大采高智能化开采煤壁全过程精准控制技术研究.pdf

第 卷第 期煤 炭 科 学 技 术 年 月 . 移动扫码阅读 刘俊峰唐恩贤许永祥等.大采高智能化开采煤壁全过程精准控制技术研究 煤炭科学技术 . / . . / 大采高智能化开采煤壁全过程精准控制技术研究 刘俊峰唐恩贤许永祥张玉良 . 天地科技股份有限公司北京 .煤炭科学研究总院北京 . 陕西陕煤黄陵矿业有限公司陕西 黄陵 .国家应急管理部 煤矿智能化开采技术创新中心陕西 黄陵 摘 要针对黄陵矿区及条件类似工作面大采高智能化开采煤壁控制现状尤其是在片帮预警、智能 控制等方面的难题考虑智能化开采和综合机械化开采的工艺区别从工作面设计、工作面设备参数 确定、护帮参数优化、传感器方案、控制方案等 个方面在预防、发展、防护 个阶段进行考虑和设计 智能化开采煤壁控制方案 优化了液压支架护帮机构及护帮控制方式设计了护帮板精准控制工艺 建立了基于片帮影响因素的工作面煤壁片帮预警模型提出采用视频监控、太赫兹扫描和人员定位技 术结合工作面设备集中控制系统的工作面片帮防护体系形成了大采高智能化开采煤壁全过程精准 控制技术 将片帮控制技术纳入工作面智能化开采控制系统有效解决了智能化开采煤壁控制难题 支架工由 人操作减少为无人操作 人巡视在黄陵矿区二号井顺利实施了大采高智能化开采工 作面年产量达到 万 关键词智能化开采全过程精准控制回采工艺片帮预警模型煤矿智能化 中图分类号 文献标志码 文章编号 . . . . . .. . . . . . . . . . 收稿日期责任编辑赵 瑞 基金项目国家重点研发计划资助项目 作者简介刘俊峰男山西晋中人研究员博士 . 中国煤炭行业知识服务平台w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 引 言 为满足我国经济发展的要求煤炭行业正由粗 放的生产方式向集约化、精细化方向转变能够实现 智能感知、智能决策和智能控制的智能化开采成为 煤炭安全高效开采的发展方向与必然趋势 天 地科技股份有限公司和陕西陕煤黄陵矿业有限公司 经过 多年的智能化开采技术研究现已实现了薄 煤层、中厚煤层、大采高智能化开采的全覆盖 实践发现由于在信息获取、决策和执行阶段的不同 特点智能化开采工艺并非综合机械化开采工艺的 简单复制 综合机械化开采的工作面信息通过工人的视 觉、听觉并借助一定的传感器和监测监控仪器来获 取存在获取信息较感性、单向信息精确度不够、获 取量有限等缺陷智能化开采则通过大量的压力传 感器、距离传感器等实现全天候实时获取高精度信 息不受时间场合的限制 综合机械化开采的决策 主要依靠个人进行对信息的判断、工艺执行具有一 定的弹性个体差异较大智能化开采则依靠程序进 行可复制、可重复、可自学习的决策并实现精准坚 决快速的执行 大采高综合机械化开采具有工艺简单、单产高、 效率高、效益好、采出率高等显著优点是厚煤层的 主要开采方法之一 煤壁片帮冒顶是大采高智能化 开采的主要制约因素大采高工作面片帮出现的时 间和地点具有随机性片帮处理不及时易引起后续 的冒顶事故影响工作面正常推进以往采用化学注 浆、加强支护等防治片帮的手段难以完全适应大采 高智能化开采的要求 在工作面设计和工作面设备 参数确定阶段从智能化开采相比较综合机械化开 采在信息获取、控制和决策方向的不同特点出发 进行护帮参数优化、传感器方案、控制方案的设计 从片帮预防、片帮发展、片帮防护 个阶段进行分别 考虑和设计进行大采高智能化开采的煤壁全过程 控制 工作面开采设备参数优化及智能化设计 控制煤壁技术 在工作面设计阶段通过地应力测试、煤岩力学 参数测定等手段结合以往大采高开采实践确定工 作面采煤方法、工作面位置、巷道尺寸及工作面参数 黄陵二号井 工作面煤层厚度 .. 