中煤新集公司吕益——三软煤层大采高大俯采超长工作面智能化开采研究

 

 

 

 

摘要：中煤新集公司刘庄煤矿151307综采工作面平均煤厚5.0m，最大采高5.5m，面长300m，采用倾斜长壁布置，始终处于俯采状态，最大俯采角度32°，平均俯采角度16°，属“三软”煤层大采高、大俯采超长工作面。为解决在回采过程中出现的采煤机导向滑靴使用时间短、行走齿断等问题，对采煤机、液压支架、刮板输送机设备和工作面回采工艺进行改进、优化，配套智能化综采设备技术，实现安全高效智能化开采。

关键词：三软煤层  大采高大俯采  超长工作面  问题  优化措施

 

引言

中煤新集公司所属刘庄煤矿151307综采工作面平均煤厚5.0m，最大采高5.5m，面长298m。由于工作面采用倾斜长壁布置，始终处于俯采状态，初采期间最大俯采角度32°，平均俯采角度18°，属典型“三软”煤层、大采高、大俯采、超长工作面。为解决在回采过程中出现的采煤机导向滑靴使用时间短、行走齿断等问题，对采煤机、液压支架、刮板输送机设备和工作面回采工艺进行一系列改进、优化，配套智能化综采设备技术，实现安全高效智能化开采。

一、工作面概况

刘庄煤矿151307面所采13-1煤为黑色,以块状及片状为主,少量粒状,由亮煤,暗煤组成,夹有镜煤条带，弱玻璃光泽,属半暗～半亮型煤，局部区域煤顶0.5m以下发育一层平均0.3m厚炭质泥岩，黑色、薄层状、含碳成分较高。最大煤厚6.48m，最小煤厚4.91m，平均总煤厚5.65m。151307工作面东临F22断层，西临151306工作面采空区，南临151301工作面采空区，北临13-1煤防砂煤柱线。151307工作面轨道顺槽可采倾向长为429.9m（平距），工作面轨道顺槽13-1煤层开采底板标高约为-490.0m～-576.2m；151307工作面胶带顺槽可采倾向长为462.4m（平距），工作面胶带顺槽13-1煤层开采底板标高约为-507.8m～-598.4m；设计工作面切眼长288.0m（平距），工作面可采平面积约为128383.8m2。

工作面总体为一单斜构造，煤层走向为150°～170°，倾向为70°～90°，倾角为9°～20°，平均倾角为16°。老顶为细砂岩，浅灰～灰白色,主要成分为长石、石英,含黄铁矿等少量菱铁等暗色矿物，硅质胶结，薄层状，层理发育，层理面有泥炭质侵染，局部呈互层，水平层理，局部垂直裂隙发育。厚度7～9m，均厚8m。直接顶为泥岩，深灰色,致密,性脆,局部含少量砂质,具粗糙感。厚度1.84～2.1m，均厚1.98m。直接底为泥岩，灰色，块状，含少量炭质，含植物化石碎片，致密，性脆。厚度11.35～13.36m，均厚12.36m。属“两淮”地区典型的“三软”煤层。

二、工作面设备选型配套

（一）采煤方法的选择

根据地质条件及矿井机械化开采状况，本工作面采用倾斜长壁采煤法，使用综合机械化开采设备，一次采全高，全部垮落法管理采空区顶板。

（二）采高的确定

工作面所采13-1煤平均总煤厚5.65m。根据工作面液压支架支撑范围、采煤机截割高度及其机顶与液压支架顶梁间的允许间隙，工作面正常开采时最小采高按煤机过机高度，不低于3.6m；最大采高按支架有效支撑高度及平均煤厚控制，最大不超过5.8m。据工作面煤层特征和煤层顶、底板情况，结合矿井工作面已有生产经验，工作面选用ZZ13000/27/60D型支撑掩护式液压支架。胶带顺槽超前支护支架（ZT2×4000/22/45）1套（4组，1架1组），轨道顺槽超前支护支架（ZQL2×6000/23/45）1套（4组，2架1组）。

