項目名稱: 大采高自動化綜放工作面安全高效綜合配套技術(shù)研究

申報單位: 山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司王莊煤礦

主要完成人：劉克功  肖亞寧  周志利  賈雙春  楊建立  

牛宏偉  趙學(xué)雷  蘇  海  王  睿  李宗濤  

董宗斌  翟利斌  韓月強(qiáng)  楊曉國  王  鋒

主要完成單位: 山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司王莊煤礦

中國礦業(yè)大學(xué)

山西潞安機(jī)電修造公司

專業(yè)（學(xué)科）分類名稱代碼: 采煤專業(yè)

所屬國民經(jīng)濟(jì)行業(yè):B類型

任務(wù)來源：自選

計劃（基金）名稱和編號：無

項目起止時間：2006年6月-2007年8月

項目簡介：綜放開采技術(shù)經(jīng)過二十多年的發(fā)展，目前已經(jīng)成為我國厚煤層的主要開采方法之一。普通綜放開采存在采放比例不盡合理，割放煤不同步；工作面有效通風(fēng)斷面小、產(chǎn)量增大帶來瓦斯相對涌出量增大和上隅角瓦斯超限問題；工序復(fù)雜，工作面用人較多，放煤受人為因素影響較大，煤質(zhì)和采出率穩(wěn)定性波動較大等問題。為了進(jìn)一步完善和提高綜放開采技術(shù)自動化方向發(fā)展，潞安王莊煤礦、中國礦業(yè)大學(xué)和潞安機(jī)電修造公司等共同組成課題組，以普通綜放開采技術(shù)存在缺陷和問題為突破口，率先進(jìn)行了大采高自動化綜放工作面安全高效綜合配套技術(shù)研究。

本項目研制了大采高自動化綜放液壓支架和新型大采高綜放工作面端頭支架，進(jìn)行了大采高綜放工作面設(shè)備的配套選型，采用系統(tǒng)集成的方式研究大采高自動化綜放工作面工藝、運(yùn)輸系統(tǒng)及生產(chǎn)保障系統(tǒng)的自動化監(jiān)測控制技術(shù)。現(xiàn)場實測分析大采高綜放工作面煤巖的運(yùn)移規(guī)律及煤巖的破碎塊度特征，采用散體模型研究大采高綜放開采的煤矸流場特征，確定了大采高綜放開采的放煤工藝參數(shù)。針對工作面端部頂煤冒放性相對較差的特點，在工作面端部試驗研究振動放頂煤技術(shù)?，F(xiàn)場實測研究大采高綜放工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，分析大采高綜放支架的承載特征及適應(yīng)性。研究了大采高綜放工作面瓦斯治關(guān)鍵技術(shù)和礦井綜合防塵技術(shù)。試驗研究聲音頻譜煤矸識別與自動放煤技術(shù)。

為了進(jìn)一步完善和提高綜放開采的技術(shù)優(yōu)勢，特別是為了將放頂煤開采技術(shù)向自動化方向發(fā)展，掌握和應(yīng)用更高層次的技術(shù)水平，王莊煤礦、中國礦業(yè)大學(xué)等共同組成課題組，以普通綜放開采技術(shù)存在的三大缺陷和問題為突破口，率先進(jìn)行了大采高自動化綜放工作面安全高效綜合配套技術(shù)研究。項目采用現(xiàn)場調(diào)研分析、理論研究、實驗研究、工業(yè)性試驗和現(xiàn)場實測研究相結(jié)合的綜合研究方法進(jìn)行，并在王莊煤礦進(jìn)行試驗，取得了成功。

立項背景：綜放開采技術(shù)是由潞安集團(tuán)率先試驗成功的厚煤層采煤技術(shù)，該項技術(shù)于1997年獲煤炭部科技進(jìn)步特等獎；經(jīng)過近二十年的發(fā)展，目前已經(jīng)成為我國厚煤層的主要開采方法之一。但是，綜采放頂煤技術(shù)中還有許多難題沒有充分解決，一是普通綜放開采雖然實現(xiàn)多點同時出煤，但由于采放比例不盡合理，割放煤不同步，割煤等放煤現(xiàn)象比較普遍；二是工作面有效通風(fēng)斷面小、產(chǎn)量增大帶來瓦斯相對涌出量增大和上隅角瓦斯超限問題，制約了安全高效水平的進(jìn)一步發(fā)展；三是工序復(fù)雜，工作面用人較多，同時放煤受人為因素影響較大，煤質(zhì)和采出率穩(wěn)定性波動較大。因此綜放技術(shù)的優(yōu)勢還遠(yuǎn)遠(yuǎn)未發(fā)揮出來，發(fā)展?jié)摿€很大。

目前，放頂煤支架最大高度一般在3.5m以下，機(jī)采高度3.2m以下，隨著國內(nèi)煤礦機(jī)械化開采步伐的加快以及地質(zhì)條件的變化，這些支架的性能已經(jīng)不能完全滿足厚及特厚煤層機(jī)械化開采的要求。

結(jié)合綜放開采和大采高綜采兩種采煤方法的優(yōu)點，厚及特厚煤層采用大采高綜放開采，避免了大采高綜采面采煤機(jī)割煤過高造成煤壁片幫的問題，同時也克服了綜放開采由于割煤高度小導(dǎo)致采煤機(jī)、前部刮板輸送機(jī)能力得不到充分利用的問題，適應(yīng)性好，是綜放面提高工作面產(chǎn)量和安全的主要途徑。同時，新版《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定放煤高度不能超過3倍的機(jī)采高度，即在煤機(jī)割煤高度給定的條件下，綜放開采一次采放的總厚度受到限制，對于部分特厚煤層將不能實現(xiàn)采用普通綜放開采一次采煤層全厚。因此，大采高綜放開采是未來我國厚及特厚煤層實現(xiàn)安全高產(chǎn)高效開采的重要途徑。

