薄煤層上保護(hù)區(qū)無人工作面開采設(shè)計

薄煤層上保護(hù)區(qū)無人工作面開采設(shè)計

0薄煤層無人工作面自動化開采的發(fā)展趨勢目前，中國許多煤礦的厚煤層開采基本中斷，薄煤層（厚度1.3m）的分布范圍非常廣泛。從現(xiàn)有的煤炭分配來看，只有61.5億t才能實現(xiàn)。因此，很難利用薄煤層進(jìn)行開采。降低難采薄煤層工作面勞動強(qiáng)度,提高工作人員的安全系數(shù)和采煤效率,研究難采薄煤層采煤新技術(shù)、新工藝,研發(fā)高效智能的采煤裝備,減少井下作業(yè)礦工人數(shù),最終實現(xiàn)井下采煤的無人化,已成為國內(nèi)外采煤行業(yè)的重要研究方向。薄煤層無人工作面自動化開采是由自動化控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、設(shè)備工況檢測和故障診斷技術(shù)、電液控制技術(shù)、集中控制技術(shù)構(gòu)成的機(jī)電液一體化的綜合機(jī)械化采煤自動化技術(shù)。其中,無人工作面自動化系統(tǒng)的“三機(jī)”設(shè)備主要包括采煤機(jī)、液壓支架和刮板輸送機(jī),實現(xiàn)“三機(jī)”自動控制是實現(xiàn)無人工作面自動化的基礎(chǔ)。筆者針對某礦高瓦斯近距離煤層群條件下薄煤層保護(hù)層的安全高效開采的問題,結(jié)合難采薄煤層工作面的生產(chǎn)技術(shù)條件及無人工作面自動化開采技術(shù),介紹對該礦北翼2號薄煤層進(jìn)行上保護(hù)層無人工作面開采的實現(xiàn)方案。1試驗工作的生產(chǎn)技術(shù)條件1.1工作面分布情況該礦區(qū)煤系地層為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組,共含煤17層,煤層總厚度為19.42m,屬于高瓦斯近距離煤層群開采條件。北二采區(qū)2號煤層的平均厚度為1.1m,傾角為4°。下鄰近14m處為(3+4)號重疊煤層,煤層平均厚度為4.6m,煤層相對瓦斯含量為11.56m3/t;下鄰近22.7m處為5號煤層,煤層平均厚度為3.6m,煤層相對瓦斯含量為14.74m3/t。(3+4)號、5號煤層屬于高瓦斯且有突出危險性煤層,2號薄煤層瓦斯含量較低且無突出危險性,故選擇對2號薄煤層進(jìn)行上保護(hù)層開采。22201工作面為2號薄煤層的首采保護(hù)層無人工作面,工作面長度為150m,采用沿空留巷技術(shù)構(gòu)成Y型通風(fēng)系統(tǒng),如圖1所示。22201工作面直接底為細(xì)砂巖,平均厚度為2.6m;基本底為深灰色粉砂巖,厚度為1.8m左右;偽頂為灰黑色泥巖,厚度為0.83m左右,分布不均;直接頂為深灰黑色砂質(zhì)泥巖,平均厚度為6.27m;基本頂為泥巖,平均厚度為12.5m,并夾含2層細(xì)粒砂巖薄層。1.22液壓支架選型(1)MG2×150/700-WD1型電牽引矮機(jī)身采煤機(jī),裝機(jī)功率為700kW,電壓為3300V,牽引速度為0~9.01m/min。其特點主要為機(jī)身較矮、短,裝機(jī)功率大,對難采薄煤層的適應(yīng)性較好。(2)ZY3600/07/16.5D型兩柱掩護(hù)式電液控制液壓支架,支護(hù)高度為700~1650mm,支架寬度為1430~1600mm,中心距為1500mm,初撐力為3093kN,額定工作阻力為3600kN。該支架支護(hù)強(qiáng)度大、穩(wěn)定性好,適合于0.7~1.65m難采薄煤層工作面。(3)SGZ730/320型輸送型中雙鏈鑄焊封底式刮板輸送機(jī),輸送能力為650t/h,裝機(jī)功率為2×160kW,刮板鏈速為1m/s,采用YBS-160型大功率電動機(jī)牽引。