基于滚筒采煤机薄煤层自动化开采技术分析

刘剑强

（山西平舒煤业有限公司， 山西 晋中 045400）

引言

我国薄煤层煤炭储量较高，但产量偏低，主要是薄煤层综采机械研制难度比较高，自动化水平低，导致煤炭企业生产效率和经济效益低下。要想改善这一现状，薄煤层自动化开采、装备尺寸与功率、装煤效果、高可靠性与适应性是需要着重考虑的问题[1]。

1 薄煤层工作面自动化开采系统的原理分析

1.1 薄煤层自动化控制系统

对于薄煤层自动化控制系统而言，巷道集控中心是整体研发的关键所在，通过集控中心进行远程监控，煤层工作面内不留工作人员值守，自动化实现双向割煤，从而在自动化控制模式下进行薄煤层工作面的开采作业。从结构组成来看，薄煤层自动化控制系统分为三大子系统，分别为采煤机自控系统、液压支架控制系统以及刮板输送机控制系统，如图1所示。通过图1可知，薄煤层工作面开采所用集控系统主要通过设备运行工况监测、“三机”联动控制以及电液控制等方式进行远程控制。

图1 薄煤层自动化控制系统构成示意图

在该自动化控制系统中，采煤机子系统模块需要实现诸多功能，主要包括自动截割采高记忆联想模式自我控制与修正、消除通信系统和系统总线受变频器以及高压动力的干扰、通信模块安全隔离以及动态参数补偿关键技术等等。在采煤作业面中部，煤炭开采在记忆截割模式下实现自动化目标，如果煤层厚度发生变化，自动截割采高记忆联想模式下可通过自修正控制模型进行相应调整，保障自动化开采的精确性。倘若出现断层等一些异常地质构造，控制人员可通过远程人工干预调整薄煤层工作面自动化开采系统，以免自动截割操作出现失误。此外，开采过程中上下端头可能存在自动化开采难题，其解决方案主要是将机头部分、机尾部分和跟机过程分为三个环节，每一环节都以关键点为标识，对机头、机尾以及跟机移架实施自动控制，使之自动斜切入三角煤层，然后返刀并且清理底板浮煤，保障端头部位自动化开采操作顺利进行[2]。

1.2 液压支架控制系统

液压支架电液控制系统构成部分主要包括巷道集控中心电液控制单元以及远程数据传输控制单元两个部分，如下页图2所示。其中电液控制系统通常分为两种设计模式，一种为“一控一”，另一种为“一控三”。“一控一”模式下每台液压支架都各自对应一台支架控制器，而“一控三”模式下每一台支架控制器对应三台液压支架，很显然后者属于比较经济的一种配置模式。每个支架上电液换向阀组的配置数量通常为8～10个，控制动作分为刮板输送机的推移、立柱升降、侧护板伸缩、拉架以及平衡千斤顶的伸缩等等。此外还可结合实际需要额外加设伸缩梁[3]。

采煤机上配备位置检测装置以及红外发射器，支架上配备有红外接收传感器，后者负责向支架控制器发送采煤机位置数据。支架控制器通过红外信息传输的支持发出支架降架以及刮板输送机推移等指令控制动作，液压支架在此情况下实现自动跟机移架操作。通过采煤机、电液控制系统联动跟机移架，整个开采工作面实现自动化控制[4]。

图2 液压支架电液控制系统构成示意图

1.3 刮板输送机自控系统

在薄煤层开采自控系统中，刮板输送机子系统模块主要功能是向巷道控制中心以及支架控制器传递关于运量、位置以及阻力等信息数据，如果存在煤量超标以及负荷过载问题，系统将会对采煤机割煤速度进行调整，同时调节支架跟机移架速度，以此来发挥刮板输送机子系统的自控功能。与此同时，刮板输送机上增加了中部槽自动调斜设备，可对刮板输送机高度和姿态做出相应调节，以增强铲装效果，也可以避免中部槽不平整。

2 薄煤层工作面难题和解决方案

2.1 装煤效果较差的解决方案

考虑到滚筒螺旋叶片相对有限的尺寸，滚筒采煤机在薄煤层工作面的装煤效果较差。要想确保薄煤层开采作业的安全与高效性，首先要加强采煤机装煤效果。现阶段针对薄煤层工作面开采时自动装煤难题的解决方法如下：一是引入双向式高效装煤装置。将犁板(带有螺旋角)加装在采煤机摇臂下方，根据金属和煤层摩擦角大小来合理设定采煤机前进方向和犁型装置之间的夹角。在犁型装煤装置的协助下，加上滚筒截割煤层时产生的抛射效应，装煤效果明显提升。二是引入分段多轮推移刮板输送机自动调斜控制设备。加装中部槽自动调斜控制设备后，刮板输送机固有铲装效果得到增强，其主要是通过调斜千斤顶对刮板输送机高度和姿态实施控制。有文献报道称引入该装置后滚筒采煤机装煤效果提升量超过30%[5]。

2.2 综采设备的尺寸和功率存在矛盾的解决方案

薄煤层内作业空间相对有限，所以薄煤层开采中各类综采设备的尺寸和功率之间存在比较明显的矛盾，这是设计研制综采设备需要克服的一个重要难题。以液压支架为例，可研发超大伸缩比、单进回液口双伸缩立柱以及板式新结构的智能型支架，该支架对进回液原理以及立柱结构做了相应的改变，选择活柱无上腔外进液口以及大弧度缸底的设计结构形式，立柱伸缩比进一步提升，有效解决了液压支架阻力决定的最小高度下限问题，支架高度最低可降至0.45 m。以紧凑型插装式多功能电液控制阀为基础所研发的液压支架电控系统，该系统下电液控制阀外形尺寸以及体积参数得到最优化控制，较常规液压支架电控系统更有优势，在薄煤层开采作业中应用更为广泛。在刮板输送机方面，以紧凑型扁平链以及铸焊结构中部槽为主，既可保证结构强度，又可将槽帮高度从原来的250 mm降至150 mm。在滚筒采煤机设计中，以平行布设方式布置双截割电动机，以纵横布设的方式布置牵引电机和截割电机，保证了大功率以及矮机身的设计要求，机面高度大大降低，符合薄煤层开采作业需求。

2.3 低照度环境下防尘视频监测设备防污染的改良

支架摄像头实时采集综采装备信息，并将其传输至巷道控制中心，但是考虑到综采面工作环境较为特殊，粉尘污染比较严重，所以低照度环境下保护防尘视频监测设备不受污染也是当前需要着重考虑的一环。目前所采用的方案主要是为摄像镜头配备防尘风罩，并在风罩内部设计特殊风道，风流经过该风道后引起涡流负压风幕，进而将镜头表面尘雾吸除，效果比较理想，结构示意如图3所示[6]。

图3 防尘风罩结构示意图

3 结语

与普通中厚煤层和厚煤层相比，薄煤层综采设备研制难度比较高，以改变立柱结构、提高装煤效果、改变进回液原理、视频监测设备防尘保护为主的一系列改善措施有效解决了薄煤层自动化开采中的相关问题。相信随着煤矿机械设计与研发技术的不断进步，基于滚筒采煤机的薄煤层自动化开采系统将会更趋于完善，稳定性与可靠性也将不断提升。