2005年集團(tuán)公司在前期調(diào)研的基礎(chǔ)上，決定將放頂煤開采技術(shù)由機(jī)械化方向向自動化方向發(fā)展。為了進(jìn)一步完善和提高綜放開采的技術(shù)優(yōu)勢，特別是為了將放頂煤開采技術(shù)向自動化方向發(fā)展，以普遍綜放開采技術(shù)存在的三大缺陷和問題為突破口，率先進(jìn)行了大采高自動化綜放工作面安全高效綜合配套技術(shù)研究。

大采高綜放開采能解決普通綜采放頂煤技術(shù)中存在的許多難題，同時提高了綜放開采一次采放的總厚度，進(jìn)一步拓寬綜采放頂煤技術(shù)的應(yīng)用范圍。放頂煤由于煤矸互混，塊度大小不一，方位變化不定，綜放工作面的自動化的難度遠(yuǎn)大于一般工作面。因此，開展大采高自動化綜放工作面安全高效綜合配套等關(guān)鍵技術(shù)研究，對于推動我國安全高效礦井建設(shè)，實現(xiàn)煤炭開采技術(shù)的自動化具有重要的理論價值和現(xiàn)實意義。

總體思路：結(jié)合綜放開采和大采高綜采兩種采煤方法的優(yōu)點，采用大采高綜放開采實現(xiàn)厚及特厚煤層的安全高效開采。大采高綜放開采，即工作面采煤機(jī)割煤高度大于3.5m的綜放開采。由于大采高綜放工作面割煤高度加大，放煤高度相應(yīng)減小，不僅可增大工作面通風(fēng)斷面、降低工作面風(fēng)阻、縮短放煤時間、提高工作面回收率與單產(chǎn)，而且為工作面支架后部通風(fēng)與放煤提供了空間，為工作面放煤口附近瓦斯稀釋提供了保證，有利于工作面實現(xiàn)均衡生產(chǎn)；而且工作面割煤高度加大，為充分利用當(dāng)前大功率采煤機(jī)與輸送機(jī)創(chuàng)造了條件，可增加工作面割煤量；工作面采用大采高支架，為工作面配備大功率后部輸送機(jī)提供了空間，并有利于頂煤的垮落；大功率后部輸送機(jī)為工作面增加放煤口數(shù)量提供了保證；隨著大采高支架的高度增加，可有效減少循環(huán)移架、放煤時間，有效地縮短工作面循環(huán)時間，加快工作面推進(jìn)速度，是綜放開采進(jìn)一步實現(xiàn)高產(chǎn)高效的途徑。

圖1  大采高綜放開采的優(yōu)勢

分析目前國內(nèi)外安全高效工作面的特點及技術(shù)裝備情況，結(jié)合礦區(qū)的特點，選取王莊煤礦6203工作面為項目實施地點，確定工作面布置及設(shè)備選型原則。采用模擬實驗和理論研究大采高綜放開采條件下采場支架與圍巖關(guān)系、煤巖的活動規(guī)律；確定大采高綜放液壓支架設(shè)計的目標(biāo)和主要技術(shù)參數(shù)。根據(jù)潞安礦區(qū)的具體地質(zhì)條件和大采高綜放開采的礦壓特點，確定合適的液壓支架架型，完成液壓支架與液壓控制系統(tǒng)的配套設(shè)計；優(yōu)化液壓支架結(jié)構(gòu)并進(jìn)行液壓支架結(jié)構(gòu)件有限元計算，研制整體頂梁的ZF7000/20/40大采高放頂煤液壓支架和大采高綜放工作面端頭支護(hù)的側(cè)向自移式端頭液壓支架。根據(jù)國內(nèi)外綜采設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀，確定能滿足工作面生產(chǎn)能力要求的采煤機(jī)、運(yùn)輸機(jī)及其它配套設(shè)備。

綜放開采時機(jī)采高度變化，引起采放比變化，將導(dǎo)致采場采動應(yīng)力；基于此形成通過調(diào)節(jié)采放比來調(diào)節(jié)礦山壓力的思想和方法，即通過改變綜放面的機(jī)采高度，調(diào)節(jié)采放比，進(jìn)而調(diào)節(jié)礦山壓力的變化，改變煤壁塑性區(qū)寬度和支承壓力影響范圍，從而調(diào)節(jié)礦山壓力的破煤效果和工作面圍巖的穩(wěn)定性，使厚及特厚煤層滿足放頂煤開采“架前完整、架后破碎”的基本要求。

實測研究大采高綜放工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和煤巖運(yùn)移規(guī)律，分析大采高綜放工作面支架圍巖關(guān)系及支架穩(wěn)定性。基于頂煤破斷冒放的塊度理論，采用散體模型試驗和理論研究大采高綜放開采放煤口參數(shù)和煤矸放出的流動場特征，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化大采高綜放開采放煤工藝參數(shù)。加大綜放工作面的機(jī)采高度，調(diào)節(jié)采放比，進(jìn)而調(diào)節(jié)礦山壓力的變化，改變了煤壁塑性區(qū)寬度和支承壓力影響范圍，從而改善了頂煤的冒放性，提高頂煤放出率；且煤機(jī)割煤采出率整體大于頂煤放出率，加大機(jī)采高度與頂煤放出率提高共同提高工作面的采出率。采用振動的辦法，改變大塊頂煤的流動性，形成工作面端部改善放煤效果的振動放煤技術(shù)。根據(jù)放煤口放出煤矸的聲音頻譜信號差異，試驗研究聲音頻譜煤矸識別技術(shù)，為自動終止放煤提供依據(jù)，解決綜放工作面實現(xiàn)自動化放煤的技術(shù)“瓶頸”。

