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摘要：本文针对盐井一矿21401大倾角薄煤层、高瓦斯突出工作面保护层安全高效开采的需求，实施自动化开采，对采煤机、液压支架和刮板输送机设备进行配套选型论证，综采设备防倒防滑研究，建立一套以监控中心为核心，工作面视频、以太网、音频、远控为基础的“远程遥控式”集中自动化控制系统，并协调各设备的相互衔接，以实现自动化开采。
关键词：大倾角薄煤层自动化开采方案研究
1前言
随着科学技术的发展，技术的不断革新，煤矿采煤生产工艺在实现综合机械化的基础上，向着遥控和自动化快速发展。目前国内自动化综采工作面主要在中厚煤层近水平应用较多；而薄煤层大倾角工作面对设备的要求高，技术难度大，目前对薄煤层自动化采煤技术、装备的研究应用较少，所以需要煤矿企业、煤机企业共同研发、实践，推进薄煤层自动化技术的发展。研究适用于大倾角综采开采的自动化采煤工作面的三机配套及远程自动化控制系统，是实现薄煤层保护层工作面安全高效开采的的需要。对于煤矿采煤工作面无人、少人、减少劳动强度，实现本质安全有极大意义。
2工作面情况
盐井一矿21401工作面，煤层结构较简单，该工作面煤层总厚0.8～1.3米，平均1.1米，工作面走向长度约2000m，倾斜长度约180m，煤层倾角29-380，平均340。两巷断面设计为三心拱（1/3），采用锚杆支护。煤层老顶为灰黑色薄层状泥岩，直接顶为灰色薄至中厚层状细砂岩，直接底为灰色粘土质泥岩，含植物化石碎片，老底为灰色薄至中厚层状细砂岩，泥质胶结，水平层理。煤层原始瓦斯含量为9.26m3/t，具有突出危险性，煤尘有爆炸危险，煤层自燃倾向性为Ⅱ类自燃煤层。
3研究目标及技术路线
3.1研究目标
选型具有自动化和智能化控制功能的工作面采煤机、液压支架和刮板运输机使其自动完成割煤、装煤、移架、移刮板运输机、支架防倒防滑、刮板运输机下滑和顶板支护等生产工艺流程，减轻工人劳动强度，保证矿井安全高效开采。建立工作面集中监控平台，集通讯网络、视频监视和远程操作控制于一体，通过自动协调匹配或人工远程干预方式，在工作面现场无人值守条件下实现连续自动采煤。
3.2技术路线
大倾角薄煤层综采自动化开采技术研究是实现综采工面自动控制，实现自动化、信息化、少人无人化目标的关键技术研究。技术路线按照全面收集并分析国内外已有的成果和资料，考察学习和掌握目前国内外薄煤层综采设备的生产和使用状况。结合盐井一矿工作面实际情况，研究大倾角薄煤层关键设备结构，对液压支架受力状态进行分析，确定符合大倾角薄煤层自动化开采的液压支架机构设计参数并对三机设备进行选型论证，对三机配套设备及远程自动化控制进行分析。
4自动化开采设备选型
4.1液压支架的选型
液压支架电液控制系统在每台液压支架上均配置1台24功能支架控制器，通过现场通信总线将支架控制器连接成一系统。在液压支架上设计大倾角工作面防飞矸损坏控制设备装置。
工作面采高的确定主要依据煤层厚度（包括煤层夹矸厚度），同时要考虑设备能力和矿山压力显现状态。按工作面采高变化适应煤层局部较厚区域，确定液压支架高度0.95～2.4m。液压支架工作阻力的确定，采用采高倍数容重法和岩梁位态方程法计算，根据计算结果，结合MT/T169-1996《液压支架型式与参数》中工作阻力推荐系列，最终确定支架工作阻力为4000kN。
根据顶底板的地质条件，正确地进行顶底板分类分级，是液压支架选型设计的重要前提。在充分对比分析各种架型优缺点的基础上，结合盐井一矿大倾角煤层工作面的地质条件，选用两柱掩护式液压支架。
液压支架防倒防滑，本支架设置了双侧活动侧护板，以便根据工作面倾角的方向来调整活动侧护板的方向。工作面煤层倾角在30°~40°之间，倾角较大，工作面支架间的相互侧向约束，对保持支架的横向稳定性具有重要作用。特别是靠近排头部位支架的控制，采用每5架用防滑链形成一个整体，整体自动移架方式，保持中部支架相互约束。因此，对于大倾角支架，排头支架的防倒防滑是整个工作面支架稳定的基础，解决了排头支架的防倒、防滑问题，其余支架以此为基础，整个工作面支架的防倒、防滑问题就可以基本解决。
