小保当煤矿董事长杨征：450m智能超长工作面关键技术及装备研发与应用

 

煤炭是保障我国能源供给的“压舱石”和“稳定器”，在未来一段时期内煤炭作为一次能源的主体地位不会改变，仍肩负着保障能源安全的重任。我国煤层赋存条件的复杂化导致煤炭开采发展不平衡，如何实现“非优质”资源的安全、高效和高产是亟需解决的问题。特厚煤层依托厚度优势实现了年产千万吨的目标，但2~3m中厚煤层在我国分布广泛，其赋存条件的天然劣势限制了产量和生产效率的提升。21世纪初，中厚煤层工作面产量一般低于60万t/a；近10年来，兖矿能源集团济宁二号煤矿、神东煤炭集团柠条塔煤矿和榆家梁煤矿在中厚煤层开采方面实现了年产量100万~300万t；陕北榆神矿区5层主要可采煤层50%以上区域均赋存大量中厚煤层。因此可知，中厚煤层开采提升空间和高产需求均很大。

据统计，截至2022年底，我国大型煤炭企业采煤机械化程度已超99%，煤矿智能化采掘工作面已达1019个，同比增加25%；智能化煤矿增至572处，产能达到19.36亿t。智能开采技术目前主要应用于浅部或中等埋深且煤层赋存条件较好的矿井，智能控制主要针对开采装备本身，目前超长工作面的研究主要针对大采高、深部采场、工作面长度小于300m的矿井，对智能化程度更高、工作面长度更大的研究较为少见。

工作面长度大于300m是中厚煤层一次采全高工作面实现年产千万吨的必要条件，对于陕西小保当矿业有限公司二号煤矿（简称小保当二号煤矿）地质条件来说，加大工作面长度有3大原因。

（1）如果要实行智能化开采，实现2~3m中厚煤层单个工作面达产达效，成为年产千万吨矿井，完成“一人一面一千万吨”的愿景，增加工作面长度是必然要求。

（2）小保当二号煤矿2-2煤层开采地质条件良好，地质结构和水文类型简单，煤层倾角小，具备增加工作面长度的条件。

（3）新形势下要求大力推进矿井智能化建设，提高回采率，降低掘进周期，提高巷道利用率。基于上述原因，在小保当二号煤矿工作面开采条件下，开展超长工作面智能化开采理论研究、装备研发、系统升级、设备配套等工作。

基于上述原因，在小保当二号煤矿工作面开采 条件下，开展超长工作面智能化开采理论研究、装 备研发、系统升级、设备配套等工作。

 

文章来源：《智能矿山》2023年第7期“封面文章”专栏

作者简介：杨征，高级工程师，现任陕西小保当矿业有限公司董事长

通讯作者：丁彦雄，高级工程师，现任陕西小保当矿业有限公司生产技术管理部经理

 

作者单位：陕西小保当矿业有限公司

引用格式：杨征,丁彦雄,薛晨晓.小保当煤矿 450 m 智能超长工作面关键技术及装备研发与应用[J].智能矿山，2023，4（3）：9-15.

 

01  工作面概况

 

小保当二号煤矿超长工作面煤层赋存于延安组第四段顶部，走向长度3960m，倾向长度450m，煤层底板标高+942～+957m，主采2-2上煤层。可采煤层厚度为1.7～3.6m，平均厚度2.55m，可采储量565.70万t。主要含1层夹矸，多以泥岩为主。主采煤层属中厚煤层，厚度变化较大且规律性明显，煤层结构简单，煤类较单一，且灰份、硫份变化小，属于稳定型煤层。现在132202、132203工作面（均为450m超长工作面）已经回采完毕，正在开采132204超长工作面。

 

02  超长工作面关键技术及装备研发

 

超长工作面关键技术

（1）超长工作面采后覆岩静态损害特征

通过现场实测探查采后覆岩静态损害特征，包括采后覆岩“两带”发育高度、发育形态、覆岩裂隙类型及分布特征等。对比研究地表浅部下行裂隙与覆岩内部上行裂隙之间的差异性规律。

通过钻探取芯、简易水文观测、注水试验、岩芯编录、地球物理常规测井结合井中电视测井、地下水位监测、地表沉降监测等手段，综合查明小保当二号煤矿132202超长工作面2-2煤层开采“两带”发育高度，风化岩含水层地下水位变化特征及地表沉降，取得成果如下：