將電液控制技術(shù)應(yīng)用于大采高四柱支撐掩護(hù)式綜放設(shè)備，采用漢字顯示，開發(fā)適合于采放工藝要求的自動跟機(jī)控制程序，達(dá)到采放平衡。采用本安型工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，通過Modbus/TCP總線、標(biāo)準(zhǔn)的OPC接口，實現(xiàn)系統(tǒng)控制臺對工作面設(shè)備的集中控制，實現(xiàn)了綜放工藝自動化。實現(xiàn)主運(yùn)輸、供電設(shè)備的地面集中控制，無人值守。大幅度提高綜放工作面及環(huán)節(jié)系統(tǒng)自動化水平、安全可靠性，達(dá)到減人提效的目的。

采用大采高綜放支架增大工作面有效通風(fēng)斷面，形成以綜放沿空小斷面留巷技術(shù)和工作面分源治理瓦斯技術(shù)為特征的大采高綜放開采J型通風(fēng)系統(tǒng)治理瓦斯涌出的關(guān)鍵技術(shù)，解決工作面因產(chǎn)量提高而帶來的瓦斯涌出量增大和上隅角瓦斯超限問題。采用未掘成前加固和掘成后的加固的方法，解決工作面風(fēng)巷變形量大，無法實現(xiàn)快速掘進(jìn)和通風(fēng)能力受到影響的難題，形成了小煤柱錨網(wǎng)巷道注漿加固支護(hù)技術(shù)。將供給的高壓水轉(zhuǎn)化成控制采煤機(jī)滾筒割煤產(chǎn)塵源向外擴(kuò)散的汽霧流屏障和局部含塵風(fēng)流凈化除塵系統(tǒng)，實現(xiàn)對采煤機(jī)滾筒割煤產(chǎn)塵的就地凈化、阻止和減少粉塵向外擴(kuò)散，形成采煤機(jī)二次負(fù)壓電控架間噴霧降塵技術(shù)。最后進(jìn)行大采高自動化綜放工作面安全高效綜合配套技術(shù)的工業(yè)性試驗和技術(shù)完善。

技術(shù)方案：一、大采高自動化綜放工作面設(shè)備配套技術(shù)支架設(shè)計的目標(biāo)為（1）通過50000次壽命試驗，生產(chǎn)原煤1000萬t不大修；（2）電液控制，移架速度小于11s/架。根據(jù)大采高綜放開采礦壓特點研制的ZF7000/20/40型大采高四柱支撐掩護(hù)式低位綜放液壓支架有如下特點：

（1）工作阻力大，切頂能力及抗沖擊能力強(qiáng)；

（2）后部放煤空間大，支架尾梁可以向上旋轉(zhuǎn)62°，增大了后部運(yùn)輸機(jī)的過煤高度，加大了支架插板的行程，插板行程700mm，增加了放煤口尺寸 ；

（3）采用整體式雙前連桿、單后連桿型式，大大提高了支架的抗扭能力和橫向穩(wěn)定性。

（4）采用雙活動側(cè)護(hù)板，便于采區(qū)倒面。支架側(cè)護(hù)板收回時最小寬度1430mm，側(cè)護(hù)板展開后最大寬度1600mm。

（5）支架采用2根φ250的雙伸縮前立柱和2根φ230的雙伸縮后立柱，調(diào)高范圍大，采高適應(yīng)性強(qiáng)。

（6）提高了支架的初撐力。支架初撐力達(dá)到支架工作阻力的81%以上；同時加大前梁千斤頂缸徑，其缸徑為φ200，增加了前梁對頂煤的支撐力，提高了支架對新暴露頂板的控制能力。

圖2  ZF7000/20/40型大采高四柱支撐掩護(hù)式低位綜放液壓支架

研制了適合大采高綜放工作面端頭支護(hù)特點的位于外幫的ZDWX-07型側(cè)向自移式端頭液壓支架。該端頭支架具有適應(yīng)巷道和工作面寬度變化，前推后拉與轉(zhuǎn)載機(jī)同步前進(jìn)，與轉(zhuǎn)載機(jī)、運(yùn)輸機(jī)、排頭支架不接觸，結(jié)構(gòu)簡單，管理使用簡便，適應(yīng)性強(qiáng)等特點。研制了回風(fēng)巷超前維護(hù)循環(huán)支移支架，該支架具有能適應(yīng)動壓巷道變形量要求，避免了對頂板的反復(fù)支撐，可根據(jù)巷道斷層尺寸進(jìn)行頂梁調(diào)節(jié)和護(hù)幫機(jī)構(gòu)等特點。

 

圖3  ZDWX-07型側(cè)向自移式端頭液壓支架結(jié)構(gòu)示意圖

  

圖4  ZDWX-07型側(cè)向自移式端頭液壓支架地面調(diào)試

6203大采高自動化綜放工作面設(shè)備選型配套有如下特點：（1）增大了工作面刮板機(jī)配套功率，并使用雙速電機(jī)，刮板鏈型號提高，有效減少了斷鏈和傳動部事故的發(fā)生；（2）自行研制并成功使用了采煤機(jī)截割滾筒內(nèi)噴霧裝置，有效降低了工作面煤塵濃度，改善了工作面環(huán)境；（3）工作面配套使用了大功率移變，并實行雙回路供電和備用回路帶電熱備用，提高了工作面供電可靠性；（4）選用大流量乳化液泵站，實行雙泵雙回路供液，提高工作面支架供液系統(tǒng)的流量、壓力；（5）工作面安裝TK-200通訊控制一體化系統(tǒng)，實現(xiàn)了對關(guān)鍵設(shè)備的集中控制和負(fù)荷檢測。