平均采 高 . 工作面倾向长度 走向长度 端部斜切进刀双向割煤方式 工作面最终配套采用 // 型 液 压 支 架 号、 / 型电牵引采煤机、/ 型刮板输送 机、/ 型转载机、 型破碎机 在片帮预防阶段为有效控制煤壁根据煤层地 质条件和配套尺寸液压支架需合理确定初撑力、护 帮力和护帮机构 基于工作面支架围岩刚度、强度、 稳定性三耦合理论及片帮机理研究采用大采高工 作面片帮“拉裂滑移”力学模型分析可知合 理的液压支架支顶力可降低顶板对煤壁的压力减 少煤壁内裂隙的发育、扩展程度及范围降低煤壁片 帮深度和频率 护帮力不但可以延缓煤体的拉裂破 坏而且可以防止拉裂破坏的煤体滑移失稳 根据 工作面顶板破碎、煤层片帮及底板软弱的特点 经理论计算、数值模拟确定的工作面在 .. 的使用高度支护强度应不小于 . 液压支 架不同高度的工作阻力如图 所示液压支架顶梁 前端支顶力达到 图 能够对前方煤壁 进行有效控制 图 液压支架工作阻力 . 图 液压支架前端支顶力 . 为了实现大采高工作面煤帮与液压支架护帮板 的自适应控制一般选择控制一级护帮板二级护帮 板通过双向联动液压锁实现自适应联动控制可保 证割煤过程中煤壁能够得到及时支撑从而实现防 片帮控制 将护帮感知和控制纳入大采高液压支架 姿态及受力状态的实时监测系统为工作面围岩控 制提供准确依据及精准控制 实现液压支架护帮板精准控制就是实现一级护 中国煤炭行业知识服务平台w w w . c h in a c a j . n et 刘俊峰等大采高智能化开采煤壁全过程精准控制技术研究 年第 期 帮板的精准控制为此在支架上安装与支架控制器 有通信连接的接近开关、微熔压力传感器、磁致行程 传感器 接近开关用来检测液压支架护帮板是否完 全收回并将此信息发送给支架控制器当采煤机接 近时支架控制器通过通信网络向工作面报送故障 预警避免采煤机和液压支架发生碰撞 微熔压力 传感器供电后在压力作用下输出电压信号再通过 放大电路将压力传感器输出的毫伏电信号处理成 .. 的信号输出 在工作面液压支架护 帮板处于支护煤壁状态时压力传感器用来感知液 压支架护帮板对煤壁的支护效果根据设定压力自 动进行护帮板动作保证护帮板对煤壁的支护完好 磁致伸缩行程传感器利用铁磁材料的磁致伸缩原 理通过检测磁致伸缩线的形变位置来确定传感器 的行程值从而达到测量千斤顶活塞杆行程的目的 传感器内部采用一整根波导丝可以连续地精确测 量行程 磁致伸缩行程传感器相比传统干簧管行程 传感器内部元器件大幅减少并且没有干簧管等易 碎器件可靠性明显提升 当采煤机运行到支架附近 时支架控制器根据行程传感器检测的护帮板收回行 程值对液压支架护帮板动作进行精确控制图 图 护帮板传感器设置 . 防止片帮智能控制工艺 大采高智能化开采在片帮发展阶段需要通过合 理设计工艺保证支架的初撑力、减小煤壁暴露时间 和面积、对煤壁施加合理的护帮力等措施有效控制 片帮发展速度减小片帮发生概率和强度 电液控制系统设计支架初撑力自动连续补偿功 能工艺设计中立柱下腔设置压力传感器监测立柱 压力当立柱压力降至 以下时传感器将数 据传递给支架控制器控制器会自动执行升柱补压 到初撑压力 . 