（三）工作面设备主要技术参数

液压支架：采用郑煤机公司生产的ZZ13000/27/60D型支撑掩护式液压支架，配套北京天玛公司SAC电液控系统，支撑高度为2.7～6.0m，支架宽度中心距1.75m，工作阻力13000KN，支护强度大于1.29MPa，支护面积10.65m2，底板比压3.06MPa，伸缩梁伸缩行程1000mm，移架步距1000mm。此支架具有支撑能力大，受力状态好，强度高，稳定性好，工作可靠等优点，能及时有效地支护顶板。

采煤机：工作面选用西安煤机公司生产MG750/1990-WD型智能型电牵引采煤机，采煤机主要技术参数：总装机功率1990kW，电压3.3kV，产量（最高产量）1800t/h，截割功率2×750kW，牵引功率2×150kW，牵引速度0-23m/min，泵电机功率40kW，采高3000-5600mm，机面高度2137mm，截深1000mm。

工作面刮板运输机：选用张家口煤机公司生产的SGZ1000/2×1200型智能型中双链刮板输送机，配套变频一体机驱动装置，主要技术参数：输送量2500t/，装机功率2×1200kW，电动机型号YJVFG-500M4-4T，电压3300V，中部槽规格1750×1000×360mm，卸载方式为交叉侧卸。

转载机：选用张家口煤机公司生产SZZ1200/700型中双链刮板转载机，配套变频一体机驱动。

破碎机：选用张家口煤机公司生产的PLM-3500/200型连续破碎机，破碎能力3500t/h，装机功率200kW，电压3300v

胶带顺槽：选用张家口煤机公司生产的1部DSJ-140/2×450型可伸缩皮带输送机，永磁变频控制。主要技术参数：胶带带宽1400mm，运量2500t/h，长度1300m，提升高度H=-52.6m，电机功率2×450kW。

乳化泵：选用浙江中煤公司生产BRW-550/31.5智能型乳化泵3台，一台备用。主要技术参数为：公称流量550升/分，公称压力31.5MPa，电压1140V，功率355kW，配套液箱容积7000升，工作介质为含5%的乳化油中性水溶液

喷雾泵站：选用浙江中煤公司生产BPW-315/16智能型喷雾泵站，两泵一箱，主要技术参数：流量315L/min，工作压力16MPa，电机功率125kW。

（四）设备选型能力较验

该工作面选用采煤机最大生产能力1800吨/小时，刮板运输机运输能力2500吨/小时，转载机输送能力3000吨/小时，破碎机破碎能力3500吨/小时，胶带运输机运输能力2500吨/小时，工作面预计割煤1406吨/小时。工作面预计每小时割煤量<刮板运输机运输能力<转载机输送能力<破碎机破碎能力。通过比较，该工作面选择的设备能够保证工作面采出的煤量（1406t/h）通过工作面经胶带运输机运走，工作面各设备间的能力匹配得当[1]。

根据矿井生产安排，151307工作面最大生产能力圆班为21090吨，该面选取“三八”制，正常圆班理论生产时间为15个小时，按照皮带机最大运输能力2500t/h计算，该面圆班可生产37500吨，远远大于14927吨的圆班计划产量，所以该面选取的采煤机割煤能力能够满足计划产量需求。

综上所述，工作面配套设备可保证从割煤到运煤各工序之间相互匹配。见下表：

三、开采初期主要问题

工作面2022年12月20日开始试生产，开采之初期，由于工作面采取倾斜长壁布置，且采煤机需下扎找到实底，俯采角度较大，最大超过32°，平均25°，导致工作面出现以下4个问题：

一是采煤机导向滑靴使用时间短问题。因采煤机机身机身重心向煤壁偏移，采空侧机身上抬，滑靴顶面与销排脱离，滑靴底部耐磨层快速磨损，特别上行走部导向滑靴，平均3天推进10m即需更换。

二是行走轮断齿问题。当采煤机处于俯采状态时，行走轮与销排啮合中心距增大，出现行走轮齿顶与销排齿面刮磨现象，因此出现行走轮快速损坏。工作面10天内连续损坏4个行走轮。

