為實(shí)現減人提效，防止、遏制重大災害事故，我國在煤礦智能化采煤工作面建設已經(jīng)布局多年。隨著(zhù) 5G、人工智能和大數據技術(shù)的發(fā)展，工作面智能化采煤設備與工藝已經(jīng)逐漸完善并日趨成熟。自 2021 年開(kāi)始，智能化采煤工作面在國家和企業(yè)層面上得到大力推廣，目前我國應用智能化采煤技術(shù)的工作面已經(jīng)由 2020 年的 200 個(gè)增加到 1 000 多個(gè)，實(shí)現重點(diǎn)崗位機器人作業(yè)和固定崗位遠程管控，基本實(shí)現智能化減人目標，逐步向“一面一人一千萬(wàn)噸”的遠景目標邁進(jìn)。由于我國煤礦眾多，且地質(zhì)條件復雜多變，智能化采煤設備存在適應性不足的問(wèn)題，需要針對礦井不同的地質(zhì)條件進(jìn)行工藝優(yōu)化。國內外學(xué)者在智能化采煤地質(zhì)保障、全景視頻遠控等方面開(kāi)展了諸多研究，并提出基于煤層、采煤裝備、決策和控制透明化的智能開(kāi)采概念，為礦井智能化采煤工作面建設提供了良好的借鑒。但目前的研究主要是針對智能化回采技術(shù)、裝備的研發(fā)和概念的前瞻性研究，缺少對智能化回采實(shí)際運行情況和建設規劃的分析，因此，在智能化采煤工作面快速推廣過(guò)程中，有必要對其適應性開(kāi)展評估，總結成功經(jīng)驗，優(yōu)化采煤工藝，并逐步形成一個(gè)技術(shù)體系，指導其他智能化采煤工作面建設?；诖?，對大南湖一礦 1308智能化采煤工作面采煤工藝進(jìn)行分析，對其作業(yè)流程和應用效果進(jìn)行探討，總結存在的技術(shù)難題。

1 工程概況

大南湖一礦隸屬于國網(wǎng)能源哈密煤電有限公司，井田南北長(cháng)約 9.4 km，東西寬約 8 km，面積為 75.28 km2，地質(zhì)儲量為 57.55 億 t，可采儲量為 29.36 億 t，核定生產(chǎn)能力為 1 000 萬(wàn) t/a，服務(wù)年限為 195 a。1308 智能化采煤工作面位于礦井一水平，采用單一走向長(cháng)壁后退式采煤法，綜采放頂煤工藝，全部垮落法管理頂板。1308 工作面主采 3 號煤層，工作面走向長(cháng)2 650 m，傾向長(cháng) 262 m，煤層平均厚 6.6 m，平均埋深 275 m，煤層整體呈單斜構造，平均傾角為 4°。工作面構造復雜程度為中等，煤層賦存在走向和傾向上存在一定變化，掘進(jìn)揭露斷層 18 條，對正?；夭纱嬖谝欢ㄓ绊?。工作面設計膠帶運輸巷及輔助運輸巷，分別用于回風(fēng)、煤炭運輸和進(jìn)風(fēng)、運料、行人、設備布置等。1308 工作面是該礦的首個(gè)智能化采煤工作面，裝備 MG400/920-QWD 型交流變頻電牽引采煤機和 ZF10000/20/32 四柱支撐掩護式支架。1308智能化工作面采取“1131”建設模式，具有智能一體化管控平臺，形成“萬(wàn)兆”信息化傳輸通道，構建了多維度、一體化智能安全監控系統，打造了“4G +WiFi 6+機器人”無(wú)人值守巡檢模式，基本實(shí)現工作面常態(tài)化自動(dòng)生產(chǎn)。

2 1308 工作面智能化建設方案及采煤工藝

對 1308 工作面實(shí)際情況進(jìn)行分析，對轉載機、刮板輸送機和帶式輸送機的智能調速方案進(jìn)行研究；按照智能采煤機記憶截割和自移支架工作情況，完善采煤工藝；整體實(shí)現遠程控制、記憶截割，以及支架跟機自移、智能調速和自動(dòng)供液功能，根據運行中存在的問(wèn)題對智能設備進(jìn)行了優(yōu)化，確保系統穩定。

2.1 智能變頻調速方案

為降低智能化采煤電能消耗，就要對轉載機、刮板輸送機開(kāi)展聯(lián)動(dòng)變頻調速。本次共設計了 3 種控制方案，在對運轉效率、噸煤能耗進(jìn)行比較后，確定最佳方案。

