大同千万吨矿井群特厚煤层高效综放开采技术创新与实践

王国法 刘俊峰

（天地科技股份有限公司，煤炭科学研究总院，100013）

0 引言

根据大型煤炭基地建设目标，我国将建成河南、鲁西、神东、晋中、陕北、晋北、晋东、云贵、蒙东、两淮、冀中、黄陇、宁东、新疆等14个大型煤炭基地，并在大型煤炭基地建设的基础上培育大型煤炭企业。同煤集团采用大型煤炭基地跨地区、特大型矿井、安全高效集群开发模式，在大同、朔南、轩岗、内蒙古等矿区规划建设了塔山、同忻、潘家窑、金庄、东周窑、铁峰、麻家梁、梵王寺、北辛窑、白家沟、色连一号等11个大型千万吨矿井[1～3]。

国家十三五规划提出“加快推进煤炭无人开采技术研发和应用”，国家安全监管总局开展了“机械化换人、自动化减人”科技强安专项行动，国内现代化矿井实现综采工作面的智能化，综采工作面无人化生产是自动化时代的标志[4]。神华神东公司2008年在榆家梁煤矿建成第一个自动化综采工作面；陕煤黄陵公司2014年建成了地面远程操控采煤系统，实现“工作面内1人巡视，监控中心2人远程干预”的常态化自动生产[4、5]。

相对中厚煤层综采工作面智能化，放顶煤开采工作面顶煤赋存信息、实时垮落信息获取困难导致放煤主要依靠人为操作；放煤工艺需要协同考虑采煤机速度、转载机运量等，同时尽可能实现精准放煤，以提高工作面整体工效；工作面控制系统需要接入矿井灾害预警系统、环境监测系统、煤质监测系统，并形成联动。

1 大同千万吨矿井群特厚煤层综放开采综述

基于同煤集团千万吨矿井群安全高效可持续开发关键技术研究，提出了以煤炭开采为核心、以安全生产为前提、以环境保护为制约、以协调管理为手段的资源－人－环境－效益协调可持续开发，实现同煤集团千万吨矿井群技术效益、环境效益、经济效益、社会效益最大化。

1.1 塔山矿特厚煤层大采高综放成套技术装备研发及应用

从“十一五”开始，针对同煤矿区14～20 m特厚煤层就进行了大采高综放成套技术与装备的研发。

支架围岩耦合关系是综采技术的核心。首先，从液压支架围岩强度耦合理论出发，对于14～20 m特厚煤层综放开采，割煤高度由3.5 m增加到4.5～5 m，一次采厚最大达到20 m。为确保煤炭安全、高效、高回收率开采，必须解决14～20 m特厚煤层大采高综放开采支架围岩关系与安全保障技术难题。在现场观测和模拟实验基础上，建立了特厚煤层组合悬臂梁模型（见图1），解释了特厚煤层工作面来压强度大、持续时间长的现象，得出了考虑基本顶岩层压力、顶煤压力以及传递基本顶载荷的塔山煤矿综放液压支架支护强度计算公式[6～8]。

图1 大采高综放支架-围岩关系组合悬臂梁模型

Gz=(LZ1∙HZ1+LZ2∙HZ2+LZ3∙HZ3)γ∙g∙L 式 中 ：LZ1、HZ1 、LZ2、HZ2、LZ3、HZ3分别为直接顶各岩层的长度和厚度。

L为计算长度。

Lm为基本顶Z1断裂线到支架后部切顶线距离；

k：顶煤的传递系数。k≤1；与煤层硬度、顶煤厚度、夹矸条件、破碎程度等均有关系，此处取为0.5。

得出工作面所需的支护强度为：

支架工作阻力在工作面三机配套完成后，根据工作面控顶面积进行计算。

其次，从支架围岩刚度和稳定性耦合理论出发，解决塔山8105工作面大采高综放工作面直接面对顶煤，加大采高会带来严重的前端冒落和煤壁片帮（见图2）；一次放顶煤15 m，加剧了对液压支架的冲击，以及可能出现的顶板悬空造成支架受力不平衡而发生的失稳倾倒，都给大采高综放工作面支护带来了极大的风险和难度。

