厚度與頂?shù)装迤鸱卣餍畔⑼暾那闆r下，才能有效實施預設(shè)截割軌跡的自動化開采，為此，通過利用可視化視頻監(jiān)控系統(tǒng)對采煤機前后滾筒的工況及開采環(huán)境進行實時監(jiān)控，在一定程度上實現(xiàn)滾筒截割位置處的煤巖界面識別，為薄煤層綜采工作面“浮動采高”預設(shè)截割軌跡自動化割煤提供決策輔助。
某礦22120工作面煤層厚度0.8~1.8m，平均煤厚1.3m，煤層厚度變化較大，屬于不穩(wěn)定薄煤層開采的范疇，工作面選擇MG200/456-WD型滾筒采煤機，采煤機采高范圍1.1~2.4m。為適應(yīng)薄煤層綜采工作面煤厚的變化規(guī)律，降低原煤含矸率，提高薄煤層自動化開采程度，工作面進行了“浮動采高”自動化割煤技術(shù)的工業(yè)性試驗，采煤機按照預設(shè)的“浮動采高”截割軌跡進行自動化割煤，對實施前后薄煤層綜采工作面原煤含矸率進行了實測統(tǒng)計，結(jié)果如圖3所示。
圖3 “浮動采高”預設(shè)截割軌跡技術(shù)實施效果
現(xiàn)場工業(yè)性試驗表明，利用薄煤層綜采工作面“浮動采高”自動化割煤技術(shù)的平均原煤含矸率較實施前由26.5%降低至13.5%，降低了13%，采煤機故障率約降低20%，顯著提高了薄煤層自動化開采的經(jīng)濟性與可靠性。
（2）薄煤層地質(zhì)構(gòu)造帶截割軌跡預設(shè)技術(shù)。
地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域內(nèi)采煤機截割軌跡的預設(shè)是實現(xiàn)薄煤層自動化開采的關(guān)鍵技術(shù)，基于工作面地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域內(nèi)的超前勘探結(jié)果，對薄煤層工作面過地質(zhì)構(gòu)造帶截割軌跡進行預設(shè)。為此，提出了基于電磁波CT超前勘探薄煤層地質(zhì)構(gòu)造帶截割軌跡預設(shè)技術(shù)。
1）工作面過斷層采煤機截割軌跡預設(shè)原理
電磁波CT探測技術(shù)是一種根據(jù)觀測數(shù)據(jù)對工作面內(nèi)介質(zhì)吸收電磁波的能力進行反演，實現(xiàn)工作面內(nèi)部介質(zhì)特征的立體成像，目前已廣泛應(yīng)用于井下工作面內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造探測。
以某礦22402薄煤層綜采工作面實際條件為基礎(chǔ)，進行電磁波CT探測技術(shù)的應(yīng)用試驗，22402工作面主采2#煤層，煤層厚度1.2~2.0m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，工作面掘進期間共揭露22條斷層，落差0.5~20m，工作面斷層發(fā)育，可能存在隱伏斷層。為此，工作面開采前期，有必要采用電磁波CT探測技術(shù)揭示工作面前方斷層構(gòu)造的發(fā)育特征，為薄煤層工作面過構(gòu)造帶預設(shè)截割軌跡提供基礎(chǔ)參數(shù)。
利用電磁波CT探測技術(shù)得到的斷層產(chǎn)狀特征，包括斷層落差、斷層傾角、斷層范圍等，以探測的斷層參數(shù)為基礎(chǔ)（如圖4所示），以采煤機過斷層割巖量最小為軌跡預設(shè)原則，斷層區(qū)內(nèi)采煤機截割軌跡預設(shè)即確定兩個三角形（△ABC、△EFG）面積之和取最小值條件下采煤機截割軌跡，由幾何關(guān)系得到采煤機過斷層區(qū)截割軌跡的數(shù)學表達式：