二、大采高綜放工作面煤矸流場特征及工藝參數(shù)優(yōu)化

與普通采高綜放工作面相比，大采高綜放開采頂煤開始張裂的位置前移了1m左右，張裂縫的傾角增大3°，頂煤的垮落角增大15°，張裂縫切割頂煤的間距減小約500mm，相同位置的裂縫寬度也有所增加。

圖5  6203大采高綜放工作面頂煤變形素描圖（單位：mm）

在大采高綜放開采條件下，頂煤的始動點超前煤壁的距離較大，頂煤的破斷角增大，頂煤超前支架切頂線冒落，頂板滯后頂煤垮落的距離減小，頂煤破碎塊度變小，頂煤的冒放性改善。

圖6  頂煤及頂板位移變化曲線

基于以頂煤破斷塊度為特征量的塊度理論，分析得出了大采高綜放開采煤矸流場特征主要表現(xiàn)為：①頂煤放落后的煤矸分界線的斜率變陡；②放煤過程中煤矸的流動速度變快，煤矸分界線與支架頂梁末端的距離縮??；③受采放比、掩護(hù)梁角度和放煤口尺寸變化影響而易于混矸。

圖7  頂煤破斷冒放的塊度理論框架

    

（a）移架前              （b）移架后放煤前              （c）放煤后

圖8  采高3.6m時煤矸流動形態(tài)

大采高綜放開采煤矸分界線和頂煤始動線之間的間隔層寬度隨著放煤步距的加大而增加。合理的放煤步距應(yīng)保證移架后放煤前的煤矸分界線應(yīng)略偏后于尾梁下部邊界。在王莊礦大采高低位綜放開采條件下，最佳放煤步距與放煤方式的組合形式應(yīng)是“兩采一放雙輪順序放煤”。

表1  不同放煤步距放煤效果對比

表2  放煤方式實驗結(jié)果

序號	頂煤厚度/m	頂煤放出率/%				備注
		間單	順單	順多	間多
1	3.0	57.78	55.21	63.98	59.26	含矸率不大于1%
2	4.8	76.62	64.41	81.62	75.17
3	6.9	77.85	64.95	89.42	86.74

表3  6203工作面放煤工藝試驗結(jié)果

 

采用振動放頂煤技術(shù)破壞了重力放煤過程中形成的鉸接拱結(jié)構(gòu)，從而大幅度地降低了放頂煤過程中的成拱概率，提高了工作面端部頂煤的放出率。基于煤和矸石的聲音頻譜差異，試驗研究了聲音頻譜煤矸識別與自動放煤技術(shù)。

三、大采高綜放工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律與支架適應(yīng)性

與相鄰非大采高綜放工作面相比，具有以下特點：

（1）工作面來壓步距基本相同，采高增加后，對老頂?shù)钠茢嘁?guī)律沒有明顯影響；

（2） 大采高綜放工作面來壓期間動載系數(shù)1.63，提高了27.3%；

（3）老頂周期來壓期間，工作面上中下三個部位支架最大工作阻力平均5061.15kN、6463.4kN和5178.9kN，分別占額定額工作阻力的72.3%、92.3%和73.98%；

（4）支架末阻力占其額定工作阻力的比例的分布較分散，基本呈均勻分布，而時間加權(quán)阻力基本呈正態(tài)分布；

（5）支架的工作特性主要呈現(xiàn)先增后降與先降后升狀態(tài)；

（a）末阻力                          （b）時間加權(quán)阻力

圖9  工作面中部阻力分布

（6）現(xiàn)場實測統(tǒng)計表明，片幫深度主要在150～300mm范圍，占統(tǒng)計總數(shù)的63.6％，而大于450mm的頻率占13.6％。冒頂高度小于600mm；

圖10  片幫深度分布

（7）實測支架頂梁的仰俯角分布范圍為-0.5°～1.5°，最大仰角為1.5°，最大俯角為6°，支架位態(tài)良好；

（8）從對煤壁片幫和端面冒頂?shù)目刂菩Ч峡?，大采高綜放支架的支護(hù)參數(shù)及結(jié)構(gòu)形式能夠適應(yīng)大采高綜放工作面的圍巖活動規(guī)律，保證了工作面的高效生產(chǎn)，具有良好的適應(yīng)性。

四、大采高綜放工作面自動化控制技術(shù)研究

工作面自動化系統(tǒng)集成采用三級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即信息層、傳輸層和監(jiān)控層，每一層均采用成熟的信息與控制技術(shù)，對工作面單個設(shè)備工況及整個生產(chǎn)系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行精確實時監(jiān)測與控制，實現(xiàn)了工作面生產(chǎn)過程自動化和生產(chǎn)信息計算機(jī)管理網(wǎng)絡(luò)化。

系統(tǒng)集成的配套子系統(tǒng)包括： 1）采煤機(jī)子系統(tǒng)； 2）運(yùn)輸設(shè)備集控子系統(tǒng)； 3）泵站集控子系統(tǒng)； 4）負(fù)荷中心；5）頂板離層。

綜放工作面自動化的關(guān)鍵是液壓支架的電液控制，尤其是放煤的電液自動控制。本項目采用PM31電液控制系統(tǒng)對液壓支架實施多功能、高效率、自動化控制。6203工作面PM31系統(tǒng)具體功能主要包括：

