自动放顶煤技术在急倾斜特厚煤层应用研究

     作者：吕  松1  张  戈1  漆  涛1  陈太光1  刘  清2

    （1．神华集团神华新疆能源有限责任公司，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市．830000：

    2．北京天地玛珂电液控制系统有限公司，北京市朝阳区，100013）

    摘  要  研究了自动放顶煤及煤矸识别技术在乌东矿-475B3+6急倾斜工作面中的应用。 实践表明，自动放顶煤技术不仅提高了整个工作面放顶煤的自动化水平，也减少了工作面放 煤操作工人数量，并通过安装后部摄像仪，实时采集后部放煤情况，为自动放顶煤提供了可  靠的依据。

    关键词  急倾斜特厚煤层  综放工作面  自动放顶煤放煤视频  煤矸识别  鸟东煤矿

    中图分类号  TD823. 97    文献标识码  A

    Application research of automatic top coal caving technology in steeply inclined and extra thick coal seam

    Lv Song1, Zhang Ge1,  Qi Tao1, Chen Taiguang1 ,  Liu Qing2

(1. Shenhua Xinjiang Energy Co. , Ltd. , Shenhua Group Co. , Ltd. , Urumqi, Xinjiang 830000, China;

2. Beijing Tiandi-Marco Electro-Hydraulic Control System Co. , Ltd. , Chaoyang, Beijing 100013, China)

     Abstract  The author researched the application of automatic top coal caving technology andcoal-gangue identification technology in+475 B3+6 steeply inclined face of Wudong Mine.  Thepractices indicated that the automatic top coal caving technology not only improved the automa-tion level of whole caving face, but also decreased the number of operator in caving face.

Through installing camera shooting in the back of the face, the top coal caving conditions couldbe collected in real time, which provided reliable basis to automatic top coal caving mining.

    Key words  steeply inclined and extra thick coal seam, fully mechanized caving face, auto-matic top coal caving, video of top coal caving, coal-gangue identification, Wudong Coal Mine

    综采放顶煤开采存在的难题是如何根据煤炭放落程度控制放煤口的大小，从而控制落煤的多少。目前，顶煤放落全靠人工观察来判断和控制。由于工作面条件恶劣，人工判断存在一定的滞后性，不可避免地导致顶煤的过放或欠放，且在放煤过程中需要操作人员通过两台支架的空隙专注地观察后部放煤情况，采用手动阀去操作支架尾梁，不仅工作量大，操作也不方便，特别是对于急倾斜特厚煤层，都是以人工放煤为主。因此，研究放煤过程中煤矸混合程度的自动识别技术，并结合自主研发的适合我国煤矿使用的放顶煤支架电液控制系统，协调控制液压支架的放煤动作，对准确控制放煤过程、实现放顶煤开采的自动化具有十分重要的意义。

    将自动化控制系统与液压支架电液控制在综放工作面有机结合，既实现了前部跟机自动化的控制，也实现了放煤口的自动控制；还提高了放顶煤的开采率，降低了煤中的矸石含量，提高了煤质；减少了设备维修量和停机时间；还可使作业人员远离危险工作面，降低了粉尘对人员健康的危害。

本文以乌东矿+475B3+6工作面作为煤矸识别及自动放顶煤应用示范基地，对自动放顶煤的关键技术进行了应用研究，提出了一种在急倾斜特厚煤层实现自动放顶煤的采煤方法。

    1  乌东矿概况

    神华新疆能源有限责任公司是我国集中开采急 倾斜煤层最大的矿区，其探明储量占我国急斜煤层 探明储量的30%以上。矿区西起乌鲁木齐河东至 铁厂沟河，走向长19 km，可采煤层27～35层，煤层平均厚度143. 38 m，倾角430～880。  + 475B3+6工作面位于乌东煤矿南采区 +475 m水平东翼，该工作面倾向长43 m，进风 巷道断面尺寸为4600 mm×3600 mm（宽×高），该工作面于2014年6月进行工作面设备安装，于2014年10月正式生产。

    +475 B3+6工作面煤层厚度为25 m，煤层倾角870～890，平均为880，走向N580～600，属于急倾斜特厚煤层，煤层稳定，结构简单，全井田范围稳定可采。

    2  主要研究内容

    对乌东矿+ 475B3+6工作面的放顶煤工艺进行研究，确定工作面主要配套设备。在实际生产过程中，采用以记忆放煤、煤矸识别及远程放顶煤技术为主，配合协同控制等技术，实现工作面自动放顶煤。

    2 .1  放顶煤支架电控系统功能

    乌东矿+475 B3+6工作面煤层厚度25 m，采放 比为1：7. 33。在如此大采高工作面实现放顶煤， 其工艺更复杂，要求支架电控系统对放煤过程要有 完备的控制策略，因此需要研制高端支架控制器和控制软件，提高放煤效果，并用融合算法综合处理 得到的多传感器特征信号，将处理结果反馈给支架 控制器，实现对放煤口的闭环控制，从而实现综采 放顶煤过程的自动化。

    2.2+475 B3+6工作面配套设备

    由于+475B3+6工作面煤层厚度为25 m，采放比为1：7. 33，因此，采煤机采高选择为3m，后部放煤高度为22 m，且由于该工作面实际倾向长度为43 m，长度较短，采用单滚筒采煤机。自动放顶煤的实现则通过以下技术实现。采用电液控制系统实现对支架动作的自动控制；选择SAC型液压支架电液控制系统实现支架的跟机自动化功能，且能完成后部放顶煤的自动控制功能；采用SAM自动化控制系统实现对工作面及后部放顶煤的远程监视及控制功能。主要配套设备见表1。