直線BD：
直線FH：
式中：γ——過斷層期間采煤機的最大仰角，°；
m——工作面煤層厚度，m。
圖4 “浮動采高”預設(shè)截割軌跡技術(shù)實施效果
2）工作面過褶皺采煤機截割軌跡預設(shè)原理
采用煤層槽波的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)做CT成像分析褶皺的產(chǎn)狀，包括褶皺的底面半徑、頂面半徑、煤層厚度、圓弧長度、圓心角等，以探測的褶皺參數(shù)為基礎(chǔ)條件（如圖5所示），以采煤機過褶皺期間割巖量最小為截割軌跡預設(shè)原則，提出了工作面分段過褶皺采煤機截割軌跡預設(shè)技術(shù)，由幾何關(guān)系可以計算得到工作面分段過褶皺時采煤機預設(shè)截割軌跡的數(shù)學表達式，為
直線AB：y=a+m
直線CD：y=a
其中，m為工作面煤層厚度，m；a為一常數(shù)，由面積S1和面積S2相等時求得，面積S1表達式為：
面積S2表達式為：
式中：為圓弧褶皺的頂面半徑，為圓弧褶皺的底面半徑，為圓弧褶皺分段對應(yīng)的圓心角，由求得，為圓弧褶皺對應(yīng)的圓心角，為工作面分段過褶皺時的分段數(shù)目。
圖5 工作面分段過褶皺采煤機最優(yōu)截割軌跡示意圖
3）薄煤層地質(zhì)構(gòu)造帶截割軌跡預設(shè)實施思路
薄煤層地質(zhì)構(gòu)造帶截割軌跡預設(shè)包括斷層區(qū)域采煤機截割軌跡預設(shè)及褶皺區(qū)域采煤機截割軌跡預設(shè)兩類，根據(jù)以上截割軌跡預設(shè)原則，可以得出：
構(gòu)造區(qū)域采煤機截割軌跡預設(shè)實質(zhì)是采煤機過構(gòu)造區(qū)域內(nèi)切割巖石高度、層位的預設(shè)，通過采煤機位置、位態(tài)的反饋實時調(diào)節(jié)采煤機前后滾筒切割巖石的高度，以達到采煤機按照預定截割路線進行自動化切割。以薄煤層自動化綜采工作面過正斷層由上盤往下盤推進為例，構(gòu)建了預設(shè)截割軌跡技術(shù)過構(gòu)造帶開采流程，如圖6所示。
圖6 工作面過正斷層預設(shè)截割軌跡技術(shù)實施流程
采煤機按照預設(shè)的截割軌跡過斷層、褶皺構(gòu)造區(qū)域，采煤機割巖量最小，減少了采煤機截齒磨損，為提高薄煤層自動化開采系統(tǒng)穩(wěn)定性提供了良好的技術(shù)思路。
構(gòu)造發(fā)育區(qū)預設(shè)軌跡截割技術(shù)實施前，選擇采煤機前滾筒中心為基準點，作為采煤機定位的參考點，根據(jù)采煤機的結(jié)構(gòu)特點及預設(shè)截割軌跡的參數(shù)，確定隨采煤機位置變化采煤機前后滾筒的工作參數(shù)。預設(shè)軌跡實施過程中，通過參考采煤機行程傳感器的反饋信息，對采煤機前后滾筒進行自動化控制。構(gòu)造帶截割軌跡預設(shè)的信息基礎(chǔ)為超前探測揭露的構(gòu)造帶地質(zhì)信息數(shù)字化模型，鑒于構(gòu)造帶位置工作面開采環(huán)境較為復雜的特點，通過利用可視化視頻監(jiān)控系統(tǒng)對采煤機前后滾筒的工況及開采環(huán)境進行實時監(jiān)控，在一定程度上實現(xiàn)滾筒截割位置處的煤巖界面識別，為薄煤層綜采工作面預設(shè)截割軌跡過構(gòu)造帶提供決策輔助。
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