（1）用按鍵對單個支架（鄰架）單動作的非自動控制；

（2）對單個支架（鄰架）的降柱→移架→升柱動作施行自動順序聯(lián)動；

（3）成組自動控制；

圖11  大采高綜放工作面自動化的總體要求

 

圖12  大采高綜放工作面自動化功能體系

（4）支柱在工作中發(fā)生卸載時的自動補(bǔ)壓功能；

（5）閉鎖及緊急停止功能；

（6）信息功能；

（7）以采煤機(jī)位置為依據(jù)的支架自動控制；

（8）跟機(jī)自動化。

 

 

圖13  6203工作面系統(tǒng)集成圖

液壓支架電液控制系統(tǒng)由工作面支架監(jiān)控系統(tǒng)、采煤機(jī)位置監(jiān)測系統(tǒng)、平巷主機(jī)系統(tǒng)組成。每個支架安設(shè)了控制單元系統(tǒng)并聯(lián)接形成了一個控制網(wǎng)絡(luò)；可監(jiān)控工作面支架、輸送機(jī)和采煤機(jī)的運(yùn)行情況，并實現(xiàn)對單個支架或者一組支架自動補(bǔ)液、推溜和移架。

工作面工藝自動化技術(shù)主要包括：（1）采煤機(jī)自動進(jìn)刀與割煤技術(shù)；（2）工作面自動移架與推溜技術(shù)；（3）自動放煤技術(shù)，實現(xiàn)人工啟動成組按時間控制自動放煤，必要時人工單架找補(bǔ)的半自動放煤，根據(jù)后部運(yùn)輸機(jī)負(fù)荷實現(xiàn)放煤口數(shù)量和組數(shù)的自動控制。

利用支架電液控制系統(tǒng)和采煤機(jī)自動監(jiān)控系統(tǒng)的控制原理和可編程功能，設(shè)計了采煤機(jī)進(jìn)刀與割煤、移架與推溜和放煤的自動控制流程，實現(xiàn)了綜放工作面工藝過程（采煤機(jī)進(jìn)刀與割煤、移架與推溜、放煤）的自動化。

（a）

（b）

圖14  移架推溜控制過程

大采高綜放工作面運(yùn)輸及生產(chǎn)保障系統(tǒng)集成技術(shù)：

（1）工作面集控臺首次采用防爆型ups電源，提高了系統(tǒng)集中控制的可靠性。

（2）工作面首次采用本安型環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，保障數(shù)據(jù)通信的高速傳輸。

（3）首次在皮帶機(jī)頭設(shè)置集控臺，實現(xiàn)工作面設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

（4）首次采用modbus/TCP現(xiàn)場總線技術(shù)，實現(xiàn)工作面各種設(shè)備與系統(tǒng)集成主機(jī)的通訊。

（5）首次采用標(biāo)準(zhǔn)的opc接口技術(shù)，將系統(tǒng)集成主機(jī)與電液控主機(jī)數(shù)據(jù)快速提供給第三方，實現(xiàn)在地面的集中監(jiān)控。

（6）自動化工作面供電監(jiān)控系統(tǒng)首次采用樹型結(jié)構(gòu)及多線結(jié)構(gòu)，監(jiān)控分站與高、低壓開關(guān)間采用點對點通訊方式，可同時獲取各開關(guān)數(shù)據(jù)。滿足自動化工作面供電系統(tǒng)快速反映要求，在遙測的基礎(chǔ)上，首次引入了遙控、遙調(diào)功能。

清水保障系統(tǒng)：取自奧灰水，全封閉供水系統(tǒng)，加超高精度凈水器和高精度過濾器，內(nèi)外噴型鋼鐵管，水泵調(diào)節(jié)供水，水質(zhì)精度可達(dá)10μm。

系統(tǒng)集成子系統(tǒng)：工作面控制器TK200；皮帶控制器TK200；三機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)；采煤機(jī)系統(tǒng)；泵站控制系統(tǒng)；負(fù)荷中心；頂板離層監(jiān)測系統(tǒng)。

運(yùn)輸與生產(chǎn)保障系統(tǒng)的自動監(jiān)測與控制系統(tǒng)整體工作狀態(tài)較好。刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、皮帶、泵站、負(fù)荷中心以及頂板離層的監(jiān)測、報警與控制功能保證了工作面外圍系統(tǒng)的安全生產(chǎn)，為優(yōu)化生產(chǎn)工藝，提高工作面效率創(chuàng)造了條件。

  

 

圖15  工作面控制器TK200

  

圖16  皮帶控制器TK200                 圖17  三機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)

  

圖18  采煤機(jī)系統(tǒng)                 圖19  泵站控制系統(tǒng)

  

圖20  負(fù)荷中心

   

圖21  頂板離層監(jiān)測系統(tǒng)

6203大采高自動化綜放工作面整個循環(huán)過程設(shè)備動作配合嚴(yán)密、運(yùn)動關(guān)系協(xié)調(diào)，工序完成流暢，尤其是自動化移架與推溜技術(shù)和放煤的半自動化控制技術(shù)使工作效率分別提高了29.6%和57.9%。支架自動補(bǔ)液技術(shù)使平均初撐力提高了27.5%，支架初撐力得到了保障。

五、大采高自動化綜放工作面安全關(guān)鍵技術(shù)

