强冲击危险性矿井综放工作面自动化开采技术研究

陈 振 秦 鹏

（山东省天安矿业集团有限公司，山东 曲阜 273100）

1 概述

星村煤矿煤层埋藏深度为-1100～ -1300 m，3 煤层沉积稳定，结构复杂，中上部含一层灰白色细砂岩夹矸，厚0.03 m，厚度稳定，全区发育，为3 煤的主要标志层。3 煤厚7.8～8.6 m，平均8.3 m，属厚煤层。工作面埋藏深，煤质较为松软，具有可放性，资质单位对星村煤矿3 煤冲击倾向性鉴定结果属于强冲击倾向性煤层。矿井自投产以来以发生过数次冲击地压事故，严重危害了矿井的安全和工人的身体健康，制约着矿井的可持续发展。

对于冲击地压矿井来说，除了以往经验的强卸压、强支护外，另一重要手段就是实施“机械化换人、自动化减人”。综采放顶煤工艺复杂，过度依赖人力，严重制约了采煤工作面减员增效工作的实施。工作面支架立柱初撑力能否进行实时监测，监测数据能否进行深入分析，这是冲击地压工作面迫切需要解决的问题。

基于以上需要，通过煤机定位、自动记忆割煤、一体化电液控阀组、支架远程控制、支架成组控制、自动跟架移架、记忆放顶煤、支架初撑力实施监测，形成一套针对冲击地压矿井综放工作面的自动化系统。

2 采煤工艺简介

星村煤矿综采工作面采用单一走向长壁后退式采煤法，综合机械化放顶煤回采工艺。双滚筒电牵引采煤机割煤，进刀方式为中部斜切进刀，往返一次进一刀，采高2.6±0.1 m，截深0.63 m。采用后溜矸石填隙法放顶煤开采工艺，通过液压支架尾梁插板伸缩、摆动放顶煤。每推进一刀的放煤工作分两轮完成，自下向上依次进行，前后两轮的放煤口相距5～7 架。第一轮先放出顶煤量的约2/3，第二轮放煤至含矸量约占该口出煤量的30%时及时封口，升起支架尾梁，伸出插板。具体正规循环作业顺序：割煤→移架→放顶煤→拉后溜→放矸，拉后溜前须将上一刀顶煤放净。放顶煤只要在下一刀割煤前完成即可。

3 自动化开采技术研究

矿井综放工作面自动化技术主要解决的难题在于煤机定位、自动记忆割煤、一体化电液控阀组、支架远程控制、支架成组控制、自动跟架移架、记忆放顶煤、支架初撑力实时监测。综放工作面自动化控制系统结构图如图1。

图1 综放工作面自动化控制系统结构图

3.1 采煤机定位研究

采用在采煤机行走部、摇臂处安装高精度绝对增量式旋转编码器，并研发相应硬件接口及后台程序，替代传统角度传感器、频率编码器等，实现对摇臂姿态、煤机位置的精准定位，实现对采煤机进行厘米级的精准定位。通过在采煤机安装红外发射器、在支架前立柱安装红外接收器的定位方案，实现对精准定位的校核。

3.2 采放顶煤工作面自动割煤控制逻辑及软硬件

综采放顶煤工作面生产工艺较为复杂，三机设备的协同工作、采煤机记忆截割、支架自动跟机移架、视频监控自动切换、放顶煤操作的远程控制等复杂工艺流程均需由自动化系统总后台进行统一控制，本部分需要对各设备电气及通讯接口进行统一、对各生产工艺进行逻辑控制、对各类控制及视频信号进行远程实时显示等。

3.3 一体化电液控阀组及配套电控系统

摒弃传统手板阀的方案，重新设计一套既能电控也可应急时手动控制的一体化电液控阀组。液压支架系统压力一般为31.5 MPa，且各油缸所需乳液流量较大，普通电磁阀线圈功率较小，无法驱动较大的阀芯。经过深入试验、探究，决定采用电磁控制先导阀、先导阀导通液路控制大流量主阀阀芯的方案，实现电控小、小驱大的技术方案。

3.4 支架远程控制、支架成组控制、自动跟架移架、记忆放顶煤

星村煤矿现使用ZF6200/17/30 型液压支架，其推移油缸不具备测距功能。为确保工作面自动化推溜、移架精确、平直，经过对比研究选用高精度磁致伸缩传感器，同时对推移油缸及固定耳座进行了重新设计。推移千斤顶规格：Ф160/105×700；接口：DN13；缸径：Ф160 mm；杆径：105 mm；推力：360 kN；拉力：633 kN；介质：MT/76 中规定的乳化油或浓缩液与中性软水按照5:95 的质量比配置的高含水液压液。传感器示意图如图2。

图2 传感器示意图

由于推移千斤顶改造后需加装传感器，因此原有带扁的缸底不适用电液控推移改造要求，需将缸底改为锻造耳轴缸底结构。改造后的电液控推移顶缸底固定销将直径由原来的55 mm 增加至65 mm，活塞杆头固定销直径不变，缸径为160 mm，杆径为105 mm，行程为700 mm，缸底和杆头固定孔中心距为1135 mm，与改造前一致。具体结构如图3。

图3 电液控推移千斤顶示意图

3.5 液压支架立柱初撑力实时在线监测系统

采用数字式高精度压力传感器监测立柱初撑力，借助自动化系统CAN 总线将数据实时传输至监控后台，后台程序将支架位置及压力进行可视化呈现，并形成数据库，为支架压力报警、工作面顶板压力监测、冲击地压防治等提供有力的数据支持。

4 结论

（1）无人化开采工艺的推广，整个采煤过程实现无人化，全部工序采用远程控制，大大减少了冲击对作业人员的危害，提高安全系数。

（2）随着浅层煤资源的逐渐枯竭，煤矿开采活动逐渐向深层开展，采深超过1000 m 的矿井都面临冲击威胁。工作面无人化开采工艺的大规模应用，有利于深层煤炭开采活动的安全顺利进行。

（3）工作面无人化开采减少了冲击的危害性，提高了安全系数，经济效益和社会效益显著。