    3  自动放顶煤技术

    目前的放顶煤操作都是依靠人工操作，不仅效率低，而且操作人员劳动强度大，随着技术的不断发展，以及对放顶煤工艺的研究，通过电液控制系统及综采自动控制技术在乌东矿+ 475 B3+6工作面进行自动放顶煤的试验，以记忆放顶煤作为主要放煤手段，煤矸识别及远程干预作为辅助手段，并通过自动控制系统进行协同控制，最终实现工作面的自动放顶煤功能。自动放顶煤方案见图1。

    3.1  记忆放顶煤

    记忆放顶煤由SAC型电液控制系统完成。主要原理为带记忆功能的自动放顶煤模式下，支架控制器通过先学习放顶煤操作人员对支架的操作动作序列和时序长度，然后通过对数据的分析计算，形成记忆放煤参数，支架控制器便可根据记忆的放煤参数进行自动化放煤控制。每当煤层条件发生变化时，需要重新学习。

    在自动化放煤控制过程中，采用记忆放煤，将记忆下的放顶煤动作数据调出，让电液控制系统依据记忆实现放顶煤。随着工作面的推进，顶煤煤层变化是不确定的，放煤时间参数需要经常修改。

    3.2  远程干预

    远程干预放顶煤由SAM型自动化控制系统完成，主要原理为在液压支架四连杆后部安装摄像仪与照明灯，见图2。通过照明灯为摄像仪进行补光，摄像仪用于监视后部刮板输机上落煤情况，通过以太网将后部刮板输送机落煤情况视频传输到设置在进风巷中的监控中心，通过监控中心看到的后部刮板输送机上落煤情况，在液压支架操作台进行远程放煤控制，实现远程放煤。

    3.3煤矸识别

    煤矸识别传感器安装在液压支架尾梁上，放顶煤时实时监测落在后部刮板输送机上的是煤还是矸石，通过煤矸识别传感器与控制器之间的通信功能，将放顶煤过程数据实时连续地传输到控制器上进行显示，放煤工人通过观察控制器上的显示屏数据得知后部放煤情况。当放煤过程煤矸放落能量超出所设阈值时，控制器通过自带的蜂鸣器进行声音报警提醒放煤工人后部放煤口落下矸石，并且由电液控制系统自动控制放煤口的关闭，实现自动放煤功能。

    3.4放顶煤的协同控制

    在放顶煤过程中，如果煤块垮落过快导致后部刮板输送机超负荷时，就要将刮板输送机降到低速状态，在低速状态将后部刮板输送机上的煤转运到转载机上。在自动放顶煤过程中，SAM型自动化控制系统通过对刮板输送机负荷进行检测，如发现后部刮板输送机负荷超过警戒线，则控制放煤口关闭，待后部输送机的负荷降到警戒线以下再重新开启放煤口，保证生产过程的连续性，提高生产效率。

    4  +475B3+6工作面自动放煤效果

    乌东矿+475B3+6工作面煤层厚度为25 m，工 作面长43 m，工作面共布置27架ZFY10000／22/40D液压支架，采用电液控制系统实现前部跟机自动化功能及后部放顶煤功能，工作面采高3m，后部放顶煤高度22 m，工作面刮板输送机机头采用  垂直布置。

    工作面生产过程分两个阶段，第一阶段是前部 跟机自动化生产过程，由采煤机进行自动割煤，通过SAC型电液控制系统控制液压支架自动跟随采煤机动作，完成支架跟机功能；第二阶段是后部自动放顶煤生产过程，自动放顶煤功能由SAC型电液控制系统与SAM型自动化控制系统协同完成。

    自动放顶煤生产时，由支架控制器将操作人员放煤工序进行记忆，将数据存贮于内部存储器，监控中心内的操作人员通过操作台与主控制器启动记忆放煤操作，通过后部放煤视频监视放煤情况，并通过SAM型自动化控制系统监测后部刮板输送机的负荷情况。按照放煤要求，当放煤过程中出现落矸时，应及时关闭放煤口，如果操作人员通过支架后部视频观察到放煤口未关闭，通过操作台远程干预支架动作，远程关闭放煤口；另外，在放煤过程中，由于落煤量过大，导致后部输送机的负荷达到或超过预警值，协同控制机制会触发，通过减小放煤口大小控制放煤量。如果后部输送机的负荷仍然持续升高，达到了停止放煤的门限值，会关闭放煤口，停止放煤，SAM型自动化控制系统监测到后部刮板输送机的负荷恢复正常后，再开启放煤口进行放煤。

    5应用效果与存在的问题

    5 .1  应用效果

    (1) 乌东矿+475B3+6工作面通过煤矸识别系 统的应用，发现在乌东矿的煤与岩石硬度比达不到该传感器的识别要求，无法有效识别。

    (2)将后部视频与记忆放煤、协同放煤技术结 合应用，探索出了一条适合乌东矿的自动放煤方 法，有效地解决了在急倾斜特厚煤层条件下的自动 放煤问题。

    5.2  存在的问题

    (1)后部放煤时，如果放煤速度过快会产生大 量的煤尘，对后部视频效果有影响，需提高摄像仪 清晰度以及解决煤尘过大的问题。

    (2)后部输送机由于采用的是高低速方式驱 动，如果采用变频方式控制，可实现对后部输送机 的调速控制，控制方式更加灵活。

    (3)煤矸识别系统对煤与岩石硬度比要求达到1：3的比例，而乌东矿+475B3+6工作面煤与岩石 的硬度比由于未达到该比例，因此很难通过该系统 进行识别，通过煤矸识别的方式进行自动放煤仍存 在一定的局限性，需改进检测方法。

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