為實現(xiàn)減人提效，防止、遏制重大災(zāi)害事故，我國在煤礦智能化采煤工作面建設(shè)已經(jīng)布局多年。隨著 5G、人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，工作面智能化采煤設(shè)備與工藝已經(jīng)逐漸完善并日趨成熟。自 2021 年開始，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(yīng)用智能化采煤技術(shù)的工作面已經(jīng)由 2020 年的 200 個增加到 1 000 多個，實現(xiàn)重點崗位機器人作業(yè)和固定崗位遠(yuǎn)程管控，基本實現(xiàn)智能化減人目標(biāo)，逐步向“一面一人一千萬噸”的遠(yuǎn)景目標(biāo)邁進。由于我國煤礦眾多，且地質(zhì)條件復(fù)雜多變，智能化采煤設(shè)備存在適應(yīng)性不足的問題，需要針對礦井不同的地質(zhì)條件進行工藝優(yōu)化。國內(nèi)外學(xué)者在智能化采煤地質(zhì)保障、全景視頻遠(yuǎn)控等方面開展了諸多研究，并提出基于煤層、采煤裝備、決策和控制透明化的智能開采概念，為礦井智能化采煤工作面建設(shè)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際運行情況和建設(shè)規(guī)劃的分析，因此，在智能化采煤工作面快速推廣過程中，有必要對其適應(yīng)性開展評估，總結(jié)成功經(jīng)驗，優(yōu)化采煤工藝，并逐步形成一個技術(shù)體系，指導(dǎo)其他智能化采煤工作面建設(shè)?；诖?，對大南湖一礦 1308智能化采煤工作面采煤工藝進行分析，對其作業(yè)流程和應(yīng)用效果進行探討，總結(jié)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 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2 650 m，傾向長 262 m，煤層平均厚 6.6 m，平均埋深 275 m，煤層整體呈單斜構(gòu)造，平均傾角為 4°。工作面構(gòu)造復(fù)雜程度為中等，煤層賦存在走向和傾向上存在一定變化，掘進揭露斷層 18 條，對正?；夭纱嬖谝欢ㄓ绊?。工作面設(shè)計膠帶運輸巷及輔助運輸巷，分別用于回風(fēng)、煤炭運輸和進風(fēng)、運料、行人、設(shè)備布置等。1308 工作面是該礦的首個智能化采煤工作面，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(shè)模式，具有智能一體化管控平臺，形成“萬兆”信息化傳輸通道，構(gòu)建了多維度、一體化智能安全監(jiān)控系統(tǒng)，打造了“4G +WiFi 6+機器人”無人值守巡檢模式，基本實現(xiàn)工作面常態(tài)化自動生產(chǎn)。

2 1308 工作面智能化建設(shè)方案及采煤工藝

對 1308 工作面實際情況進行分析，對轉(zhuǎn)載機、刮板輸送機和帶式輸送機的智能調(diào)速方案進行研究；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；整體實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、記憶截割，以及支架跟機自移、智能調(diào)速和自動供液功能，根據(jù)運行中存在的問題對智能設(shè)備進行了優(yōu)化，確保系統(tǒng)穩(wěn)定。

2.1 智能變頻調(diào)速方案

為降低智能化采煤電能消耗，就要對轉(zhuǎn)載機、刮板輸送機開展聯(lián)動變頻調(diào)速。本次共設(shè)計了 3 種控制方案，在對運轉(zhuǎn)效率、噸煤能耗進行比較后，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時煤流量等，將其確定為評判參數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，確定相應(yīng)的權(quán)值。首先計算刮板輸送機評判指標(biāo)

式中： 為刮板輸送機評判指標(biāo) 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(yīng)的權(quán)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(shù)量、采煤機額定電流、刮板輸送機額定電流。

同理，計算轉(zhuǎn)載機評判指標(biāo)

式中：為轉(zhuǎn)載機指標(biāo) B 均值；Be 為最大值；B1、B2分別為轉(zhuǎn)載機轉(zhuǎn)矩、實時煤量；B1e、B2e 分別為最大轉(zhuǎn)矩、最大煤量；L1、L2 為 B1、B2 的權(quán)重，分別取0.6、0.4。

評判指標(biāo)與刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機電動機對應(yīng)轉(zhuǎn)速關(guān)系如表 1 所列。

表1 評判指標(biāo)與對應(yīng)轉(zhuǎn)速關(guān)系

方案 1：按照評判指標(biāo)變化情況，分別開展刮板輸送機和轉(zhuǎn)載機的變頻調(diào)速。因為轉(zhuǎn)載機實際運行期間速度調(diào)整具有一定的延遲，會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(biāo)變化情況，僅對刮板輸送機開展變頻調(diào)速。轉(zhuǎn)載機高速運行，避免過載停機的情況，但轉(zhuǎn)載機無法根據(jù)生產(chǎn)情況進行實時調(diào)速。

方案 3：按照評判指標(biāo)變化情況，開展刮板輸送機和轉(zhuǎn)載機聯(lián)動調(diào)速，同時對比兩者的速度，當(dāng)前者速度小于后者，轉(zhuǎn)載機按照刮板輸送機速度運行；當(dāng)前者速度大于后者，則速度不變。避免了過載停機的同時也實現(xiàn)了聯(lián)動調(diào)速。

對 3 種方案開展生產(chǎn)試驗，分別取得周噸煤能耗數(shù)據(jù)，結(jié)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(jié)能降耗效果。