4.2采煤机的选型
根据盐井一矿煤层赋存条件，选择MG2×125(100)/580-BWD型交流变频电牵引采煤机作为本项目试验用。该采煤机是一种由多电机驱动、功率较大、横向布置、无链双驱动交流变频电牵引的薄煤层采煤机，其工作方式是一种沿长壁回采工作面全长骑溜式采煤。该机由四部电机驱动,其中左、右截割电机功率分别为2×125kW，左、右牵引电机功率分别为30kW，泵电机20kW，总装机功率为580kW,主要由主体、左摇臂、右摇臂以及滚筒和其它辅属装置等组成。采煤机采用侧臂式截割部专利技术，成功解决了薄煤层采煤机装煤靠人工的世界性难题，使采煤机自装率由原来不足20%提高到70%以上，产量提高30%以上，每个截割部采用双电机驱动，单个电机直径小，可以减小截割部的厚度，有效的增大过煤空间。该型采煤机综合了国内、外各类采煤机优点，装机功率较大，与运输机配套机面高度低，机身窄，机厚薄，克服其缺点与不足，突出可靠性、先进性和适用性，对薄煤层开采有更好的适应性。
4.3刮板运输机的选型
SGZ730/400型刮板输送机可与多种滚筒采煤机、转载机和液压支架配套使用，克服其缺点与不足，突出结构尺寸小，高可靠性和适用性。实现工作面煤炭输送工作。该刮板输送机不仅能适应沿水平和底板的凸凹弯曲，还可随工作面的推进而实现蛇弯自移，不需拆卸。刮板输送机中部槽采用优质铸造M型槽钢与高强度耐磨中板焊接结构，提高了强度，增加了可靠性，减少了维护量。减速器采用高强度齿轮材料和成熟的采煤机齿轮设计制造技术，提高齿轮的设计寿命，缩小减速器的体积。采用矮机头技术，重点突破机头高度，将机头高度降到了888mm，销排采用正挂方式，可以有效的减少工作面浮煤。
4.4三机设备配套
工作面设备几何关系配套就是恰当处理液压支架、刮板输送机、采煤机等设备间相互连接关系、确定合理的配套尺寸，三机之间相互位置与配合关系应协调，才能保证设备运行时互不干扰，并使配套设备的效能得到最大发挥。由于大倾角煤层的特殊赋存条件，大倾角煤层“三机”配套除了从生产能力、性能、寿命考虑外，还必须结合生产需要、防倒防滑、防矸措施。三机断面配套图，如图1所示
4.5自动化控制系统的选型
工作面整体自动化控制包括：系统包括采煤机及控制系统、供电系统、采面液压支架电液控制系统、运输系统、供液系统、视频系统、以及集控中心。系统控制总图，见图2。
采煤机及控制系统：完成手动操作和遥控器操作，采用记忆割煤功能，同时将信息数据和控制命令通过以太网、或者wifi等其它传输总线传至集控中心进行监测控制。使用红外定位系统（标签定位系统）与采煤机编码器配合使用，红外定位系统（标签定位系统）是离散数字量，它不存在误差积累（绝对误差），编码器它是连续的，但会存在误差积累和不可预见的误差（如打滑），因此这两个系统可以配合使用；在使用前，标定红外定位每一个点与导轨孔之间的关系，也就是与编码器对应的关系，从而可以达到精准定位。
图1三机断面配套图
图2系统控制总图
供电系统：完成综采各设备的配电、供电任务，并能将各开关的状态信息通过专用总线传至集控中心进行监测和控制。
液压支架电液控制系统：接收集控中心或者遥控器、以及其它设备的命令，执行命令，采集各传感器的数据（压力、行程、红外），形成闭环控制，同时将传感器数据、电液控各状态数据传至集控中心监控。该系统具有自动跟机功能，根据采煤机的位置进行相应的推溜、移架、以及自动进刀等。降柱过程控制：在将柱过程中，采用时间和压力功能限制降柱量，在降柱时，只要立柱压力低于5Mp就停止降柱进入拉架，如果压力传感器故障，则采用时间控制，时间的设置依据是根据流量算出，默认值是立柱降5cm。