對刮板輸送機運行速度起控制作用的主要因素為采煤機位置、運行速度、電流，刮板輸送機電流和實(shí)時(shí)煤流量等，將其確定為評判參數，根據現場(chǎng)實(shí)際情況，確定相應的權值。首先計算刮板輸送機評判指標

式中： 為刮板輸送機評判指標 A 的均值；Ae 為最大值；A1～ A4 分別為采煤機的速度、位置、電流、刮板輸送機電流；K1～ K4 為 A1～ A4 對應的權重，分別取 0.22、0.13、0.26、0.39；A1e～ A4e 分別為采煤機最大牽引速度、支架數量、采煤機額定電流、刮板輸送機額定電流。

同理，計算轉載機評判指標

式中：為轉載機指標 B 均值；Be 為最大值；B1、B2分別為轉載機轉矩、實(shí)時(shí)煤量；B1e、B2e 分別為最大轉矩、最大煤量；L1、L2 為 B1、B2 的權重，分別取0.6、0.4。

評判指標與刮板輸送機、轉載機電動(dòng)機對應轉速關(guān)系如表 1 所列。

表1 評判指標與對應轉速關(guān)系

方案 1：按照評判指標變化情況，分別開(kāi)展刮板輸送機和轉載機的變頻調速。因為轉載機實(shí)際運行期間速度調整具有一定的延遲，會(huì )造成原煤堆積的情況，對正常生產(chǎn)存在一定影響。

方案 2：按照評判指標變化情況，僅對刮板輸送機開(kāi)展變頻調速。轉載機高速運行，避免過(guò)載停機的情況，但轉載機無(wú)法根據生產(chǎn)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)調速。

方案 3：按照評判指標變化情況，開(kāi)展刮板輸送機和轉載機聯(lián)動(dòng)調速，同時(shí)對比兩者的速度，當前者速度小于后者，轉載機按照刮板輸送機速度運行；當前者速度大于后者，則速度不變。避免了過(guò)載停機的同時(shí)也實(shí)現了聯(lián)動(dòng)調速。

對 3 種方案開(kāi)展生產(chǎn)試驗，分別取得周?chē)嵜耗芎臄祿?，結果如表 2 所列。由表 2 可知，方案 1 和方案2 的能耗基本相同，相比定速運行能耗下降 9.64%；方案 3 的能耗比定速運行下降 13.65%，相比方案 2下降 4.43%，具有良好的節能降耗效果。

表2 周?chē)嵜耗芎慕y計

根據試驗結論，方案 3 杜絕了過(guò)載停機，在不影響正常生產(chǎn)的情況下實(shí)現聯(lián)動(dòng)調速，避免刮板輸送機在空載和輕載狀態(tài)下高速運行，節能降耗效果顯著(zhù)，為試驗最佳方案。配合張緊器和變頻啟動(dòng)，減輕了輸送機各運動(dòng)部件的磨損情況，增加了使用壽命。根據方案 3 實(shí)際應用情況統計，在正常生產(chǎn)情況下刮板輸送機、轉載機的鏈輪磨損下降超過(guò) 50%；在高強度生產(chǎn)下，可減少斷鏈事故的發(fā)生，預計能夠增加煤炭產(chǎn)量約 6 萬(wàn) t，經(jīng)濟效益顯著(zhù)。

2.2 采煤工藝評價(jià)

智能化采煤的核心目標之一是減人增效，所以，在保證施工質(zhì)量并滿(mǎn)足回采作業(yè)正常進(jìn)行的同時(shí)，要盡可能減少人工。本次以工程質(zhì)量、人工投入為指標，各設 50 分，對各采煤工藝開(kāi)展評價(jià)優(yōu)化。由于不同的放煤工藝有可能對上述評價(jià)產(chǎn)生影響，經(jīng)現場(chǎng)勘察對比，決定開(kāi)展采放平行作業(yè)，采用多輪、間隔、順序、等量的放煤方式，以減少干擾。