表2 周噸煤能耗統(tǒng)計

根據(jù)試驗結(jié)論，方案 3 杜絕了過載停機，在不影響正常生產(chǎn)的情況下實現(xiàn)聯(lián)動調(diào)速，避免刮板輸送機在空載和輕載狀態(tài)下高速運行，節(jié)能降耗效果顯著，為試驗最佳方案。配合張緊器和變頻啟動，減輕了輸送機各運動部件的磨損情況，增加了使用壽命。根據(jù)方案 3 實際應(yīng)用情況統(tǒng)計，在正常生產(chǎn)情況下刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機的鏈輪磨損下降超過 50%；在高強度生產(chǎn)下，可減少斷鏈?zhǔn)鹿实陌l(fā)生，預(yù)計能夠增加煤炭產(chǎn)量約 6 萬 t，經(jīng)濟效益顯著。

2.2 采煤工藝評價

智能化采煤的核心目標(biāo)之一是減人增效，所以，在保證施工質(zhì)量并滿足回采作業(yè)正常進行的同時，要盡可能減少人工。本次以工程質(zhì)量、人工投入為指標(biāo)，各設(shè) 50 分，對各采煤工藝開展評價優(yōu)化。由于不同的放煤工藝有可能對上述評價產(chǎn)生影響，經(jīng)現(xiàn)場勘察對比，決定開展采放平行作業(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)條件和地點的不同會導(dǎo)致管理難度差異，所以參照管理難度系數(shù)進行評價。工程質(zhì)量得分=(工程驗收得分+現(xiàn)場印象分-工程質(zhì)量扣分-其他扣分)×管理難度系數(shù)。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(xiàn)場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(shù)主要取決于回采傾角、涌水量、構(gòu)造發(fā)育情況、煤層厚度變化情況、頂?shù)装鍘r性及破碎程度、是否接近采空區(qū)和其他隱蔽致災(zāi)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(shù)量得分×作業(yè)時長得分。記憶截割+自移支架期間人員最少，僅需 1 人，分值為 100 分；全部采用手動作業(yè)人員最多，為 5 人，分值為 20 分；2、3、4 人時，分別得 80、60、40 分。作業(yè)時長以小時為單位，總設(shè)計時長 8 h，總分為 8分，每增加 1 h 扣 1 分。試驗總分最后按照 50 分進行折算。

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

在對試驗情況進行分析后可知，試驗時間全部采用人工割煤時，綜合評價得分為 71.33 分；全部采用記憶截割時，綜合評價得分為 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，所獲綜合評價得分最高，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)量的同時減少人員投入，為最優(yōu)方案。

當(dāng)割三角煤時，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 個工序為上行，回采方向為機頭向機尾，依次類推。1 個循環(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

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

2.3 設(shè)備改造

1308 智能綜采工作面運行過程中，采煤機、液壓支架和液壓系統(tǒng)等在適應(yīng)性、穩(wěn)定性和安全性等方面出現(xiàn)一定程度的不足，需要進行額外的人工干預(yù)才能保證工作面順利運行。為了解決這些問題，需要對綜采設(shè)備進行相應(yīng)的優(yōu)化。

(1) 采煤機 加高采煤機的拖纜設(shè)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(nèi)循環(huán)管路和水路防護裝置優(yōu)化及引導(dǎo)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(shè)推移液壓缸鎖和安全閥防護罩，增設(shè)回風(fēng)巷超前支架電纜托架，增設(shè)排頭架電纜自動升降裝置。

(3) 液壓系統(tǒng)過濾方案 對液壓系統(tǒng)水源進行二次過濾。通過二次過濾優(yōu)化水質(zhì)后，整個工作面回采過程中僅更換了 1 個濾芯，且電液控制系統(tǒng)的故障率也大幅下降，僅為 3% 左右，節(jié)約配件更換費用超過 30 萬元。

3 應(yīng)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(shù)量和維修費等方面進行對比可知，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 點班割煤情況如圖 2 所示。1308 工作面和 1306 工作面切眼長度分別為 258 和 240 m，割煤高度平均為 3.17 和3.44 m，2 個工作面采用相同的進刀與截割工藝。經(jīng)統(tǒng)計，1308 工作面和 1306 工作面單班月均截割刀數(shù)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(shù)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(shù)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(gòu)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，平均 11.28 萬元/月；普通工作面的維修費總計 105.04 萬元，平均 26.26 萬元/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?qū)崿F(xiàn)減人增效，但是實際生產(chǎn)過程中仍由許多問題需要解決。例如，由于地質(zhì)條件的變化，工作面每次進刀的截割工藝都有細(xì)微變化，特別是在遇到斷層、褶曲等地質(zhì)構(gòu)造期間，無法實現(xiàn)記憶截割和自動跟機移架；刮板輸送機調(diào)整時，智能采煤系統(tǒng)在超前割煤位置判斷上出現(xiàn)問題，無法作出針對頂板漏煤、防咬架等防御性動作，需要進行額外的人工干預(yù)等。因此，真正做到智慧采煤還需要提高采煤智能分析系統(tǒng)的“思考”能力，能夠針對不同的情況開展自我學(xué)習(xí)與分析，并獨立作出正確決策，同時，系統(tǒng)還要求能夠準(zhǔn)確診斷各模塊出現(xiàn)的問題以及假異常。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找直等方面仍存在很多不足，無法真正實現(xiàn)智能化回采，今后需要進一步研究。

5 結(jié)語

針對 1308 智能化采煤工作面，設(shè)置刮板輸送機和轉(zhuǎn)載機的聯(lián)動變頻調(diào)速評價指標(biāo)，設(shè)計了 3 種變頻調(diào)速方案，通過試驗，對生產(chǎn)效率及噸煤電能消耗進行計算，確定最優(yōu)方案。通過對智能化采煤工藝進行分析，并開展回采試驗，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(shè)備進行改造，提高了智能化采煤工作面的生產(chǎn)效率和穩(wěn)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(shù)量和維修費等數(shù)據(jù)，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(jié)論。