1）小保当二号煤矿132202超长工作面煤层平

均开采高度为2.50m，采空区导水裂隙带发育高度为72.40～85.05m，裂采比为27.84~31.50；冒落带发育高度为33.90~44.10m，冒采比为13.03～16.33。

2）“两带”工作面倾向发育形态：导水裂隙带和冒落带高度在工作面中心位置发育小，在工作面两巷内侧位置发育大，发育高度以工作面两巷向工作面中心逐渐变小，发育形态呈“马鞍”形。

3）通过对比煤层采动后的最大导水裂隙带高度与煤层上覆正常基岩厚度发现：煤层采动导水裂隙带发育直罗组底部未导通风化基岩含水层。

（2）超长工作面顶板灾害预警及矿压显现规律

 

图1　小保当二号煤矿矿压监测预警平台

 

通过分析矿压数据得出超长工作面的周期性、阶段性来压规律，分析液压支架等设备的使用工况，结合回采进度，建立顶板来压分级预测预警算法模型，实现对基本顶来压步距、持续时间、动载系数、支架工况、超前围岩稳定性等矿压指标的实时分析和预测，捕捉异常征兆，指导超长工作面安全生产。小保当二号煤矿矿压监测预警平台如图1所示。在132202超长工作面矿压显现规律方面主要得出以下结论：

1）初次来压步距平均为77.1m，动载系数平均为1.54，工作面液压支架安全阀开启比例为16.7%，初次来压矿压显现较强烈，工作面机尾侧来压强度整体高于机头侧。周期来压步距主要分布在4~40m，平均为11.9m，并主要分布在5~15m；超长工作面来压步距短，来压频繁；周期来压动载系数分布在1.1~1.47，平均为1.33，工作面周期来压矿压显现显著，顶板来压强度等级总体为Ⅱ级（来压强度中等）。

2）初次来压步距平均为40.5m，来压持续长度4.0m，初次来压主要影响范围为60~185号液压支架，在来压影响范围内液压支架最大工作阻力为12811~16032kN，平均为15264kN（42.2MPa），初次来压动载系数平均为1.27。

周期来压步距主要分布在6~17m，平均为10.9m，并主要分布在8~14m；超长工作面来压步距短，来压频繁；周期来压动载系数为1.2~1.46，平均为1.35，工作面周期来压矿压显现显著，顶板来压强度等级总体为Ⅱ级（来压强度中等），比132202工作面来压更加频繁，来压区域更广，强度更大。

（3）超长工作面液压支架群组支护特性及协同控制技术

基于工作面长度、采高、顶板、巷帮等建立支护模型，确定液压支架结构，搭建超长工作面智能化数字逻辑模型及数据架构，对上述环境下的开采系统建模分析，实现了三维场景再现，可指导工作面安全高效生产。根据两巷超前支架的关联控制要求，结合全工作面跟机工艺，在整套工艺中研究两巷超前支架推进控制方案。液压支架支护质量监测系统界面如图2所示。

 

图2　液压支架支护质量监测系统

 

（4）超长工作面采动覆岩“四场”耦合演化规律

通过理论分析和模拟试验揭示了采动地下水渗流动态变化特征，包括地下水位动态变化，水流场时空变化规律等；综合研究覆岩裂隙场、位移场、应力场与渗流场之间的耦合规律，阐明了超长工作面采动“覆岩-含水层-地表”之间“四场”耦合联动机制。

1）通过对风化岩含水层地下水位长期观测，回采对工作面中部风化岩含水层影响最大，水位变化幅度2.63～6.45m。对工作面两巷及相邻工作面上部风化岩含水层影响相对较小，水位变化幅度0.7～0.8m。

2）通过GNSS地表移动自动观测得知，回采对132202超长工作面中心影响最大，地表最大沉降量1700mm，最大下沉系数0.65，地表沉降持续总时间为48d，相邻工作面中心影响很小。

（5）超长工作面覆岩运动实测

在超长工作面布置8通道的井下微震监测系统，地面布置2台ARP2000P/E微震监测台站，在矿井范围内形成井下和地面微震的联合监测，通过对微震数据实测、分析，结合理论研究结果，进一步揭示了超长工作面覆岩运动和破断特征。井上井下联合监测台网如图3所示，ARP2000P/E井上微震监测系统如图4所示。