該機(jī)輸送能力大,結(jié)構(gòu)簡單,維護(hù)方便,安全可靠,滿足難采薄煤層開采需要。222201個工作面的自動管理系統(tǒng)設(shè)計針對22201工作面的設(shè)備選擇,要求整個工作面的設(shè)備具有相應(yīng)的控制系統(tǒng),并且達(dá)到無人工作面開采的條件。2.1集中控制中心22201工作面已經(jīng)配置了KTC101控制器及SAC型電液控制系統(tǒng)。在22201機(jī)軌合一巷內(nèi)設(shè)置集中控制中心,通過機(jī)軌合一巷配置KTC101控制器自動控制采煤機(jī)、刮板輸送機(jī),SAC型電液控制系統(tǒng)通過支架紅外線傳感器以采煤機(jī)位置為依據(jù)實現(xiàn)支架的跟機(jī)自動化,實現(xiàn)薄煤層綜采工作面的自動化、無人化。22201工作面自動化控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及其數(shù)據(jù)傳輸流程分別如圖2、圖3所示。2.2采煤機(jī)自動調(diào)節(jié)優(yōu)先檢測(1)記憶割煤。結(jié)合22201工作面開采條件,在其無人工作面中采用記憶割煤方法實現(xiàn)采煤機(jī)自動割煤,這種控制方式是基于位置傳感器或計算機(jī)記憶的“示教跟蹤”控制,有效地避開了煤巖界面識別這一難題。采煤機(jī)的工作方式是當(dāng)工作面回采時,采煤機(jī)司機(jī)操控滾筒沿工作面隨著煤層高低起伏完成首次循環(huán)截割。采煤機(jī)的速度、位置、姿態(tài)和油缸行程等數(shù)據(jù)均由相關(guān)傳感器采集(這類物理量的監(jiān)測均較容易實現(xiàn),且不易受到干擾),并通過傳輸線路將采煤機(jī)實時工作參數(shù)存入控制器的計算機(jī)中。對于工作面首采之后的幾次循環(huán)割煤,采煤機(jī)就轉(zhuǎn)入自動截割狀態(tài),此時采煤機(jī)按照已經(jīng)儲存的程序自動跟蹤相應(yīng)數(shù)據(jù)采集點記錄的參數(shù),并結(jié)合頂?shù)装鍘缀涡螤钭兓厔?運用簡單的推理方法預(yù)測采煤機(jī)前方頂?shù)装鍫顟B(tài),從而達(dá)到自動調(diào)節(jié)滾筒高度,完成自動割煤的目的。(2)采煤機(jī)位置紅外線檢測。利用采煤機(jī)紅外線位置檢測裝置檢測采煤機(jī)位置,對液壓支架自動控制意義重大。在22201工作面每架液壓支架上安裝1臺紅外線接收器,在采煤機(jī)上安裝1臺紅外線發(fā)射器。當(dāng)采煤機(jī)運行時,安裝在不同液壓支架上的紅外線接收器會接收到紅外線信號,接收到紅外線信號的紅外線接收器將接收到的信號通過RS232通信方式傳送給支架控制器,支架控制器通過判斷可以確定采煤機(jī)的當(dāng)前位置,并可根據(jù)采煤機(jī)的位置指導(dǎo)各控制的執(zhí)行動作,也可以將這些數(shù)據(jù)傳輸給其他系統(tǒng)。2.3sac型電液控制系統(tǒng)組成22201工作面配置的SAC型電液控制系統(tǒng)具有良好的工作性能,該系統(tǒng)主要組成部分包括液壓支架電液控制裝置控制器、本質(zhì)安全型信號轉(zhuǎn)換器、支架人機(jī)操作界面、礦用壓力傳感器、行程傳感器、感應(yīng)磁環(huán)、紅外線發(fā)送器、紅外線接收器、礦用隔爆兼本質(zhì)安全型穩(wěn)壓電源、隔爆耦合器、監(jiān)控主機(jī)、網(wǎng)絡(luò)終端器和電纜組件及其附件,各個部分分別完成一種功能。SAC型電液控制系統(tǒng)在使用中主要采用3種控制方式:按鍵對單個支架(鄰架)動作的非自動控制;對單個支架(鄰架)的降柱—移架—升柱動作施行自動順序聯(lián)動;成組自動控制。這些控制方式是電液控制系統(tǒng)的基本應(yīng)用。