保证支护质量控制煤壁片 帮的发展 手工操作综采工作面由于不能对液压支架护帮 板收回行程进行精确控制采煤机前滚筒前方的液 压支架护帮板收回一般采用 种方式一种为只有 个支架护帮完全收回影响采煤机的运行速度和 回采效率一种为有多个液压支架护帮板完全收回 对煤壁的防护效果较差 采用智能精准控制除采 煤机前滚筒前方距离最近的液压支架护帮板自动完 全收回采煤机前滚筒前方的其他支架可以按递减 的方式依次自动收回不同的行程图 不但减少 了煤壁暴露的时间和面积而且不影响采煤机的推 进速度 图 护帮板精准控制工艺 . 在大采高工作面多级护帮板伸出动作时支架 控制器的自动执行顺序为伸出一级护帮板伸出 二级护帮板行程传感器实时检测一级护帮板的伸 出行程值并报送给支架控制器当一级护帮板伸出 行程值达到设定时开始伸出二级护帮板若一级护 帮板伸出保护时间到达而一级护帮板伸出行程值 没有达到时禁止二级护帮板伸出动作并发出一级 护帮板伸出故障警告防止发生多级护帮板动作干 涉事故 在大采高工作面多级护帮板收回动作时支架 控制器的自动执行顺序为收回二级护帮板收回 一级护帮板行程传感器实时检测二级护帮板的收 回行程值并报送给支架控制器当二级护帮板收回 行程值达到设定时开始收回一级护帮板若二级护 帮板收回保护时间到达而二级护帮板收回行程值 没有达到时禁止一级护帮板收回动作并发出二级 护帮板收回故障警告防止发生护帮板干涉事故 通过初撑力补偿可有效减小煤壁支承压力从 而降低片帮概率通过护帮板精准控制和护帮工艺 优化设计减小了煤壁暴露时间保持对煤壁的护帮 力延缓了煤壁片帮发展速度 片帮预警及防护体系设计 由于煤层地质条件的客观性片帮预防措施能 起到减小片帮概率和强度的作用并不能完全避免 片帮的发生 片帮防护要在片帮发生时通过预警 和判断片帮发生的时间和位置减小片帮发生的危 害 片帮的防护主要从超前探测预警、人员设 备感知和智能防护工艺设计 个方面进行 片帮预警主要目的是确定片帮的时间和位置 提前预警留出处理时间和空间 为此通过分析影 中国煤炭行业知识服务平台w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 响工作面片帮的因素建立了包括工作面埋深、工作 面顶板厚度岩性及强度、工作面煤层硬度及节理裂 隙发育程度、工作面煤壁暴露时间、前方支承压力大 小及范围、工作面顶板来压强度、工作面顶板下沉 量、护帮板的受力、采煤机截割阻抗等的片帮预警模 型 经过专家系统权重评测确定各因素对片帮的 影响权重通过不断的开采实践和数据校正对片帮 预警模型进行修正不断提高片帮预警准确性 工 作面片帮防护体系如图 所示 图 工作面片帮防护体系 . 采用视频监控对工作面煤壁、顶板进行图像监 测采用图像识别系统进行识别预测煤壁片帮的发 展规律并进行预警利用太赫兹在探测材料方面的 优势探测煤壁内裂隙发育程度及贯通情况探索新 型片帮损伤实时探测技术与仪器 综采工作面在运行过程中液压支架、采煤机、 刮板输送机根据工况及程序设定自动运行如果正 在动作或即将发生动作的支架内或者片帮区域有人 员经过或者停留则容易导致伤人事故发生 要避 免危险发生一方面必须尽可能减少工作面人员数 量及工作面滞留时间另一方面须对人员进行高精 度感知与定位并与电液控制系统相兼容智能探测 器能感知每一台液压支架附近的佩戴标签的人员 并对其所在支架实施自动闭锁暂停相关自动化动 作从而实现了人员安全保护的目的 最终建立片帮预警模型结合实时监控手段考 虑人员设备定位通过工作面控制系统调整采煤机 截割速度、护帮板动作、支架动作等形成完整的工 作面片帮防护体系 现场应用及结果分析 工作面生产作业方式采用“三八”制生产组 织方式按照日推进 刀的正规循环组织生产双 滚筒采煤机记忆截割双向割煤往返一次割 刀液 