 

图3　井上井下联合监测台网示意

 

 

图4　ARP 2000 P/E井上微震监测系统

 

1）132202工作面微震以小能量事件为主，微震事件具有能量小、频次低的特点，仅发生1次104J的能量事件，无强动力灾害危险。

2）在水平方向，微震事件主要发生在工作面后方100m至前方80m范围内；在垂直方向，微震事件在25m以下的低位顶板岩层内呈现密集分布，表明微震事件的能量来源主要是低位岩层垮断，高位岩层对工作面开采活动影响较小，判断对工作面矿压显现造成影响的主要为平均厚度17.8m的细粒砂岩基本顶。

3）工作面推进速度与微震活动强度之间有显著的相关性，尤其当推进速度突然加快后，微震能量和频次均发生激增。

（6）超长工作面开采覆岩破坏与地表移动变形协同作用机理

基于地层结构分析与实验室物理力学参数测试，建立超长工作面开采的三维数值模型和基于光纤传感监测的高精度物理相似模型，结合现有高强度开采研究成果，全面考虑煤层-覆岩-地表之间的相互作用，分析研究超长工作面条件下的采动裂隙发育及覆岩空间结构动态演化过程、地表移动变形和损害特征，揭示了高强度开采煤层-覆岩-地表空间结构动态演化机理，预测小保当二号煤矿132202超长工作面覆岩破坏高度和地表移动变形，为研究超长工作面安全开采可行性提供重要依据。

1）地表超前始动点约为工作面前方100m，在工作面推进650m后，地表开始形成下沉盆地，沿走向地表最大沉降量为1841mm，发生在开切眼前方250m，下沉系数为0.72；工作面一次见方时，地表下沉最为活跃，最大下沉速度发生在工作面后方138m处，最大下沉速度为140mm/d。

2）工作面推过倾向测线369m后，倾向测线基本进入稳沉阶段，工作面沿倾向方向最大沉降量为1729mm，位于132202工作面中部位置；沿倾向方向地表下沉范围为132202工作面运输巷以外310m至回风巷以外20m，地表活动范围涵盖132202和132201这2个工作面；132202工作面二次采动影响，引起了132201工作面采空区顶板的活化运动。

 

超长工作面装备研发

（1）超长工作面支-采-运配套工艺

对小保当二号煤矿2-2煤超长工作面布置方案进行对比分析，针对工作面布置选取合理的巷道布置方式，确定割煤工艺，最后对整体设计进行优化。研发中厚煤层“高能积比”配套模式，宽中心距、高可靠性强力液压支架成套支护装备，以及大中心距高可靠性低矮槽帮和集中一体式过煤方式，解决了超长工作面“支”“运”难题。

为保证设备的稳定性，提升支护强度，“高刚度、薄顶梁、宽中心距”高可靠性强力液压支架将中心距由1.5m提升到2.05m，采用缸径为480mm的大缸径立柱，支护强度达到1.25MPa以上，工作阻力达到16000kN；工作面液压支架数量减少了约27%，整体可靠性明显提升，液压支架寿命试验达到50000次。三维可视化开采工艺和装备动态配套如图5所示。

 

图5　三维可视化开采工艺和装备动态配套

 

（2）超长工作面智能化系统控制

研发中厚煤层超长工作面高速截割18段工艺方法和控制程序（图6），液压支架液压系统参数化设计平台和自适应支护控制系统，超长工作面“四进四回”敏捷供液系统；提出工作面设备群高效推进协同控制策略，确立中厚煤层高效开采工艺，为工作面智能化建设奠定了基础；确立超长工作面高速截割开采工艺，开发基于真实数据驱动的监控系统；研发了自适应支护控制系统及超长工作面液压支架“四进四回”敏捷高效供液系统（图7）。

 

图6　超长工作面高速截割18段工艺方法

 

图7　超长工作面敏捷高效供液系统示意

 

（3）长远距刮板输送机系统关键技术

根据工作面长度、采高，采煤机截距等参数，对刮板输送机中部槽、铲煤板等受力情况及强度进行分析，对首套超长工作面链条和张紧系统进行研究，改进并研制出高精度长寿命刮板输送机，丰富了长远距超大运量卸煤技术理论基础。