大采高放頂煤開采條件下，由于開采強(qiáng)度和工作面產(chǎn)量的增大，進(jìn)行瓦斯的有效防治是確保工作面安全順利生產(chǎn)的重要保障。6203大采高綜放工作面采用E+J型通風(fēng)系統(tǒng) ，即運(yùn)輸順槽進(jìn)風(fēng)、回風(fēng)順槽和采空區(qū)沿空留專用排瓦斯尾巷回風(fēng) 。該通風(fēng)系統(tǒng)主要關(guān)鍵技術(shù)有：綜放沿空小斷面留巷技術(shù)，高瓦斯涌出工作面通風(fēng)方法分源治理瓦斯技術(shù)。

形成了以綜放沿空小斷面留巷技術(shù)和工作面分源治理瓦斯技術(shù)為特征的大采高綜放開采J型通風(fēng)系統(tǒng)治理瓦斯涌出的關(guān)鍵技術(shù)，6203綜放工作面正常生產(chǎn)期間各測點瓦斯?jié)舛戎灯椒€(wěn)正常。

圖22  6203工作面瓦斯尾巷支護(hù)示意圖 圖23 工作面正常生產(chǎn)與高產(chǎn)期間瓦斯涌出量曲線

6203綜放工作面風(fēng)巷與6205工作面為留5m窄煤柱掘巷，且在6203工作面頂煤中距風(fēng)巷15m平行掘有一條排瓦斯巷。未掘成前加固：噴漿參數(shù)：噴漿水泥河沙比為1：2，噴層厚度100~150mm。噴漿為6205風(fēng)巷外幫煤墻。

注漿參數(shù)：6205風(fēng)巷外幫破碎圈為0.8m，松動圈為1.2m。掘成后的加固：有效地控制了6203風(fēng)巷的變形。

   

圖24  6205風(fēng)巷注漿孔平、剖面圖        圖25  6203風(fēng)巷注漿孔平、剖面圖

工作面采用負(fù)壓二次降塵技術(shù)等綜合防塵技術(shù)，運(yùn)輸系統(tǒng)采用封閉除塵、凈化風(fēng)流、沖洗巷道相結(jié)合的綜合防塵技術(shù)，回風(fēng)巷凈化水幕采用粉塵傳感器及紅外控制自動噴霧裝置。工作面最大粉塵濃度118mg/m³（落煤），平均濃度36.4mg/m³，降塵效果理想。

圖26  負(fù)壓二次除塵裝置在采煤機(jī)上的安裝示意圖

圖27  負(fù)壓二次除塵裝置井下應(yīng)用效果

采用了地面三維地震勘探、無線電波坑道透視等地質(zhì)保障技術(shù)，形成了大采高自動化綜放開采的安全關(guān)鍵技術(shù)體系。

研制了大變形回風(fēng)巷超前支護(hù)系統(tǒng)，支移機(jī)構(gòu)由吊掛機(jī)構(gòu)、自懸式軌道、行走機(jī)構(gòu)和平衡機(jī)構(gòu)組成；其特點為：單框架結(jié)構(gòu)型式；能適應(yīng)動壓巷道變形量要求；避免了對頂板的反復(fù)支撐；可根據(jù)巷道斷層尺寸進(jìn)行頂梁調(diào)節(jié)；有護(hù)幫機(jī)構(gòu)；通過吊掛環(huán)形工字鋼梁實現(xiàn)支架的支、回、運(yùn)等動作。

        

                                                 圖28 支架總裝圖            圖29  回風(fēng)巷循環(huán)支移支架移架立體圖

 

圖30  回風(fēng)巷超前維護(hù)循環(huán)支移系統(tǒng)井下應(yīng)用效果

（2.3） 實施效果

6203大采高自動化綜放工作面試驗期間，對大采高綜放工作面自動化生產(chǎn)系統(tǒng)可靠性、采高、采煤機(jī)割煤速度與開機(jī)率、支架移架工序、大采高綜放支架位態(tài)及不同放煤工藝參數(shù)下的放煤效果等進(jìn)行了大量跟班實測。生產(chǎn)班內(nèi)采煤機(jī)的開機(jī)率平均為65.24％。

經(jīng)過三個月的工業(yè)性試驗證明，該項目總體設(shè)計適應(yīng)工作面地質(zhì)條件和生產(chǎn)環(huán)境，實現(xiàn)達(dá)到了自動化生產(chǎn)工藝，新型ZF7000型支架適應(yīng)并提高了綜放工作面的壓力支護(hù)要求，設(shè)備裝備配套體現(xiàn)了設(shè)計選型先進(jìn)，匹配合理、幾何關(guān)系協(xié)調(diào)、生產(chǎn)能力穩(wěn)定、自動化程度高。頂煤的破碎塊度平均為20～30cm，直接頂?shù)钠扑閴K度平均為30～40cm，破碎煤矸的流動性好，工作面回收率平均達(dá)91.6％，最高達(dá)92.1％。在工業(yè)性高產(chǎn)試驗期間，最高日產(chǎn)達(dá)到33186t，平均日產(chǎn)26068t，最高月產(chǎn)達(dá)到633168t；最高工效達(dá)到502t/工，平均工效394t/工。實踐證明該大采高自動化工作面是我國目前設(shè)備配套最為先進(jìn)、自動化程度最高的放頂煤工作面。

表4  6203大采高自動化綜放工作面主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)（6~8月份）

月 份		產(chǎn) 量 （萬t）	進(jìn) 尺 （m）	生 產(chǎn) 天 數(shù)	日 產(chǎn)（t）		回采工效（t/工）
					平 均	最 高	平 均	最 高
2007.6		305072	159.5	25	12202.88	18032.3	184	273
2007.7		434655	227	26	16717.5	19769.1	253	299
2007.8	上旬	175322	91.5	10	17532.2	31950.9	265	484
	中旬	260688	136.5	10	26068.8	33186.3	394	502
	下旬	197158	103	9	21906.44	29563.8	331	447
	小計	633168	331	29	21833.38	33186.3	330	502
平均		456731.66	717.5	80	—	—	—	—

