智能化综掘工作面的应用研究

王小峰

(汾西矿业集团高阳煤矿，山西 孝义 032300)

1 工程概况

1.1 工作面概况

21106工作面开采太原组9号～11号煤，煤层平均厚度8.7 m，根据临近二采大巷以及21107、21105工作面揭露的实际煤层情况，该区域地质构造较为复杂，工作面煤层结构属复杂结构煤层，稳定可采，煤种为瘦煤，煤层倾角平均5°。

1.2 水文地质情况

该区域地质构造比较复杂，工作面整体为一单斜构造区，陷落柱及断层较发育，且在大断层破坏影响范围，煤岩层裂隙发育，受含水层影响，工作面可能会出现淋水现象。该工作面上覆含水层为煤层直接顶板K2灰岩含水层，其上覆含水层还有K3、K4灰岩，其含水量较丰富，但补给不足，以静储量为主，水量不大，随着时间推移水量逐渐减小，预计上述灰岩含水层水对本工作面掘进影响较小。预计本工作面正常涌水量为10 m3/h，最大涌水量为30 m3/h。

1.3 巷道断面及支护情况

21106运巷设计断面为矩形断面，巷道掘宽5 400 mm，净宽5 100 mm，掘高3 400 mm，净高3 200 mm，掘断面积18.36 m2，净断面积16.32m2，采用锚网索联合支护，见图1。

顶板锚杆支护形式：采用Φ22 mm×2 200 mm的螺纹钢锚杆(两边角采用Φ22 mm×2 400 mm),间距900 mm，排距1 000 mm，“六·六”矩形布置，两帮锚杆“四·四”矩形布置。两帮锚杆：采用Φ22 mm×2 200 mm的高强度左旋无纵筋螺纹钢锚杆，间距为900 mm，排距为1 000 mm，“四·四”矩形布置。

图1 运输巷支护断面图

顶帮铺设一片5 500 mm×1 100 mm(长×宽)的六边形金属网，两帮各铺设一片3 000 mm×1 100 mm(长×宽)的六边形金属网网与网搭接50 mm，采用16#双股铅丝扭接不少于3圈，联网距不大于200 mm。

顶板锚索采用Φ21.8 mm×6 300 mm的钢绞线，“二·二”矩形布置，间距2 000 mm，排距2 000 mm。

2 21106运巷综掘工艺流程

1) 进行现场交接班，了解上一班遗留问题和隐患并进行处理。

2) 安全检查工作，对作业环境和设备状态进行检查，与总控值班人员取得联系，保证通信和网络畅通，各设备试运转正常，对巷道中腰线和导航系统进行校正。

3) 现场作业环境经确认满足开工条件，依次开启设备进行综掘机循迹自动截割作业，每次截割深度1 m，截割完成后综掘机截割头落地，打开机载支架临时支护、铺联网、上W钢带施工、顶锚杆，然后施工帮锚，然后收回临时支护进行下一次截割。截割完成后综掘机截割头落地，打开机载支架临时支护、铺联网、上W钢带、顶锚杆和锚索，一个循环完成。

4) 每截割2 m为一个循环，循环结束后综掘机继续截割开始下一循环，同时使用PZL1200/300M-5锚护转载破碎机依次施工顶锚杆和剩余锚索和注浆锚索，顶板支护完毕后施工帮锚杆。同时人员进行联网作业，紧固锚杆。

5) 当循环结束后由班组长和验收员对当班工程质量及标准化工作进行验收。

3 掘进智能化工作面系统

3.1 掘进智能控制系统架构

掘进机智能控制系统由3层构成，第一层为设备层，主要包括掘进机、摄像仪、3D激光扫描仪、惯导单元、倾角传感器、电流传感器等检测传感器设备组成。第二层为传输层，主要由控制回路的CAN总线、传感器检测数据到控制器的以太网总线、掘进机到5G基站的5G通信、5G基站到井下集控中心采用光纤方式、井下集控中心到地面集控中心采用光纤方式。第三层为控制层，包括就地控制、视距遥控、井下集控、地面集控4种控制方式。

3.2 21106运巷智能掘进工作面设备配套(见表1)

表1 21106运巷智能掘进工作设备配套

3.3 掘进智能控制系统配套

掘进智能控制系统包括：视距无线遥控系统、工况检测监控系统、掘进机定位智能截割系统、掘进机智能化控制系统、掘进机定向定位导航系统、视频监控系统、掘进巷道3D扫描快速成像系统、5G网络通信系统、井下集控中心、地面集控中心。

3.4 掘进机定位智能截割系统

操作人员从集控中心上位机选择形状并输入断面宽、高等参数，掘进机智能控制系统自动计算特征点，由特征点分布控制截割头作业运动曲线，截割路径如图2。

图2 掘进机截割路径图

3.5 掘进机定位智能截割功能实现步骤

通过掘进机姿态定位数据结合远程控制技术实现定位智能截割功能，主要分以下4步：

1) 结合截割臂行程传感器反馈数据及掘进机机械结构设计数据确定截割头相对于机身的位置及姿态；

2) 通过三维激光扫描仪和惯导定位机身相对与巷道的位置和姿态；

3) 将前两步数据结合形成截割头相对于巷道的坐标；

4) 将测算得到的坐标与人工录入的目标坐标对比，形成控制指令，控制机身、截割臂动作，实现截割头的精准定位、自动截割、断面自动控制形成功能。同时记录截割实时轨迹，在进行同样巷道截割时，只需调用截割轨迹，即可实现截割轨迹记忆功能。

4 结论

通过在高阳煤矿21106综掘工作面进行智能化建设，每截割1 m进行一次临时支护，每截割2 m为一次正规循环，每一次正规循环包括掘进机截割、扫底出矸，掘锚机施工锚杆、锚索，之后进行下一个循环，截割和支护平行作业，每完成一个正规循环时间约110 min。施工组织采用“三八”制作业，生产班掘进工作面用工7人，月进度达到432 m。实现了掘进自动化、成巷标准化、掘进少人化甚至无人化的全新的掘进工作格局，不仅提高了掘进作业安全程度，还使工作面作业人员劳动强度大大降低，工作效率显著提高。