 

03  超长工作面关键技术与装备工业应用

 

智能化控制系统

132202、132203、132204超长工作面均采用北京天玛智控科技股份有限公司SAM型自动化控制系统，在地面调度指挥中心和工作面两巷指挥中心，皆可实现对工作面采煤机、液压支架、刮板输送机、泵站等设备的远程一键启停，并且可通过工作面高清视频和其他多功能传感器将监测数据传输到巷道监控中心及地面调度室，在远控模式下监测采煤机、液压支架、刮板输送机等设备运行情况，在一定程度上实现了“透明工作面”。地面调度指挥中心大屏显示如图8所示，巷道监控中心如图9所示。

 

图8　地面调度指挥中心大屏显示

 

图9　巷道监控中心

 

超长工作面国产化设备关键替代

国产化超长工作面采用MG750/1940-WD型采煤机、ZY16000/18/32D型液压支架，SAC电液控制系统，刮板输送机、转载机、破碎机、液压泵站、电机等设备均采用国内外知名厂家产品，上述设备实现了工作面自动化生产、自动找直、“三机一架”协同控制等功能。在实际应用过程中，曾对工作面设备进行了以下更换：

（1）刮板输送机变频一体电机国产化替代

邀请厂商技术人员驻矿调研，跟踪刮板输送机运行情况，收集运行参数，将保越1400kW变频一体电机更换为青岛中加特电气股份有限公司生产的1600kW变频一体电机，有效解决了电机过载高温和运输机频繁压车的问题。

（2）刮板输送机减速机国产化替代

邀请国外减速机厂家现场测绘“三机”进口减速机，并进行国产化替代，有效解决了减速机供货周期长的问题。

（3）关键部件国产化替代

通过内蒙古神东天隆集团股份有限公司、陕西华锐实业发展有限公司、宁夏天地奔牛实业集团有限公司、中煤张家口煤矿机械有限责任公司等厂家完成了转矩轴、花健轴、导向滑靴、平滑靴、齿轨轮、牵引离合器、哑铃销、刮板及链轮等26项配件的国产化替代，保证了设备高效运行。

（4）国产化配件替代取得成效

进口配件国产化替代的现场实施，保证了设备安全高效运行，并最终升级了以下参数及功能：采煤机的过煤高度由542mm改进为811mm，提升了采煤机壳体强度、耐磨性，对摇臂、牵引部壳体铸造材料进行微合金化改良，提升了铸造工艺性，配合壳体铸造工艺及热处理工艺的改良，强度、耐磨性提高2倍以上；齿轮材料精炼锻造，减少了有害元素，细化了其组织晶粒，提升了抗拉强度，以此提高采煤机齿轮件抗弯强度、接触强度，提升传动寿命；宁夏西北天地煤机有限公司刮板输送机出厂配置3×1600kW中加特变频一体机，有效解决了电机频繁过载高温的问题，满足煤流长运距输送需求；在智能化升级方面，国产化工作面所有设备采用的控制系统通信接口独立且权限可以完全开放，实现了集控中心对所有设备进行集中控制。

 

生产效益

采煤机滚筒截深1.05m，平均推移步距1.05m，日均割煤刀数14~16刀，单刀煤产量约2400t，月均原煤产量可达100万t以上。已经完成2套450m超长工作面的回采，目前正在开采第3套450m超长工作面。最高日产5.2万t，工作面生产能力由国内一般不超过3~4Mt/a提升至13Mt/a，相比国内其他中厚煤层，生产能力提升了300%，产能提升了3倍以上。截至目前，450m高度智能化超长综采工作面实现了单班7~9人的少人化开采和常态化运行。

 

社会效益

450m高度智能化超长综采工作面的探索与实践，不仅降低了万吨掘进率，提升了资源回收率，更为陕煤集团中厚及偏薄煤层开采开辟出一条低投入、高产出的新道路，为陕西陕煤榆北煤业有限公司尔林兔3对矿井乃至榆神四期新矿井设计产能提升提供了丰富的实践经验和理论支撑，为煤炭行业中厚煤层矿井产能设计及配套装备研制提供了新的方案，更为我国中厚煤层的开采开辟出一条可借鉴、可复制的创新之路。

 

来源：智能矿山杂志