拉架控制：拉架采用精确推溜系统，在拉架开始时采用大流量进行拉架，当行程传感器的值距要求值10cm时，则采用小流量控制拉架，使得拉架距离相当精准，从而减少反复推拉过程中的累积误差；该系统在蛇形段支架拉架和1/16推溜发挥重要作用。
自动拉架一定要把支架拉到位，只有支架到位，推溜也才能到位，采煤机才能很好的通过，因此拉架管理是很重要的。支架根据采煤机的位置自动执行降柱→移架→升柱功能，软件检查支架是否拉架到位，如果未到位会执行第二次自动拉架，如果第二次拉架还是不到位，则在通过人工远程干预进行拉架到位，只有支架到位后才能进行推溜。
皮带运输系统：完成与采煤机匹配控制（载荷平衡控制系统），同时将电机参数、电压、电流等信息传至集控中心进行监测与控制。
供液系统：完成采面供液的智能控制，同时将电机参数、电压、电流、液位以及过滤等信息传至集控中心进行监测与控制。
视频系统：在采面布置面向煤壁和沿溜子方向的视频，以及端头、端尾、搭接处安装视频，用于检测关键点的情况，这些视频通过以太网传至集控中心进行监测。摄像仪镜头外防护玻璃采用纳米涂层，有效防水及防尘。
集控中心：收集上述子系统的信息，进行监测与判断，远程控制每一台设备以及联动控制；对系统及设备故障进行分集管理，同时预留无人化接口和上传接口。
5设备防下滑技术研究
防下滑技术是大倾角煤层自动化综采的核心技术之一，项目通过下滑机理分析和设备运转过程分析，从设备基准管理、支架中心距管理、降移升过程精细控制等方面对设备防下滑技术进行研究。
5.1设备下滑状态的统计分析
以工作面上下端头都进行端头设备相对于巷道的位置进行监测。对于目前工作面不等长和巷道岩壁不规则的情况，端头监测的难度很大。这样整个防滑管理就失去了基准。在上、下端头巷道内建立可测量的基准；通过摄像仪监测上端头下滑情况，中心距统计分析下端头情况；每天人工在系统上输入下端头下滑情况；不在线监测端头下滑情况，每班在系统上输入上下端头下滑情况。
通过调架过程将降移升循环内支架上下窜动的精细控制。对大倾角的工作面，这一过程的支架上下窜动主要发生在移架过程和移架完成后支架上调过程。监测支架移架过程中的下滑量和移架完成后的底调和侧护的行程。控制方式的问题主要是控制精度的问题，侧护和底调的动作速度快、行程短、允许动作时间段，控制难度就相对较大，因此需要合理设置侧护和底调的控制系统；控制动作速度，实现控制精度与时间上的平衡。
5.2设备下滑的识别
大倾角薄煤层自动化工作面防滑管理以防止支架下滑为基础，再辅助以防滑油缸（调整推拉杆角度）控制刮板运输机下滑。在支架上安装传感器，识别支架中心距。与支架中心距直接相关的支架油缸包括：顶侧油缸、掩侧油缸和底调油缸。调架过程中最主要的调架油缸是底调油缸，在底调油缸上安装位移传感器，直接监测支架中心距。
6结论及建议
6.1结论
盐井一矿现有各生产系统有保障，结合大倾角煤层的赋存条件，三机配套从生产能力、性能、寿命，液压支架防倒防滑、防矸措施、整体“三机”配套方案合理可行。研究方案采用四川航天电液控制有限公司负责研制的适应大倾角煤层工作面自动化综采的的电液控制系统以及自动化系统，重点研究防设备下滑、与工艺匹配性、综采控制系统软硬件可靠性研究技术方案可行。
6.2建议
大倾角综采工作面自动化开采在全国无成熟经验借鉴，必须加强员工的技术培训，提高管理水平，加强现场管理，在今后实际生产过程，需要经过多方面的探索及经验总结，以达到预期效果。
参考文献
[1]袁亮，煤矿总工程师技术手册[M]，北京:煤炭工业出版社，2010.
[2]于月森，左腾等，薄煤层综采工作面自动化技术综述[J]，工矿自动化，2013，39（5）5:27-30.
[3]张良，液压支架电液控制系统的应用现状及发展趋势[J]，煤炭科学技术，2003，31（2）:5-8.
作者简介
黄兴荣，（1985-），男，机电工程师，主要从事煤矿井下综采机械化、自动化信息化工作。