三是刮板机销排磨损问题。由于导向滑靴与刮板机销排处于非正常啮合状态，导致销排快速磨损。工作面初采期20日内更换刮板机销排共68件。

四是液压支架前推杆连接头变形损坏问题，由于采煤机、刮板输送机处于俯采状态，推溜和移架时易出现“扎底”，为控制支架状态，采用压抬底油缸推溜，导致前推杆与刮板输送机连接耳座受偏向力过大，出现耳座变形开焊。全工作面俯采角度最大的60-120#架段有15台支架前推杆连接耳座发生开焊变形。

四、设备改进、优化措施

针对151307面初采期间的主要问题，在设备主要是采煤机采取以下5项改进、优化措施：

一是设计专用支撑滑靴。在支撑滑靴底部焊接30mm厚耐磨钢板，人为加高煤壁侧机身高度，采煤机俯采角度可从18°减小至16.1°，相应的采煤机机身中心向采空侧移动约24mm，可在一定程度上改善目前情况。

二是设计专用的导向滑靴。通过增加导身滑靴下部尺寸，同步减少上部与销排的间隙，防止滑靴顶面与销排脱离，导致行走轮与销排啮合中心距增大，出现行走轮齿顶与销排齿面刮磨现象。

三是工作面俯采段建议适当减小采高和截深，从而减少采煤机重心向煤壁侧偏移量，可改善导向滑靴受力状态。

四是工作面生产时严格控制采煤机卧底量，避免“过快刹底”，尽可能确保切割后底板平直，减少机身晃动。

五是导向滑靴及时更换和修补，改善行走轮和销排啮合状态，降低行走轮损坏频率，减少损失。

五、回采工艺改进、优化措施

在工作面回采工艺方面采取以下5项改进措施：

一是控制采煤机割煤速度。俯采角度大时采煤机重心偏向煤壁，采煤机在截割过程中负荷加大需，须严格控制采煤机割煤速度，一般不超过5m/min，且使采煤机匀速运行,防止增加煤机的工作阻力及采煤机掉道，必要时停机人工落运输机。

二是控制工作面拉架方式。俯采工作面易造成支架前梁容易栽头，挪移不同步，支架不能始终保持垂直工作面煤壁，须坚持“带压擦顶”移架，移架时使用伸缩梁抵住煤壁，移架与收伸缩梁同时进行，保证支架稳定性；及时拉超前架护顶，并加强支架操作工程质量管理；合理使用侧护板，保证架间有足够的空隙；支架若出现歪斜、移不动、挤架等现象，要及时调架，避免范围扩大。

三是控制工作面运输机直线度。俯采工作面运输机前倾现象严重，易发生运输机推不到位或哑铃销折断，造成运输机脱节，须保证运输机推移成直线，严格控制推移输送机与移架的距离和推移输送机应滞后采煤机距离，保证输送机弯曲长度，加强运输机推移质量管理，确保运输机平、直、稳。

四是保证支架初撑压力。加强顶板及支架初撑力管理，加强液压系统管理工作，及时拉移超前架，做好支架初撑力巡查工作，发现问题及时处理。

五是适时采取工人卧底，控制工作局部俯采角度。在工作面初采找底期间，针对工作面60-80#架段俯采角度达到32°，导致采煤机导向滑靴与刮板机销排磨损加剧，连续更换滑靴刮板机销排的问题，采取人工卧底干预。先将刮板机推出，安安排人员在架前人工卧底，再拉回刮板机，用液压支架前梁伸缩油缸配合链条吊起中部槽，在中部槽下方垫道术，控制俯采角度不超过20°。