同時，對煤層硬度較大、礦山壓力較小的綜放面，增加機(jī)采高度，采放比增大，礦山壓力顯現(xiàn)加劇，有利于頂煤地破碎和順利放出，從而提高頂煤的放出率；且煤機(jī)割煤采出率整體大于頂煤放出率，加大機(jī)采高度與頂煤放出率提高共同提高了工作面的采出率。

取得的主要技術(shù)指標(biāo)如下：（1）工作面支架移架速度達(dá)11.5S/架，通過50000次壽命試驗，生產(chǎn)原煤1000萬t不大修；（2）側(cè)向自移式端頭液壓支架適應(yīng)巷道和工作面寬度變化，前推后拉與轉(zhuǎn)載機(jī)同步前進(jìn)，實現(xiàn)不停機(jī)作業(yè)；（3）大采高綜放面累計采出率達(dá)91.6％，最高達(dá)92.1％；（4）生產(chǎn)班內(nèi)采煤機(jī)的開機(jī)率平均為65.24％；（5）自動化移架與推溜技術(shù)和放煤的半自動化控制技術(shù)使工作效率分別提高了29.6%和57.9%；（6）支架自動補(bǔ)液技術(shù)使平均初撐力提高了27.5%，支架初撐力得到了保障；（7）工作面的工人數(shù)量降至16人；（8）形成了以綜放沿空小斷面留巷技術(shù)和工作面分源治理瓦斯技術(shù)為特征的大采高綜放開采J型通風(fēng)系統(tǒng)治理瓦斯涌出的關(guān)鍵技術(shù)；（9）工作面最大粉塵濃度118mg/m³（落煤），平均濃度36.4mg/m³。

作用意義如下：（1）“大采高自動化綜放工作面安全高效配套技術(shù)研究”項目的試驗成功，形成了一套技術(shù)含量高、設(shè)備配套性能好、自動化程度高的綜采成套設(shè)備與技術(shù)，建立了在厚煤層實現(xiàn)安全高效的工藝與保障技術(shù)體系，使我國厚煤層條件下安全高效綜放技術(shù)躍上了新的臺階。（2）在6203綜放工作面工業(yè)性試驗期間，由于各項技術(shù)的應(yīng)用，工作面產(chǎn)量、安全可靠性、回采工效、資源采出率等各項指標(biāo)均有了明顯的提高，特別是自動放煤技術(shù)的應(yīng)用，大采高綜放工作面采出率獲得了較大提高；另隨著工作面自動化集控程度的提高，工作面支架前移、放煤、頂溜（拉后溜）等工序均實現(xiàn)了自動化，工作面的工人數(shù)量明顯減少；自主研發(fā)的側(cè)向自移式端頭液壓支架的應(yīng)用，改變了原機(jī)頭空檔采用單體柱架鉸結(jié)頂梁的支護(hù)方式，減少了單體支柱的投入；大大降低了生產(chǎn)成本，進(jìn)一步提高了生產(chǎn)效率。（3）該套設(shè)備推廣應(yīng)用之后，將進(jìn)一步拓寬綜采放頂煤技術(shù)的應(yīng)用范圍，提高綜采放頂煤技術(shù)水平，促進(jìn)綜放開采技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

發(fā)現(xiàn)、發(fā)明及創(chuàng)新點：（1）根據(jù)潞安礦區(qū)地質(zhì)條件，自主研發(fā)制造了大采高四柱支撐掩護(hù)式綜放液壓支架和新型側(cè)向自移式端頭支架，并與國內(nèi)先進(jìn)設(shè)備相配套，形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高可靠性、大功率、大采高成套綜放設(shè)備。

（2）首次將電液控制技術(shù)應(yīng)用于大采高四柱支撐掩護(hù)式綜放設(shè)備；首次采用本安型工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，通過Modbus/TCP總線、標(biāo)準(zhǔn)的OPC接口，實現(xiàn)了系統(tǒng)控制臺對工作面設(shè)備的集中控制，實現(xiàn)了綜放工藝自動化。實現(xiàn)了主運(yùn)輸、供電設(shè)備的地面集中控制，無人值守。

（3）采用大采高綜放支架增大工作面有效通風(fēng)斷面，解決了工作面因產(chǎn)量提高而帶來的瓦斯涌出量增大和上隅角瓦斯超限問題。研究應(yīng)用了小煤柱錨網(wǎng)巷道注漿加固支護(hù)技術(shù)。首次采用采煤機(jī)二次負(fù)壓電控架間噴霧降塵技術(shù)，有效地降低了工作面的粉塵濃度。

（4）根據(jù)煤矸流場特征，試驗研究了聲音頻譜煤矸識別技術(shù)，為下一步實現(xiàn)智能化放煤提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

（5）研究了大采高綜放工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和煤巖穩(wěn)定性控制技術(shù)，形成了通過改變綜放開采采放比來調(diào)節(jié)礦山壓力的思想和方法，為綜放開采端面圍巖穩(wěn)定性和頂煤冒放性控制提供了依據(jù)。