压支架自动跟机移架支护 包括液压支架的跟机喷 雾、跟机移架、跟机推移刮板输送机控制等功能大 采高工作面三角煤跟机自动化视频传输数据与自 动化控制系统主机进行实时通信监控中心能够显 示液压支架跟机运行状态推移刮板输送机拉架数 据、压力监测数据、采煤机运行状态 目前 大采 高工作面生产单班由原来 人减少至 人采场人 员配置见表 天连续作业轨迹如图 所示 表 工作面人员配备 传统工作面人员智能化工作面智能工作面人员职责 采煤机司机 人采煤机巡视工 人就地遥控干预操作 支架工 人支架巡视工 人就地遥控干预跟机 端头支架 人超前支架工 人 远程监控、现场操作 兼顾巷道支护和退锚 转载机司机 人 输送机司机 人监控中心 人远程集控开机 带式输送机司机 人地面分控中心 人生产决策 电工 人 泵站工 人 合计 人合计 人 图 天连续作业轨迹 . 由图 可知黄陵矿业集团 工作面采用全 工作面液压支架跟机自动化远程人工干预地面 监测的开采模式达到了采场无人化连续推进的要 求大采高煤壁片帮控制情况良好实现了工作面生 产过程的自动化和信息化 结 论 通过前期合理设计支架参数、优化护帮参数 及机构、制定合理的护帮措施和智能化相应方案开 采过程中采用及时的初撑力补偿、护帮监测及护帮 板精准控制以及片帮后的模型预警、实时监测以及 人员设备防护措施有效解决了黄陵矿业集团大采 高工作面智能化开采的煤壁控制难题 大采高智能化开采现场实践中新型煤壁全 中国煤炭行业知识服务平台w w w . c h in a c a j . n et 刘俊峰等大采高智能化开采煤壁全过程精准控制技术研究 年第 期 过程精准控制技术有效控制了工作面片帮对回采的 影响保证了智能化工作面的连续推进 智能化开采的工艺与普通机械化开采工艺 存在区别研究适合智能化开采的工艺是智能化开 采的重要环节之一 参考文献 王国法庞义辉任怀伟等.煤炭安全高效综采理论、技术与 装备的创新和实践.煤炭学报. . . . 王国法范京道徐亚军等.煤炭智能化开采关键技术创新进 展与展望.工矿自动化. . . . 袁 亮.煤炭精准开采科学构想.煤炭学报 . . . . 范京道. 煤矿智能化开采技术创新与发展. 煤炭科学技术 . . . . 刘俊峰唐恩贤刘新华等.黄陵矿业中厚煤层智能化回采工 艺适应性研究.煤炭工程. . . . 范京道. 智能化无人开采技术. 北京煤炭工业出版 社. 王国法李希勇张传昌等. 大采高综采工作面成套装备 研发及应用.煤炭科学技术. . . . 王国法刘俊峰任怀伟.大采高放顶煤液压支架围岩耦合三 维动态优化设计.煤炭学报. . . . 张银亮刘俊峰庞义辉等.液压支架护帮机构防片帮效果分 析.煤炭学报. . . . 庞义辉王国法.基于煤壁“拉裂滑移”力学模型的支架护帮 结构分析.煤炭学报. . “ ” . . 李明忠.中厚煤层智能化工作面无人高效开采关键技术研究 与应用.煤矿开采. . . . 刘俊峰.两柱掩护式大采高强力液压支架适应性研究.北 京煤炭科学研究总院. 娄金福康红普高富强等.基于“顶板煤壁支架”综合评 价的大采高支架工作阻力研究.煤炭学报 . . . . 王金华黄乐亭李首滨等.综采工作面智能化技术与装备的 发展.煤炭学报. . . . 范京道王国法张金虎等.黄陵智能化无人工作面开采系统 集成设计与实践.煤炭工程. . . . 刘俊峰王国法王福清等.皖北矿区综采工作面软弱围岩液 压支架耦合性能分析.煤炭工程. . . . 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