六、工作面智能化

（一）煤矿智能化现状

截止2023年4月，全国已完成首批71处智能化示范煤矿建设，总产能6.2亿吨/年，计划投资约158亿元，已累计建成363个智能化采煤工作面、239个智能化掘进工作面，单面平均生产能力达到500万吨/年。在示范煤矿带动引领下，全国累计建成1043个智能化采煤工作面、1277个智能化掘进工作面、智能化煤矿572处，产能增至19.36亿吨；煤矿井下机器人从19种增加到31种，矿山专用操作系统、5G专网等前沿技术得到更广泛应用。在此推动下，减人、增安、提效的成效日益显现。2022年，全国煤矿井下作业人员就减少6万人，一批大中型矿井固定岗位基本实现无人值守。尤其是保供以来，智能化矿井累计释放产能近6亿吨，为煤矿安全增产提供了强有力的支撑。数字煤矿及智能化开采基础理论体系现已形成，开启矿山多学科、多系统交叉融合的新方向。煤炭行业全面搭建了数据、通讯、装备、安全、管理等40余项团体标准，使煤矿智能化建设有标可依，有据可查，有章可循。全国智能化煤矿建设投资累计达到1000亿元，25个省份出台了财税支持保障措施。内蒙古自治区建成智能化煤矿126处，智能化煤矿全员工效达到28吨/工；陕西省建成102个智能化采煤工作面、66个智能化掘进工作面，陕煤集团智能化产能占比达到99%。陕煤集团小保当2号矿井，建设规模1300万吨/年，依托智能化建设，该矿打造了首套国产450米超长智能综采工作面成套装备，工作面最高日产5.2万吨，平均月产107万吨，推进速度提高20%-60%，产能提高约100%-230%。同时少布置3个工作面，节约3次安撤费用约1.8亿元。为2-3米中厚煤层高效开采提供了新的技术途径[2]。国家能源集团与华为联合创新的矿鸿操作系统已在神东13个矿1个选煤厂共3300多台大套设备应用，其中乌兰木伦矿实现了全矿的部署。实现了联接、交互、数据访问三大转变，涵盖多种创新应用场景，包括：装备智能控制、固定场所无人巡检以及设备在线升级，时间从1天缩短到4分钟。矿鸿操作系统商用一年，进入规模化复制阶段，5G+AI助力矿业智能化发展步入全新阶段[3]。综上，煤矿特别是大型煤矿实行智能化生产势在必行。

（二）工作面智能化配置及功能

按照采煤机、支架、运输设备协同作业+跟机干预+远程集控为主的智能化采煤方式，实现生产班综采工作面内作业人员不超过6人的智能化生产目标。工作面采煤机、液压支架、刮板输送机、转载机、破碎机、自移机尾、皮带机、乳化泵站等设备实现地面“一键式”启停、运行数据与现场视频实时上传[4]。工作面智能化配置情况如下：

采煤机：具备启停、牵引速度和运行方向的远程控制，实现运行工况及姿态检测、机载无线遥控、精准定位、记忆截割、“三角煤”机架协同控制割煤、远程控制、故障诊断和环境安全联动控制，利用机载视频、无线通信、直线度感知、智能调高、防碰撞检测、煤流平衡控制等技术，实现采煤机智能控制。

液压支架：工作面液压支架SAC电液控系统具备远程控制、自动补液、自动反冲洗、自动喷雾降尘功能，实现自动移架、推溜，鼓励利用高度检测、姿态感知、工作面直线度调直、压力超前预警、群组协同控制、自动超前跟机支护、顶板状态实时感知、煤壁片帮预测、伸缩梁（护帮板）防碰撞、智能供液等技术手段，实现液压支架的智能控制。端头支架具有就地控制与遥控控制功能，与工作面液压支架联动，实现工作面端头区域安全支护。超前支架具有就地控制与遥控控制功能。

刮板输送机：具备软启动控制、运行状态监测、链条自动张紧、断链保护、故障诊断、自动控制和远程控制功能，实现刮板输送机的远程监测和控制；鼓励应用煤流负荷检测、工作面自动巡检机器人等技术手段，实现采、运协同控制。

带式输送机：具备运行工况监控与综合保护功能，实时监测胶带运行工况，并将堆煤、烟雾、纵撕、跑偏、自动洒水、周边环境等监测信息实时上传到工作面智能集控中心，实现带式输送机的远程监测和控制。

顺槽监控中心：集控中心具备对液压支架、刮板输送机、转载机、破碎机、带式输送机启停、闭锁控制功能，实现采煤机、液压支架、刮板输送机、破碎机、转载机、带式输送机、乳化液泵站、喷雾泵等工作面综采设备远程控制；地面监控中心具备工作面设备“一键启停”功能，实现在地面对采煤工作面综采设备进行远程监视。