创新研制世界首台套工作阻力15 000 kN/最大高度5.2m的大采高放顶煤液压支架（见图3），发明了双前连杆、双后连杆稳定机构、强扰动式尾梁－插板放煤机构的大采高放顶煤液压支架新架型结构。

图3 ZF15000/28/52放顶煤液压支架

第三，综放开采拥有割煤和放煤两套系统，工作面设备密集，千万吨生产能力要求装备功率增加、尺寸更大，如何使这些装备与液压支架配套实现稳定可靠运行，采放均衡生产同时又符合安全生产要求是成套装备配套研究要解决的首要难题。完成了千万吨综放工作面设备总体配套（表1）。

表1 千万吨综放工作面设备列表

技术与装备达到1 000万t能力，总体性能稳定，工作可靠；工作面设备平均开机率92.1%；2011年全年8105工作面出煤量1 084.9万t，具备了实现工作面年产1 000万t的能力。平均日产3.03万t，最高日产达到约5万t；最高月产130万t。

1.2 矿井群综放技术与装备的协同创新和应用

大同煤矿集团有限责任公司为主的晋北基地是我国特大型动力煤基地，同煤集团2016年煤炭产量超过1.2亿吨，位居山西省第一名。大型煤炭基地建设的一个重要特色在于摒弃以往单一地区的开发模式，而实现跨区域、多矿区、特大型矿井、高产量的开发新模式，同时在煤炭开发的同时强调资源、安全、环境、经济与社会效益和谐开发[9、10]。

首先，建立了千万吨矿井群协调开采评价模型，其目标是基于客观的矿井资源条件、管理水平、开采技术条件等，通过科学分析与评价，寻找系统存在的问题，并提出整改措施，从而使矿区实现资源、环境、计划、经济、健康协调发展。

其次，提出煤炭资源条件分类协调开采技术，即基于千万吨矿井集群开发的优势，将千万吨矿井群按煤层赋存条件、开采技术条件与综合管理条件进行分类开采，确定最优开采技术参数与开采方法，最大限度的采出煤炭资源，降低劳动强度，提高矿井效益。重点解决如下三个方面的问题：（1）特厚煤层顶煤冒放性分析。在传统顶煤冒放性分类的基础上，重点关注了放煤工艺、顶煤来压特征的影响。（2）工作面合理机采高度的确定（见图4）。从不同机采高度的顶煤回收率、煤壁片帮程度、工作阻力确定、回采工艺配合等方面进行个综合分析研究。（3）提高回采率技术措施。通过研究顶煤冒放规律，分析顶煤块度（见图5）、放煤工艺、设备参数等对顶煤翻出率的影响，从设备、工艺、管理等方面提出了保证顶煤回收率的技术措施。

图4 煤壁水平位移量对比曲线

图5 不同块度顶煤首末放出以及首放矸石速度时间

第三，提出了千万吨矿井群工作面装备系列型谱。采煤装备体系建设的重要任务之一是研究建立采煤设备型谱。设备型谱：是设备采购规划的核心内容，是用最少数目的不同规格设备构成的、列出企业已有的和将来要采购的全部设备并能满足可预见到全部使用要求的设备系列。它是设备通用性和系列化两种标准形式的结合与发展。就一种设备而言，其通用性是有限的，只能满足一定范围、一定条件下的使用要求。为了扩大某一类设备的适用范围，就必须增加该类设备的规格品种构成设备系列。但是设备的规格品种又不可能无限制的扩展，就需要经过分析、比较和筛选，使其达到的规格品种最简最优。以液压支架为例给出了千万吨矿井群支架型谱（见表2）

最后，提出以煤炭开采为核心、以安全生产为前提、以环境保护为制约、以协调管理为手段、满足资源--人--环境--效益协调可持续开发、通过调整产业结构、大力推广应用循环经济的矿井群建设方案，有效解决了矿区优质资源开发可持续性差、矿井安全高效开采形势严峻、矿区资源开发与生态环境保护不同步、煤炭技术经济效益差等突出的问题。