由于采煤作業(yè)生產(chǎn)條件和地點(diǎn)的不同會(huì )導致管理難度差異，所以參照管理難度系數進(jìn)行評價(jià)。工程質(zhì)量得分=(工程驗收得分+現場(chǎng)印象分-工程質(zhì)量扣分-其他扣分)×管理難度系數。工程驗收得分主要包含頂板管理得分和采面質(zhì)量管控分，兩者分別占 60%和 40%；現場(chǎng)印象分為考核組對采面質(zhì)量的整體印象得分；管理難度系數主要取決于回采傾角、涌水量、構造發(fā)育情況、煤層厚度變化情況、頂底板巖性及破碎程度、是否接近采空區和其他隱蔽致災因素等。

人員投入主要是采煤機司機和支架工，計算公式為：人員投入得分=數量得分×作業(yè)時(shí)長(cháng)得分。記憶截割+自移支架期間人員最少，僅需 1 人，分值為 100 分；全部采用手動(dòng)作業(yè)人員最多，為 5 人，分值為 20 分；2、3、4 人時(shí)，分別得 80、60、40 分。作業(yè)時(shí)長(cháng)以小時(shí)為單位，總設計時(shí)長(cháng) 8 h，總分為 8分，每增加 1 h 扣 1 分。試驗總分最后按照 50 分進(jìn)行折算。

試驗開(kāi)始后，首先人工割煤 2 刀，形成截割記憶數據，用時(shí) 1.5 h，后續試驗時(shí)長(cháng) 6.5 h，采用不同的時(shí)間長(cháng)度組合。在出現機械故障和其他情況影響時(shí)，將影響扣除并折算分值。每種不同組合開(kāi)展試驗 5次，然后計算平均值。

在對試驗情況進(jìn)行分析后可知，試驗時(shí)間全部采用人工割煤時(shí)，綜合評價(jià)得分為 71.33 分；全部采用記憶截割時(shí)，綜合評價(jià)得分為 73.61 分；而采用人工割煤 1.5 h 后，使用自移支架 5 h，最后由人工割煤 1.5 h 的工藝流程時(shí)，所獲綜合評價(jià)得分最高，為82.87 分。采用這種人工割煤+記憶截割+自移支架的采煤工藝能夠確保工程質(zhì)量的同時(shí)減少人員投入，為最優(yōu)方案。

當割三角煤時(shí)，流程如圖 1 所示。1～ 29 為支架號，“下 1”代表首次截割為下行采煤，回采方向為機尾至機頭；“上 2”表示第 2 個(gè)工序為上行，回采方向為機頭向機尾，依次類(lèi)推。1 個(gè)循環(huán)的三角煤截割工藝可分成 9 段。

圖1 三角煤截割工藝流程

在回采過(guò)程中突然遇到緊密褶皺或斷層構造時(shí)，智能控制系統由于記憶截割而無(wú)法提前拉架，這種情況下，在構造影響范圍內需要人工拉超前架、其他區域可以采用自移支架。人工拉超前架后，要對前移支架進(jìn)行及時(shí)閉鎖，避免自動(dòng)跟機時(shí)支架再次出現抬底、降柱等動(dòng)作，還需要對程序進(jìn)行設定以保證液壓支架正常自動(dòng)跟機，防止頂板巖層產(chǎn)生二次破壞。

2.3 設備改造

1308 智能綜采工作面運行過(guò)程中，采煤機、液壓支架和液壓系統等在適應性、穩定性和安全性等方面出現一定程度的不足，需要進(jìn)行額外的人工干預才能保證工作面順利運行。為了解決這些問(wèn)題，需要對綜采設備進(jìn)行相應的優(yōu)化。

(1) 采煤機 加高采煤機的拖纜設施和破碎機液壓缸鎖的防護裝置，加固位置傳感器防護裝置，采煤機、破碎機內循環(huán)管路和水路防護裝置優(yōu)化及引導改造。

(2) 支架 增加推移液壓缸安全閥，工作面上下端頭處分別安裝電纜吊掛裝置，增設推移液壓缸鎖和安全閥防護罩，增設回風(fēng)巷超前支架電纜托架，增設排頭架電纜自動(dòng)升降裝置。

(3) 液壓系統過(guò)濾方案 對液壓系統水源進(jìn)行二次過(guò)濾。通過(guò)二次過(guò)濾優(yōu)化水質(zhì)后，整個(gè)工作面回采過(guò)程中僅更換了 1 個(gè)濾芯，且電液控制系統的故障率也大幅下降，僅為 3% 左右，節約配件更換費用超過(guò) 30 萬(wàn)元。

3 應用效果分析

將 1308 智能化采煤工作面與普通采煤工作面在噸煤電能消耗、截割效率、反滲透用水量、人員數量和維修費等方面進(jìn)行對比可知，智能化采煤在電能消耗、材料消耗和減員控制方面具有明顯優(yōu)勢。