在22201工作面內(nèi)共有101架液壓支架,其中有97架中部液壓支架、4架端頭支架。按照以上要求,SAC型電液控制系統(tǒng)組成如圖4所示。SAC型電液控制系統(tǒng)實現(xiàn)的功能:(1)以采煤機(jī)位置為依據(jù)的支架自動控制功能;(2)支柱在工作中發(fā)生卸載時的自動補(bǔ)壓功能;(3)閉鎖及緊急停止功能;(4)信息功能(人機(jī)操作界面);(5)能夠向其他系統(tǒng)(如地面調(diào)度室、監(jiān)控中心)傳輸信息,也能夠從其他系統(tǒng)接收數(shù)據(jù),并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。2.4sac-p控制器SAC型電液控制系統(tǒng)通過紅外線傳感器檢測采煤機(jī)位置信息,將該信息傳到機(jī)軌合一巷集中控制中心SAC-P主控計算機(jī)的主機(jī),主機(jī)經(jīng)過內(nèi)部程序處理,自動發(fā)出相應(yīng)的控制命令,使相應(yīng)的支架控制器自動完成相應(yīng)的操作,如在采煤機(jī)前方自動收護(hù)幫板,在采煤機(jī)后方自動移架、推溜等。操作員只需在控制主機(jī)上提前設(shè)置好參數(shù),SAC-P主控計算機(jī)控制支架完成相關(guān)動作即可實現(xiàn)支架的跟機(jī)自動化。2.5刮板粉碎機(jī)的表現(xiàn)在22201工作面內(nèi),每架液壓支架的推移油缸分別與刮板輸送機(jī)的一節(jié)槽幫相連,推移千斤頂完成推溜和移架動作,在完成液壓支架的執(zhí)行動作后,也即實現(xiàn)了對刮板輸送機(jī)的推移控制。2.6智能監(jiān)測及保護(hù)系統(tǒng)“三機(jī)”工況自動檢測與故障診斷系統(tǒng)為實現(xiàn)“三機(jī)”在工作面安全運行提供了可靠保障。采煤機(jī)智能化檢測技術(shù)已經(jīng)達(dá)到較高水平,新型電牽引采煤機(jī)具有建立在微處理機(jī)基礎(chǔ)上的智能監(jiān)控、監(jiān)測和保護(hù)系統(tǒng),安裝有電壓、電流等多種傳感器,可實現(xiàn)交互式人機(jī)對話、遠(yuǎn)近控制、無線電隨機(jī)遙控、工況監(jiān)測及狀態(tài)顯示、故障診斷及預(yù)警等多種功能。液壓支架的故障多數(shù)是液壓系統(tǒng)泄漏,目前該泄漏故障自動檢測及其診斷技術(shù)發(fā)展比較成熟。刮板輸送機(jī)的故障診斷和工況監(jiān)測技術(shù)可以連續(xù)監(jiān)測輸送機(jī)各種部件的運行狀態(tài),進(jìn)行故障診斷和報警,同時通過對該系統(tǒng)的進(jìn)一步研究,并結(jié)合其在自動化、智能化方面的發(fā)展,實現(xiàn)了刮板輸送機(jī)的大功率、小事故率、高效率和安全運行。3煤中無煤柱回采巷道e突破2.222201工作面采用走向長壁后退式采煤法、無人工作面綜合機(jī)械化采煤,一次采煤層全高,全部垮落法管理頂板。采用MG2×150/700-WD1型矮機(jī)身雙滾筒采煤機(jī)沿底板雙向割煤和掃浮煤,采煤機(jī)端頭斜切式進(jìn)刀,雙向割煤,截深為0.6m,往返1次進(jìn)2刀。(1)裝煤及運煤方式。利用MG2×150/700-WD1型矮機(jī)身滾筒配合SGZ730/320型刮板輸送機(jī)鏟煤板對割落煤塊進(jìn)行裝運,并通過刮板輸送機(jī)將割落煤塊運送到工作面端部SZB-730/75型轉(zhuǎn)載機(jī)和PCM-110型破碎機(jī),最后通過22201機(jī)軌合一巷內(nèi)帶式輸送機(jī)集中運出。(2)控頂形式。