2 智能化综放技术创新

2.1 智能化综采放顶煤技术特征

依据综采工作面成套装备控制系统在感知、决策和执行三要素方面的水平，智能化综采放顶煤工作面，是指综采放顶煤工作面采用了具有充分全面的感知、自学习和决策、自动执行功能的液压支架、采煤机、刮板输送机等机电一体化成套装备和远程智能化综合控制系统，实现了工作面的智能远程监控、安全高效开采。智能化综采放顶煤工作面主要技术特征是:①液压支架智能控制，液压支架以电液控制系统为基础，同时，具有支架与围岩耦合监测控制、超前压力预报、初撑和移架状态自决策控制、姿态监测与智能决策控制、煤帮智能决策控制、记忆时序控制放煤、智能喷雾降尘控制等功能；②采煤机智能控制，采煤机具有位置监测精确定位、自学习智能轨迹规划、基于智能决策或煤岩识别的滚筒自动调高、自动记忆割煤、防碰撞安全避险、故障自诊断等功能，并具有基于产量需求、输送机设备负荷、工作面环境等信息的智能决策调速、采高自动控制、远程可视化控制等功能；③工作面运输设备具有电气软启动、负载及运行状态监测、系统运行参数在线监测、机尾自动张紧、故障诊断及与工作面控制系统的通信和自动控制功能；④工作面智能控制系统能实现工作面设备间的信息通信、自学习和智能决策远程控制与工作面人工干预协同控制等[5]。

表2 同煤集团千万吨矿井群型谱设备放顶煤液压支架基本参数列表

2.2 建立智能放煤决策系统

智能放煤决策系统是智能化综采房顶煤实现的核心环节。首先，对现场人工放煤进行大量测试，汇集人员、机器、环境等多方面的信息数据，包括对放煤时间、放煤轮数、放煤口数量以及人工放煤轨迹的测试，还包括对刮板机运行特性与承载能力的测试，进行矿压规律及顶煤运移规律分析研究，通过测试，掌握了现有综放面采放工艺、放煤模式、放煤经验、设备运行特性等。

其次，在现场测试的基础上，通过对各类信息的收集、筛选、分类、处理，建立了多源信息数据库，并根据各类信息之间的时空关系、逻辑流程，搭建了智能放煤工艺执行流程（见图6）。

图6 智能放煤流程搭建

最终，根据智能放煤工艺执行流程，设计了分段多窗口时序控制放煤程序。基于三维地理信息系统的数据，实时获取放煤口位置对应的煤层地理信息，结合实时矿压数据、采煤机位置信息、合理确定不同放煤口的开启顺顺序和开启时间（见图7）。

图7 智能放煤决策模型

智能放煤决策模型解决何时何地放多少煤的问题，相当于放煤系统的指挥中枢。

2.3 建立基于多传感器融合的智能放煤控制系统

同煤集团根据自身煤层地质条件，千万吨矿井群建设均采用四柱支撑掩护式放顶煤液压支架，其很好的适应了同煤矿区特厚煤层开采压力大、顶煤放出量大的特点。在放煤过程中，出现顶煤架前冒落、煤壁片帮等，需要采取措施控制支架姿态，调整放煤时间和频率。

首先开发了四柱放顶煤液压支架姿态控制技术，基于支架-顶煤作用关系，根据其稳定性要求和安全防护要求，通过开发高可靠性、微功耗、无线角度传感器、压力传感器监测支架顶-掩-尾角度、高度，结合压力监测，得出各主要结构件间的扭曲度，实时掌握工作面每架液压支架的整体倾斜和仰俯角度，通过对整个工作面支架姿态的检测，可以根据数据的累计统计和实时检测得出当前姿态的变化情况，通过调整液压支架立柱和平衡千斤顶对液压支架的姿态进行调整，实现顶梁和顶板大面积的支护、防止结构件损坏、预防倒架、咬架，通过自动调整使液压支架始终处于良好姿态，实现了支架姿态和围岩的最佳耦合关系[11～13]。

