四台煤矿薄煤层自动化工作面设备配套技术研究

安天柱，孟二存

(1.太原煤气化公司机械动力部，山西太原030024;2.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013)

同煤集团四台矿是设计能力5Mt/a的现代化矿井，四台井田位于大同煤田西北部，井田面积73km2，井田内地质构造复杂，断层、褶皱和陷落柱发育，水文地质条件简单。井田内赋存侏罗系大同组煤系地层，现薄煤层开采为14层。最近几年，四台矿薄煤层开采比重相对增加，但因薄煤层开采技术和装备一直相对落后，与中厚煤层开采相比有相当大的差距，严重影响了四台矿的产量、效率和经济效益的提高，阻碍着高产、高效矿井建设。为了大幅度提高薄煤层工作面单产和效率，改变薄煤层开采技术落后面貌，推进双高矿井建设，同煤集团首先在四台矿进行两硬条件下薄煤层自动化工作面开采技术的研究。

1 地质条件

四台矿 14层煤层厚度 1.3～1.7m，平均1.5m;煤层坚固性系数f=2～3。直接顶岩性为细砂岩或砂页岩互层，直接底为中细砂岩，坚固性系数f均为7～10。瓦斯绝对涌出量3.2m3/min，相对涌出量1.2m3/t;正常涌水量0.25m3/min，最大涌水量0.75m3/min。

2 薄煤层工作面设备配套特点和要求

薄煤层由于采高低、空间小，要求“三机”配套尺寸尽可能小，以满足工作面开采的要求。作业空间狭小给设备的安装、维修带来了一系列问题，因此要求采煤机、刮板输送机、液压支架具有高可靠性。

由于作业空间狭小，工人进出工作面特别困难，因此要求工作面设备自动化程度高，在巷道控制工作面设备，工作面达到无人或少人状态。

薄煤层支架推溜时容易发生俯仰姿态，造成刮板输送机“扎底”和“漂溜”问题，因此需要在刮板输送机上设计调斜装置。在推溜前系统通过调斜装置使刮板输送机前部扎底，把浮煤铲到刮板输运机上，解决了刮板输运机上漂及浮煤清理问题。

由于设备配套尺寸小，容易发生装煤效果差及采运不匹配问题，要求系统采用分段多轮推溜控制。通过分段推溜解决运输机推进时的溢煤问题以及由于采煤机过煤高度不足引起的采运不匹配。

3 配套技术研究

3.1 工作面基本条件

巷道断面皆为矩形断面，运输巷断面尺寸(宽×高)4.3m×2.6m，回风巷断面尺寸 (宽×高)3.8m×2.6m，工作面上下巷之间煤壁距离180m。

3.2 工作面巷道布置

为了实现工作面少人化甚至无人化，根据四台矿煤层顶、底板条件，巷道沿底板掘进，巷道高度保持2.6m，煤层厚度为1.6m，巷道内布置2架端头支架，具体布置方式如图1所示。

3.3 工作面“三机”配套

3.3.1 总体配套要求

由于煤层变化范围为1.2～1.6m，且有断层和陷落柱，为了适应煤层变化要求，液压支架结构高度确定为850～1800mm;支架工作阻力选择为4400kN，采煤机选用MG250/560－WD电牵引采煤机，采用2×125 kW双电机横向布置，增大电机功率，减小结构外形尺寸。刮板输送机选用SGZ764/400，电机功率为2×200kW，链条选用2－φ26×92－C。工作面主要配套设备型号见表1。

图1 巷道设备布置

表1 工作面配套设备

图2为工作面“三机”配套图，由图可知，MG250/560－WD采煤机和SGZ764/400刮板输送机配套后机面高度为860mm，最小采高为1.2m，过煤高度为313mm。由于过煤空间小，装煤效果差，采运不匹配，推移系统采用分段多轮推溜控制功能，保证煤流顺畅。

图2 工作面三机配套

3.3.2 液压支架配套要求

液压支架配备北京天地玛珂电液控制系统有限公司的SAC型电液控制系统，具有如下功能:

(1)液压支架可实现单动作控制和顺序动作自动控制。

(2)液压支架成组程序自动控制，包括成组自动移架、成组自动推溜、成组调斜及成组喷雾动作等。

(3)具备初撑力自动保持功能，能够带压移架功能。

(4)具有急停、闭锁操作。

(5)液压支架跟随采煤机的自动控制功能。

(6)在巷道的控制台上可以实现液压支架的远程集中控制。

(7)工作面配置视频系统，可以在工作面巷道进行工作面设备的集中监测。

(8)具有本安型LED照明系统，进行工作面煤壁、巷道照明。

(9)系统具有分段推溜、多轮推溜等多种操作方式，可以均衡加载装煤，使刮板运输机上的载荷均衡。

3.3.3 采煤机配套要求

MG250/560－WD采煤机配置工作面巷道监控系统，电控系统能够进行远程控制。采煤机电控系统具备数据传输的功能，与综采自动化系统进行双向通信，实现采煤机的远程控制，包括控制滚筒及牵引等动作;采煤机配备摄像系统，远程监视滚筒截割情况;采煤机具有记忆截割、能够自动截割三角煤;为防止采煤机与支架干涉，采煤机具有倾角调整功能，并可显示倾角值，当倾角超过设定值时可报警。

3.3.4 刮板机、转载机、破碎机配套要求

刮板机、转载机、破碎机的配套要求控制其软启开关具备数据传输的功能，与综采自动化系统进行双向通信，实现远程控制。

3.4 综采自动化工作面配套

实现自动化采煤是当前采煤业研究的热点。自动化开采是在工作面采煤机、刮板输送机、液压支架等设备实现单机自动控制功能的基础上，通过工作面“三机”与工作面巷道监控中心联网、通讯，可在监控中心对“三机”进行实时监测与控制。实现综采自动化需要满足如下功能:

(1)工作面巷道监控 在工作面巷道监控中心分别设置液压支架、泵站和采煤机矿用本质安全型操作台，监控中心工作人员依据液压支架视频系统远程控制支架各种动作。综采自动化平台通过采煤机视频系统和采煤机电控系统进行双向通信，将监测数据集成并通过电控柜实现采煤机的远程控制，包括控制滚筒及牵引等动作。

(2)具有工作面工业以太网，实现对工作面数据的高速传输 工业以太网系统网络管理方面具备虚拟局域网 (VLAN)、流量优先级等网络带宽管理功能，工业以太网系统中网络的带宽达100Mb/s，无线网络带宽达54Mb/s，保证最重要的数据流能动态地获得最优先的带宽支持。

(3)具有工作面视频系统，实现对主要综采设备进行实时监控 工作面视频系统主要包括液压支架视频系统和采煤机视频系统。液压支架视频系统主要包括矿用本质安全型摄像仪、显示器和操作台。本质安全型摄像仪安装在支架的顶梁上，照射方向与工作面平行，矿用本质安全型摄像仪的视频数据通过工业以太网网络传输到矿用本质安全型显示器显示。

采煤机视频系统包括矿用本质安全型摄像仪、矿用本质安全型显示器、矿用本质安全型操作台、安装电缆及附件等组成。矿用本质安全型摄像仪直接照向煤壁，其视频数据通过工业以太网网络传输到监控中心采煤机矿用本质安全型显示器显示，监测采煤机割煤状态。

(4)工作面照明系统 工作面采用矿用本质安全型照明灯，用于煤壁照明和人行通道照明。

(5)“三机”与泵站集控系统 在工作面巷道监控中心设置“三机”与泵站矿用本质安全型操作台，通过与“三机”控制子系统、泵站控制子系统通讯实现对三机及泵站的集中控制。

(6)其他功能 具有在监控中心对运输设备集中自动化控制功能;具有在监控中心对综采设备数据集成、处理、诊断、管理等功能;具有井上下数据传输功能;当综放工作面自动化控制系统出现故障时，各子系统不受综采自动化系统控制，以保证在检修和综采自动化控制系统出现故障时，各子系统能单独开车，确保生产不受影响。

4 总结

综采自动化控制系统将多种跨学科技术 (如控制、以太网、无线、视频、音频、通信、液压等)应用于综采工作面，在工作面监控中心对综采设备 (液压支架、采煤机、刮板输送机、转载机、破碎机、乳化液泵站、喷雾泵等)进行集中控制，确保各设备协调、连续、高效、安全运行，实现工作面少人或无人生产，是薄煤层高效开采的重要途径。

该项目已经通过了地面试运转验收，实现了监控中心对“三机”实时监测与控制，自动化系统实现双向通信，采煤机实现远程控制和记忆截割，电液系统实现带压移架和分段推移，泵站系统实现集中控制等功能，基本上达到了薄煤层综采自动化开采。

［1］刘嘉慧，李庆华.马脊梁矿双高工作面及双高工作面建设［J］.同煤科技，1998(4).

［2］刘嘉慧.薄煤层双高工作面建设［J］.煤矿机电，1999(2).

［3］王 伟.全自动化综采技术的研究与应用［A］.第四届全国煤炭工业生产一线青年技术创新文集［C］.北京:煤炭工业出版社，2009.