两巷超前支护支架：两巷超前支架配套电液控，实现与综采工作面支架、刮板机、采煤机联动。

辅助运输系统、：工作面两巷配套智能单轨吊控制系统，采用5G通讯方式，初步具备单轨吊无人驾驶功能。

工作面可视化系统：151307工作面在机巷皮带机头落货点、单轨吊机车检修站、转载机头落货点、上、下端头及工作面1#架后每隔5架安装云台可视化探头，其中1#架监视范围为下机头密闭墙，6#架监视范围为下端头刮板运输机头，170#架监视范围为上端头T0及密闭墙，其余支架上可视化探头均照射运输机溜槽内。摄像头固定的位置合理，现场无淋水、尘雾，不阻碍行车、行人和施工。

工作集中控制系统在井下顺槽和地面调度室设两处控制中心，实现采煤机、液压支架、“三机”、皮带机和乳化泵站等全部综采设备“一键式”启停和运行参数“一屏式”监控，并集成工作面可视化系统，实现对工作面全景状态的实时监视。

工作面投产以来，除2022年12月试生产外，从2023年1月起，工作面采取智能化生产模式，智能化开机率超过70%，全队总人数150人，其中工作面生产人员6人，达到国家智能化示范矿井综采智能化的标准。

七、取得效果

工作面自2022年12月16日开始调试试生产，当月推进18.4米，产量7.73万吨。2023年1月正式投产，截止3月底，平均月推进122.77米，平均月产42.04万吨，智能化生产率超过70%，面内作业人员少于6人。见下表：

八、结语

1.大采高俯采工作面安全高效开采的关键是控制采煤机机身倾角。首先在工作面“三机”配套时，必须控制好采煤机导向滑靴与刮板输送机销排的尺寸。我国《滚筒采煤机通用技术条件》（GB∕T35060-2018），第4.4.2条只规定“导向滑靴与行走轨的导向配合尺寸符合设计要求，误差不大于±3%”[5]，具体尺寸未做明确。根据刘庄煤矿近10年来使用的3种同截割功率采煤机实践，艾柯夫公司SL500型采煤机适应俯仰采及走向倾角能力更强，生产实践中不需要更换俯采专用导向滑靴，只是磨损时间相对更快。因此，对18°以上大俯采综采面，导向滑靴与销排配合尺寸特别是下部尺寸不宜超过10mm。3种采煤机导向滑靴与销排（行走轨）配合尺寸见下表（表中单位mm）：

采煤机	上海MG750/1840	艾柯夫SL500	西安MG750/1990
上	4	5	5
下	12.6	8	10
左	3.3	2.94	9
右	6.75	3	5

 

2.国产采煤机一般情况下多采用俯采0°进行配套尺寸模拟，如遇俯采工作面，需将普通导向滑靴改造为俯采专用导向滑靴，以适应工作面俯斜开采。

3.工作面开采初期，由于采煤机需下扎找到实底，俯采角度最大，需控制每刀的卧底量。

4.采煤机支撑滑靴可以采用耐磨钢板或耐磨焊条堆焊的方法加高20-45mm，调整采煤机重心向老塘侧偏移，但应采取成对同时增加、同时更换的办法，防止出现重心偏离。

5.工作面俯采角度超过18°以上时，在采取更换俯采专用导向滑靴、垫高支撑滑靴仍不能正常生产时，要采人工架卧底的办法垫平运输机，控制俯采角度。

6.对大采高、大俯采、超长等特殊条件综采工作面，应该提升工作面智能化水平，减少工作面用人，提高开采安全性和效率。

 

 

参考文献：

[1]王国法.综采成套技术与装备系统集成[M].北京：煤炭工业出版社2016：p428-453

[2]煤矿智能化建设进入新发展阶段系统性、融合性有待持续强化-北极星能源网 https://news.bjx.com.cn/html/20230208/1287207.shtml

[3]华为：矿鸿操作系统商用一年，进入规模化复制阶段_腾讯新闻https://new.qq.com/rain/a/20221109A05X5Z00.html

[4]王虹.综采工作面关键技术研究现状与发展方向[J]，煤炭科学技术，2014，（1）：60-64

[5]《滚筒采煤机通用技术条件》（GB∕T35060-2018）国家市场监督管理总局2018，12-01：4