尤其在放煤前后及放煤过程中，支架围岩相互作用力变化剧烈，分析判别四柱支架受力状态、放煤状态、角度状态，从而通过电液控系统进行调整反馈，使支架在整体放煤过程中处于正常工况（见图8）。

图8 四柱放顶煤支架姿态控制系统

通过行程传感器、角度传感器控制液压支架尾梁、插板千斤顶的工作状态，精准控制放煤口开启的大小和数量，实现放煤量的智能调节与控制，保证回收率和减低含矸率（见图9）。

图9 放煤机构精准控制

放煤控制系统，解决如何准确执行放煤指令的问题，相当于放煤系统的执行机构。2.4采放运一体化协同控制技术

首先，就整个综放系统来讲，开发了三级协同控制技术，从一级的采煤机控制系统、供电系统、电液控系统、运输机控制系统、泵站控制系统、视频监控系统到二级的顺槽监测、集控系统，再到三级的调度室调度指挥中心，从而实现对综放工作面设备的协调管理与集中控制。

其次，就采煤与放煤来说，依据运输系统的负荷感知信息，在监控中心开发了煤流负荷均衡控制系统，根据运输设备的运输能力，实时调整割煤速度、放煤口数量、放煤口大小、放煤时间等参数，实现采煤、放煤、运能的自适应协同。（见图10）

图10 采放运煤流控制系统

基于千兆工业以太环网，采用先进统一的自动化控制网络平台、智能网管型环网交换机，利用环网冗余技术,保证在0.3秒快速恢复环网系统,提高了矿井自动化系统的可靠性。实现综放工作面远程控制，达到井上下实时监控，实现了井上一键启停。

2.5 、安全监控及信息化建设

同忻矿建成了以千兆交换机为骨干的井下和地面两个千兆环网，并将井上下监测监控子系统全部集成，基于“同网、同缆、同芯”传输技术，实现了数据、音频、视频的“三网合一”。

其主要组成部分包括：（1）基础网络平台，通过宽带光纤环网和现场总线以及商用数据库、多媒体数据库和实时数据库实现信息的采集、传输、储存、分析、决策、控制、发布和查询；（2）矿山数据仓库，实现从散乱数据到规范化的数据集成，建立规范的数据库结构，消除矿山“信息孤岛”和数据冗余，实现面向各种引用的快速检索和转送，实时数据库必须实现各种事件的主动触发并保证时效性；（3）矿山工业自动化系统，包括井下皮带监控系统、矿山供电监控系统、矿井排水监控系统、主扇风机房监测系统、压风机房监测系统等，通过系统集成平台可以有效协同数据仓库、监测监控系统、安全管理系统、生产系统和调度系统，实现自动控制和远程控制，达到真正的管控一体化；（4）安全生产监测监控系统，包括有线通讯、无线移动通讯系统、矿井人员定位和井下移动设备定位系统、视频监控系统、安全生产环境监测系统、水文监控系统、矿压监测系统、火灾监控系统、降雨量监测系统、地表岩移监测系统，通过它们向数据仓库、安全管理、调度系统等提供实时信息，供决策支持系统使用；（5）三维地理信息与可视化集成平台，基于统一的三维空间和时间坐标，将矿山中的所有信息可视化后，配置完整的属性信息，建立真三维矿山地理信息模型，再利用GPS-GIS-RS技术和各种勘察、测量、采集手段获取动态信息对模型和属性进行实时修正，形成完整的三维时态地理信息系统、井上井下所有对象的透明管理和虚拟现实系统仿真；（6）安全风险预控管理系统，借助先进的三维地理信息系统，实现地面地下所有对象的隐患风险透明管理，大幅度地提高抗灾能力和生产效率，在精细的风险管控体系下，以严格规范的管理、完善实用的方法、先进科学的技术真正实现人员无失误、设备无故障、系统无缺陷、管理无漏洞的人、机、环境和管理高度融合的矿井风险预控管理目标；（7）生产技术管理系统，主要包括地测地理信息系统、采矿协同设计系统、智能化通防系统、输配电地理信息系统、工业管网地理信息系统、机电设备管理系统等，完善生产技术管理系统有利于提高生产管理水平和生产效率；（8）调度指挥系统，实现安全监测监控、工业自动化、生产技术管理、以及安全风险管理强大集成，具备强大的决策分析、故障诊断功能和灾变时期快速反应能力。