采用ZY3600/07/16.5D型兩柱掩護(hù)式液壓支架支護(hù)無人工作面頂板;上下端頭通過布置矩形戴帽單體液壓點柱維護(hù)頂板;在回采巷道布置三趟超前支護(hù),采用單體液壓支柱配合鉸接梁鉸接支設(shè),超前支護(hù)距離為35~40m。(3)回采工藝流程。雙滾筒采煤機(jī)割煤、裝煤→可彎曲刮板運輸機(jī)運煤→液壓自移式支架支護(hù)頂板→推移刮板輸送機(jī)→清掃浮煤。4行業(yè)經(jīng)驗與效率分析4.1工作面來壓情況22201工作面從2011年12月9日開始初采,工作面采用“四六”工作制,即一班充填、一班檢修、兩班(大夜班)生產(chǎn),每班工作6h,每個采煤班完成3個循環(huán),日完成6個循環(huán),工作面日進(jìn)度為3.6m。2012年1月22日進(jìn)入正?；夭?工作面日推進(jìn)4.49m,日產(chǎn)量最高可達(dá)1289t,正?；夭善陂g工作面瓦斯涌出量為21.2~37.11m3/min,平均實際配風(fēng)量為2527m3/min。在2012年1月1日至2012年7月22日期間,22201工作面共經(jīng)歷了1次初次來壓和29次周期來壓。工作面初次來壓步距約為33m,動載系數(shù)為1.12,初次來壓期間支架承載的壓力較大,煤壁片幫和頂板破碎較為嚴(yán)重;周期來壓步距平均為17.4m,平均動載系數(shù)為1.09,動載系數(shù)較小,基本頂?shù)氖Х€(wěn)對工作面影響程度減弱。22201工作面中部布置了97架ZY3600/07/16.5D型液壓支架,兩端頭分別布置2架ZYG3600/07/16.5D型液壓支架。在22201機(jī)軌合一巷內(nèi)布置集中控制中心,在控制中心布置監(jiān)控中心、電液控制及通信控制等自動監(jiān)測控制平臺。現(xiàn)場配置了KTC101控制系統(tǒng)及SAC型電液控制系統(tǒng),根據(jù)KTC101控制系統(tǒng)的組成部件連接方式,從主控制器的主控計算機(jī)連接出控制總線,然后將其他各種接口或者設(shè)備依次連接在控制總線上,通過KTC101控制系統(tǒng)自動化控制采煤機(jī)、刮板輸送機(jī),SAC型電液控制系統(tǒng)通過支架紅外線傳感器以采煤機(jī)位置為依據(jù)實現(xiàn)了支架的跟機(jī)自動化,從而實現(xiàn)了薄煤層工作面的自動化開采。4.2工作面內(nèi)施工作業(yè)的工人數(shù)量減少(1)在22201工作面正?；夭善陂g,工作面平均每天可推進(jìn)4.49m,平均日產(chǎn)量為1077t,原煤價格按焦煤炭價格1200元/t計算,則試驗期新增日產(chǎn)值為129.24萬元。(2)22201工作面采用無人工作面自動化開采技術(shù)后,相對綜采工作面開采方式,檢修班每班需要在工作面內(nèi)施工作業(yè)的工人數(shù)量可以從12人減少到7人,相對減少了41.6%;采煤班每班需要在工作面內(nèi)施工作業(yè)的工人數(shù)量可從9人減少到4人,相對減少了55.56%;2個采煤班和1個檢修班共減少工人15人,相對減少了50%,從而實現(xiàn)了礦井減員提效的目的。(3)通過采用無人工作面自動化開采技術(shù),將工人從采高較低的薄煤層工作面內(nèi)解放出來,而在回采巷道內(nèi)進(jìn)行自動化操作,降低了難采薄煤層開采的勞動強(qiáng)度,改善了工人的勞動條件和環(huán)境,從而實現(xiàn)了難采薄煤層的安全高效開采。(4)實現(xiàn)了采煤工作面生產(chǎn)過程的自動化和無人化,自動完成割煤、移架、推刮板輸送機(jī)和頂板支護(hù)等生產(chǎn)流程。(5)在無人工作面自動化控制體系中利用KTC101控制系統(tǒng)對“三機(jī)”配套設(shè)備進(jìn)行綜合控制,利用SAC型電液控制系統(tǒng)對液壓支架進(jìn)行自動控制,并確定了液壓