(1) 噸煤能耗 對相同條件下的智能化采煤工作面和普通采煤工作面的能源消耗情況進(jìn)行對比，1308工作面平均噸煤電耗為 2.59 kW·h，普通工作面平均噸煤電耗為 2.81 kW·h，智能化采煤工作面能耗降低7.8%。

(2) 截割效率 2022 年 5 月 1 日—5 月 30 日，1308 工作面和 1306 工作面 (普通工作面) 的 4 點(diǎn)班割煤情況如圖 2 所示。1308 工作面和 1306 工作面切眼長(cháng)度分別為 258 和 240 m，割煤高度平均為 3.17 和3.44 m，2 個(gè)工作面采用相同的進(jìn)刀與截割工藝。經(jīng)統計，1308 工作面和 1306 工作面單班月均截割刀數分別為 10.41 和 9.39 刀。智能化采煤工作面與普通工作面相比，單班截割效率提升 9.8%。

圖2 截割刀數對比

(3) 反滲透用水量 2023 年 3—6 月，對智能化采煤工作面和普通工作面反滲透沖洗耗水量進(jìn)行比較。智能化采煤工作面反滲透沖洗耗水量平均為 364.26 m3，普通工作面平均為 683.3 m3，如圖3 所示，智能化采煤工作面反滲透沖洗耗水量下降46.69%。

圖3 反滲透沖洗水量消耗對比

(4) 人員數量 智能化采煤工作面生產(chǎn)班平均出勤 10 人，遇緊密褶皺或斷層構造情況下平均出勤 13人，檢修班平均出勤 24 人；普通工作面生產(chǎn)班平均出勤 17 人，檢修班平均出勤 31 人。對比可知生產(chǎn)班和檢修班各減少 5 人和 7 人。

(5) 維修費 2022 年 3—6 月，智能化采煤工作面的維修費總計 45.12 萬(wàn)，平均 11.28 萬(wàn)元/月；普通工作面的維修費總計 105.04 萬(wàn)元，平均 26.26 萬(wàn)元/月。與普通工作面相比，智能化采煤工作面維修費用減少14.99 萬(wàn)元/月，下降 57.06%。維修費用對比如表 3所列。

表3 維修費用對比

4 智能化采煤工作面技術(shù)難題

智能化采煤工作面能夠實(shí)現減人增效，但是實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中仍由許多問(wèn)題需要解決。例如，由于地質(zhì)條件的變化，工作面每次進(jìn)刀的截割工藝都有細微變化，特別是在遇到斷層、褶曲等地質(zhì)構造期間，無(wú)法實(shí)現記憶截割和自動(dòng)跟機移架；刮板輸送機調整時(shí)，智能采煤系統在超前割煤位置判斷上出現問(wèn)題，無(wú)法作出針對頂板漏煤、防咬架等防御性動(dòng)作，需要進(jìn)行額外的人工干預等。因此，真正做到智慧采煤還需要提高采煤智能分析系統的“思考”能力，能夠針對不同的情況開(kāi)展自我學(xué)習與分析，并獨立作出正確決策，同時(shí)，系統還要求能夠準確診斷各模塊出現的問(wèn)題以及假異常。目前而言，智能化回采在煤巖識別、采煤機三維定位及采面自動(dòng)找直等方面仍存在很多不足，無(wú)法真正實(shí)現智能化回采，今后需要進(jìn)一步研究。

5 結語(yǔ)

針對 1308 智能化采煤工作面，設置刮板輸送機和轉載機的聯(lián)動(dòng)變頻調速評價(jià)指標，設計了 3 種變頻調速方案，通過(guò)試驗，對生產(chǎn)效率及噸煤電能消耗進(jìn)行計算，確定最優(yōu)方案。通過(guò)對智能化采煤工藝進(jìn)行分析，并開(kāi)展回采試驗，得出了能夠兼顧工程質(zhì)量和人員投入的采煤工藝，有針對性地對采煤設備進(jìn)行改造，提高了智能化采煤工作面的生產(chǎn)效率和穩定性。采集智能化采煤工作面和普通工作面在噸煤電能消耗、截割效率、反滲透用水量、人員數量和維修費等數據，得出智能化采煤在電能消耗、材料消耗和減員控制方面具有明顯優(yōu)勢的結論。