王家岭煤矿12309综放工作面智能化开采技术

吴少伟

(山西中煤华晋集团有限公司 王家岭矿， 山西 运城 043000)

1 工程概况

王家岭煤矿12309工作面位于123盘区西翼中部，开采山西组下部2#煤层，煤层均厚6.1 m，含有1～2层夹矸，夹矸层厚度为0.2 m，煤层顶板岩层为粉砂岩和细粒砂岩，底板岩层为泥岩和细粒砂岩。12309工作面采用综合机械化放顶煤采煤工艺，开采高度为3.1 m，放煤高度为3 m，一采一放，循环进度0.865 m. 为提升该矿智能化水平，将12309工作面建设为智能化综放工作面，进行了智能化开采技术研究。

2 智能化放煤控制技术

根据12309工作面的地质特征及开采条件，结合目前智能化工作面发展现状，分别从支架放煤机构的精确控制、顶煤精准探测及煤矸识别技术、自动跟机放煤控制技术建立工作面智能化放煤控制，具体建设方案如下：

1) 支架放煤机构的精确控制。该机构主要包含支架精准位姿监测和支架放煤机构防碰撞控制两个部分。

a) 支架精准位姿态及放煤机构监测技术。12309工作面放煤支架设计时,选用高精度、高可靠性的尾梁行程传感器和插板行程进一步保障放煤机构的精准控制[1-3]. 此外每台支架还配置了压力、推移行程、测高、红外、倾角等传感器。传感器在井下监测收集到的信息通过以太网传输至地面调度指挥中心，指挥中心能够对数据进行显示、处理和保存等，具体传感器监测软件界面见图1.

b) 支架放煤机构防碰撞控制技术。为了实现液压支架姿态的精准控制和支护高度监测，指导放顶煤工作面生产作业调整，在液压支架顶梁与底座之间安装高精度的测高传感器，在尾梁安装倾角传感器实现了放顶煤液压支架整体姿态和放煤机构局部姿态检测，防止液压支架过低现象。尾梁倾角传感器安装位置见图2.

液压系统中增加降尾梁与收插板联动功能。当放煤开始后，优先收插板一定时间(或达到设定行程值)，然后再降尾梁；当放煤结束后，尾梁升到一定时间或达到设定行程值后，开始伸插板动作[4-5].

2) 顶煤精准探测及煤矸识别技术。精准顶煤探测是实现智能化开采关键技术之一，准确测量出未开采的煤层厚度是煤炭智能开采的必要条件。综放工作面煤岩分界不能直接观察到，需要具有穿透能力的雷达技术才能探测出具有一定厚度的煤层与岩层的分界位置，从而实时控制采放比。由于煤和岩石存在明显的介电常数差异，采用脉冲雷达发射出的信号在两者的分界处会有较强的反射信号，依此可以较容易地确定出煤岩分界面的位置，计算出顶煤煤层的厚度。该技术能够提前预测放煤量，结合放煤时间、放落煤矸比例和放煤量指导放煤过程，达到精准放煤。

图1 传感器监测软件界面图

12309工作面顶煤探测传感器采用探地雷达技术，采用频率0.9～8.8 GHz的无线电脉冲技术，能够达到探测煤层厚度3 m、探测精度10%的透地测量需求[6]. 12309综放工作面使用煤矸放落自动识别传感器，该传感器采用先进的传感采样技术，对煤矸信号振幅、能力等振动信号处理，通过内部的加速度计模块，对采集的加速度信号进行滤波算法求得物体的振动频率[6-7].

图2 尾梁倾角传感器安装示意图

煤矸识别传感器牢固吸附在液压支架尾梁处，传感器另一端直接插在智能放煤控制器指定接口上，安装时需确保安装面平整，接触处无煤灰等杂物，具体煤矸识别传感器接口及安装位置见图3.

图3 煤矸识别传感器接口及安装示意图

3) 自动跟机放煤控制技术。液压支架跟机过程中，增加支架依据采煤机位置自动放煤功能，同一时间放煤口开关数量不大于2个，采煤机从机头向机尾作业，液压支架依次按照跟机移架区域、跟机伸/收伸缩梁护帮板联动区域、跟机放煤区域、跟机推溜区域进行自动动作，具体跟机放煤工艺见图4.

3 智能化开采技术

3.1 智能化开采方案

12309智能工作面综合采用输送机负荷监测技术、液压支架精确控制放煤机构、智能化综放面三机工况检测与控制技术、智能化综放工作面直线度控制技术、系统定位及防碰撞安全保障技术、成套装备大数据专家系统技术。工作面主要配备负荷监控(煤量扫描装置+负荷监测平台)、三机工况监测与控制、系统定位及防碰撞设备，工作面设备配置情况见表1.

图4 跟机放煤工艺图

表1 工作面设备及系统明细表

12309智能化综放工作面形成了以“前部记忆截割、后部智能放煤，远程集中控制”的采放协调生产模式，工作面人员布置见图5. 生产作业方式采用“四六”制生产组织方式，按照日推进10刀的正规循环组织生产。

图5 工作面人员布置图

工作面巡检工、机头机尾超前支护工、 监控员及远程放煤监控工，其岗位职责包括：

1) 工作面巡检工：包括液压支架和采煤机巡检工，其工作内容主要是在开采时观察设备运行情况，发现问题紧急停机，并联系人员共同解决问题；原工作面后部放煤操作由放煤巡检工完成，工作面放煤巡检工主要监测跟机放煤、记忆放煤过程，监测大块顶煤情况。

2) 监控员及远程放煤监控工：远程放煤监测工负责监测支架动作，同时通过视频、数据等信息观察工作面的运行状态，根据远程监测放煤机构动作情况补放，预判运输机负荷，提前干预放煤口数量控制，进行工作面智能化开采；采煤机监控员主要负责综采设备的启停、远程人工干预采煤机进行各项动作。

3) 超前支架工：机头进风巷和机尾回风巷分别配备两名超前支架工，一人的主要职责是在超前支架移架过程中对支架自移不到位等情况进行调整，另一人负责对操作人员的安全情况进行监视和指挥；同时超前支架工还负责两巷的物料回收等工作。

3.2 应用效果分析

12309工作面智能化开采系统经过6个月调试和运行，自动化生产设备运行稳定，实现全工作面自动化跟机作业的常态化、 采放工艺协同、智能化放煤。原工作面圆班人员100人，工作面工效为 145 t/工，减至目前井下65人+地面10人开采模式，圆班75人，工作面工效提升为181 t/工，达到了矿井减员提效的目的，同时将职工从操作工变为巡视工，并从危险的作业现场解放到相对安全的监控中心，提高了生产作业安全性。

采用智能化综放技术后，生产能力提高了96万t/a. 按照目前煤炭价格725元/t,年增加产值69 600万元。每吨煤成本151元，年增加利润55 104万元。

4 结 论

王家岭煤矿12309工作面地质特征、开采条件及智能化设备现状，利用支架放煤机构的精确控制、顶煤精准探测及煤矸识别技术、自动跟机放煤控制技术建立工作面智能化放煤控制系统，形成“前部记忆截割、后部智能放煤，远程集中控制”的智能综放工作面。