應(yīng)用情況：本項目實施以來，6203大采高自動化綜放工作面最高日產(chǎn)33186噸，平均日產(chǎn)26068噸，最高月產(chǎn)633168噸；年生產(chǎn)能力達(dá)到800萬噸水平。隊組在冊人數(shù)由120人減少到96人，主運(yùn)輸、供電實施地面集中控制，無人值守。工作面效率最高達(dá)502噸/工，平均394噸/工，工作面回收率達(dá)92.1%。工業(yè)性試驗證明，設(shè)備配套合理，主要技術(shù)參數(shù)選擇適當(dāng)、各單機(jī)性能良好、系統(tǒng)運(yùn)行可靠；自動化工藝之間協(xié)調(diào)一致，能夠?qū)崿F(xiàn)集中控制與在線檢測。各部件操作正常，設(shè)備運(yùn)行良好，支架自移步距正常，移架時間達(dá)到試驗要求，放煤程序適應(yīng)現(xiàn)場需要。實踐證明該大采高自動化工作面是我國目前設(shè)備配套最為先進(jìn)、自動化程度最高的放頂煤工作面。

大采高綜放開采技術(shù)因其顯著的技術(shù)優(yōu)勢而適用于高瓦斯堅硬難冒厚及特厚煤層，拓寬了綜放開采技術(shù)的適用范圍；同時，通過調(diào)節(jié)采放比來調(diào)節(jié)礦山壓力的思想對綜放開采具有重要的理論價值和現(xiàn)實意義。

本項目首次形成了小煤柱大采高綜放工作面的支護(hù)設(shè)備配套體系，自主研發(fā)了側(cè)向自移式支架，在人員組織、勞動強(qiáng)度、支護(hù)效果上均不能與自動化工作面相適應(yīng)，在端頭管理上取消了單體架設(shè)十字梁的管理方式，達(dá)到了安全高效率方便快捷的效果；該支護(hù)設(shè)備體系可以在綜放工作面條件下應(yīng)用。大采高綜放工作面礦壓規(guī)律、煤巖運(yùn)移規(guī)律、支架圍巖關(guān)系及支架穩(wěn)定性、煤矸流場特征及工藝參數(shù)優(yōu)化等礦壓與工藝的理論和技術(shù)成果可以在所有的大采高綜放工作面應(yīng)用。大采高綜放工作面自動化控制技術(shù)可以在所有綜放工作面推廣應(yīng)用?？傊?，大采高自動化綜放工作面安全高效綜合配套技術(shù)研究形成的理論與技術(shù)體系具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

經(jīng)濟(jì)效益：（1）產(chǎn)量提高增加的收入：工業(yè)性試驗期間實現(xiàn)產(chǎn)量137.2895萬t，平均月產(chǎn)量45.68萬t，王莊煤礦類似煤層條件下工作面常規(guī)開采平均月產(chǎn)量37.26萬t，按同期原煤銷售平均價格372.08元/t計算，增加銷售收入：（45.68－37.26）×3×372.08=9398.7408萬元

（2）產(chǎn)量提高增加的成本：2007年6、7、8月份，王莊礦平均原煤成本為164.6元/t，王莊礦類似煤層條件下工作面常規(guī)開采平均原煤成本為170.99元/t，由于產(chǎn)量提高實際增加成本費用總額為：137.2895×164.6－111.78×170.99＝3484.5895萬元

（3）產(chǎn)量提高增加的凈利潤為：9398.7408-3484.5895=5914.1513萬元

由于該項目的實施，2007年3個月可增加稅前利潤5914.1513萬元，平均月增加稅前利潤1971.379萬元，預(yù)計年增加23656.548萬元。按33%計算所得稅7806.66萬元，年凈利潤為15849.888萬元。

社會效益：（1）進(jìn)一步提高了我國對厚煤層開采的整體裝備水平和工作面單產(chǎn)能力，為礦井提高綜合生產(chǎn)能力、高度集約化生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

（2）自動化程度顯著提高，設(shè)備安全可靠性增強(qiáng)，大大降低了工人的勞動強(qiáng)度，改善了勞動環(huán)境，設(shè)備故障率明顯降低。

（3）綜放面安全高效是王莊煤礦實施“三步走”戰(zhàn)略，保證礦井持續(xù)、穩(wěn)定、健康發(fā)展的需要。

    （4）項目的實施為進(jìn)一步減人提效、合理集中生產(chǎn)，大幅度減少生產(chǎn)、運(yùn)輸、通風(fēng)、排水、供電等環(huán)節(jié)設(shè)備的占用，降低運(yùn)行費用，創(chuàng)造了必須的前提條件。

    （5）本項目的成功實施是安全、生產(chǎn)和效益互動的客觀需要，通過科學(xué)組織，加強(qiáng)管理，集約高效生產(chǎn)呈現(xiàn)出強(qiáng)勁發(fā)展態(tài)勢，在生產(chǎn)指標(biāo)連續(xù)攀升的同時，各類事故均降至了建礦歷史最低點，繼續(xù)保持了百萬噸死亡率為“零”的紀(jì)錄。與此相應(yīng)的是由于增產(chǎn)增銷和安全形勢良好所帶來的銷售收入、利潤和職工收入的大幅度提高。

（6）該項研究在王莊煤礦生產(chǎn)實踐過程中取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益億元，為王莊煤礦進(jìn)一步提高礦井綜合生產(chǎn)能力和高度集約化生產(chǎn)打下良好基礎(chǔ)。該項技術(shù)成果的總體思路、基本框架以及具體技術(shù)措施和控制參數(shù)都能向同類礦區(qū)推廣應(yīng)用，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景

獲獎情況：：2007年12月獲長治市人民政府“長治市科技進(jìn)步獎”一等獎；

           2008年10月獲中國煤炭工業(yè)協(xié)會、中國煤炭學(xué)會“中國煤炭工業(yè)科學(xué)技術(shù)獎”一等獎。

專利情況：大采高自動化綜放工作面安全高效綜合配套設(shè)備項目成功獲得國家專利號：中國200720138454.0

 

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