通过矿井信息化建设和安全监控联动，将综采放顶煤智能化系统并入矿井整体管理系统。

3 智能化综放效果及研发方向

智能化综放技术还有许多关键技术需要进一步提高。

3.1 放煤过程煤矸识别

目前已有了20余种煤岩分界传感机理和系统,有天然γ射线、振动频谱传感系统，测力截齿、同位素、噪声、红外线、紫外线、超声波、无线电波、雷达探测等，由于井下煤层和围岩条件十分复杂，难以准确、可靠地判断煤岩分界，都未成功地应用于实际。由于在顶煤放落过程中产生的声波信号属于非平稳信号，而且信号类型复杂、频谱重叠，很难确定其所包含的信号成分的类型。需要研究煤岩界面数据的信号处理技术，进行煤岩数据的信号调理，去除信号噪声，为煤岩界面模型计算提供可用的数据。选取先进合理的技术对信号进行特征提取，完成从模式空间到特征空间的转换，为数据融合提供可靠而准确的特征级数据。

煤矸识别传感器是实现智能放煤的关键部件。其在实验室的工作性能基本能够通过测试，缺点在于现场使用过程中的可靠性和分辨率减低过多。研制现场使用、的工作可靠、有一定分辨率的煤岩分界识别传感器是智能放煤的主要工作内容之一。

使用神经网络、模式识别等技术，建立数学模型进行煤岩界面的数据分析，采用多传感器信息融合技术，进行计算模型的数据融合、模型融合和决策融合，最终实现综采放顶煤工作面的煤岩识别。

由于每种传感器都有其特定的适用范围和精度，因此不可避免具有局限性。综放工作面在放煤过程中将不同来源、不同模式、不同媒质、不同时间、不同表示形式的信息加以有机组合，最后得到放煤的含矸量。基于多传感器信息融合的煤岩分界技术，避免了单传感器工作的局限性，使识别系统更可靠。数据融合作为一门跨学科的综合信息处理技术，能够对煤岩界面状态识别的提供理论支撑和技术保障。最后，针对煤岩界面识别的具体问题，选取符合放顶煤工艺的融合算法。

3.2 智能放煤控制机制及系统可靠性

智能放煤控制主要包括两方面的内容，放煤工艺和放煤时间。放煤工艺解决如何放煤的问题，要求保证高回收率和提高放煤效率；放煤时间解决何时停止放煤和降低含矸率、提高煤质的问题。

目前放煤工艺的智能化主要是通过人工经验或理论分析进行决策。实际开采中需要随时判断顶煤的运移规律、裂隙发育程度、块度形成和变化轨迹，进行判别并影响决策。

放煤口何时关闭的智能决策也可以通过模糊决策，智能识别等多方案进行统筹解决。

整体智能放煤的机制和系统要根据不同的煤层地质条件、工作面条件、矿井生产条件进行智能条件，其对系统的可靠性和适应性提出了更高的要求。

3.3 采放协调智能控制系统自学习能力

目前的煤流控制系统，具备根据煤流调整采煤机速度和放煤速度的功能，但对于前后刮板输送机的煤流监测不够精确，对于采放的协同控制存在一定的滞后。只有通过对前后部刮板输送机的煤流精确监测、对煤机速度、刮板式链速、放煤量、顶煤存量、放煤速度等进行统一的控制才能保证工作面采放的真正协调。

不同的条件，系统的设定很难统一，只有通过智能系统的自学习能力，系统的不断迭代，才能实现工作面智能高效回采。

3.4 端头及过渡段放煤及智能控制

综放工作面的端头和过渡段放煤是放顶煤开采的难点，对工作面安全生产、提高回收率意义重大。

通过采用放顶煤工作面交叉侧卸、整体端头支架结构形式，可以实现工作面过渡段和端头段的放煤。智能放煤过程中，对端头段、过渡段的放煤工艺设计、智能控制目前尚属空白。需要进一步进行研究。

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