為實(shí)現(xiàn)減人提效，防止、遏制重大災(zāi)害事故，我國(guó)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(kāi)始，智能化采煤工作面在國(guó)家和企業(yè)層面上得到大力推廣，目前我國(guó)應(yīng)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(xiàn)重點(diǎn)崗位機(jī)器人作業(yè)和固定崗位遠(yuǎn)程管控，基本實(shí)現(xiàn)智能化減人目標(biāo)，逐步向“一面一人一千萬(wàn)噸”的遠(yuǎn)景目標(biāo)邁進(jìn)。由于我國(guó)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(wèn)題，需要針對(duì)礦井不同的地質(zhì)條件進(jìn)行工藝優(yōu)化。國(guó)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(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(shè)提供了良好的借鑒。但目前的研究主要是針對(duì)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(duì)智能化回采實(shí)際運(yùn)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(guò)程中，有必要對(duì)其適應(yīng)性開(kāi)展評(píng)估，總結(jié)成功經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化采煤工藝，并逐步形成一個(gè)技術(shù)體系，指導(dǎo)其他智能化采煤工作面建設(shè)。基于此，對(duì)大南湖一礦 1308智能化采煤工作面采煤工藝進(jìn)行分析，對(duì)其作業(yè)流程和應(yīng)用效果進(jìn)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(guó)網(wǎng)能源哈密煤電有限公司，井田南北長(zhǎng)約 9.4 km，東西寬約 8 km，面積為 75.28 km2，地質(zhì)儲(chǔ)量為 57.55 億 t，可采儲(chǔ)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(zhǎng)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(hào)煤層，工作面走向長(zhǎng)2 650 m，傾向長(zhǎng) 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(jìn)揭露斷層 18 條，對(duì)正常回采存在一定影響。工作面設(shè)計(jì)膠帶運(yùn)輸巷及輔助運(yùn)輸巷，分別用于回風(fēng)、煤炭運(yùn)輸和進(jìn)風(fēng)、運(yùn)料、行人、設(shè)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(jī)和 ZF10000/20/32 四柱支撐掩護(hù)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(tái)，形成“萬(wàn)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(jī)器人”無(wú)人值守巡檢模式，基本實(shí)現(xiàn)工作面常態(tài)化自動(dòng)生產(chǎn)。

2 1308 工作面智能化建設(shè)方案及采煤工藝

對(duì) 1308 工作面實(shí)際情況進(jìn)行分析，對(duì)轉(zhuǎn)載機(jī)、刮板輸送機(jī)和帶式輸送機(jī)的智能調(diào)速方案進(jìn)行研究；按照智能采煤機(jī)記憶截割和自移支架工作情況，完善采煤工藝；整體實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、記憶截割，以及支架跟機(jī)自移、智能調(diào)速和自動(dòng)供液功能，根據(jù)運(yùn)行中存在的問(wèn)題對(duì)智能設(shè)備進(jìn)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(duì)轉(zhuǎn)載機(jī)、刮板輸送機(jī)開(kāi)展聯(lián)動(dòng)變頻調(diào)速。本次共設(shè)計(jì)了 3 種控制方案，在對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)效率、噸煤能耗進(jìn)行比較后，確定最佳方案。

對(duì)刮板輸送機(jī)運(yùn)行速度起控制作用的主要因素為采煤機(jī)位置、運(yùn)行速度、電流，刮板輸送機(jī)電流和實(shí)時(shí)煤流量等，將其確定為評(píng)判參數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，確定相應(yīng)的權(quán)值。首先計(jì)算刮板輸送機(jī)評(píng)判指標(biāo)

式中： 為刮板輸送機(jī)評(píng)判指標(biāo) A 的均值；Ae 為最大值；A1～ A4 分別為采煤機(jī)的速度、位置、電流、刮板輸送機(jī)電流；K1～ K4 為 A1～ A4 對(duì)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(jī)最大牽引速度、支架數(shù)量、采煤機(jī)額定電流、刮板輸送機(jī)額定電流。

同理，計(jì)算轉(zhuǎn)載機(jī)評(píng)判指標(biāo)

式中：為轉(zhuǎn)載機(jī)指標(biāo) B 均值；Be 為最大值；B1、B2分別為轉(zhuǎn)載機(jī)轉(zhuǎn)矩、實(shí)時(shí)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(píng)判指標(biāo)與刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速關(guān)系如表 1 所列。

表1 評(píng)判指標(biāo)與對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速關(guān)系

方案 1：按照評(píng)判指標(biāo)變化情況，分別開(kāi)展刮板輸送機(jī)和轉(zhuǎn)載機(jī)的變頻調(diào)速。因?yàn)檗D(zhuǎn)載機(jī)實(shí)際運(yùn)行期間速度調(diào)整具有一定的延遲，會(huì)造成原煤堆積的情況，對(duì)正常生產(chǎn)存在一定影響。

方案 2：按照評(píng)判指標(biāo)變化情況，僅對(duì)刮板輸送機(jī)開(kāi)展變頻調(diào)速。轉(zhuǎn)載機(jī)高速運(yùn)行，避免過(guò)載停機(jī)的情況，但轉(zhuǎn)載機(jī)無(wú)法根據(jù)生產(chǎn)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)速。

方案 3：按照評(píng)判指標(biāo)變化情況，開(kāi)展刮板輸送機(jī)和轉(zhuǎn)載機(jī)聯(lián)動(dòng)調(diào)速，同時(shí)對(duì)比兩者的速度，當(dāng)前者速度小于后者，轉(zhuǎn)載機(jī)按照刮板輸送機(jī)速度運(yùn)行；當(dāng)前者速度大于后者，則速度不變。避免了過(guò)載停機(jī)的同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了聯(lián)動(dòng)調(diào)速。

對(duì) 3 種方案開(kāi)展生產(chǎn)試驗(yàn)，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(yùn)行能耗下降 9.64%；方案 3 的能耗比定速運(yùn)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(jì)

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

2.2 采煤工藝評(píng)價(jià)

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(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(biāo)，各設(shè) 50 分，對(duì)各采煤工藝開(kāi)展評(píng)價(jià)優(yōu)化。由于不同的放煤工藝有可能對(duì)上述評(píng)價(jià)產(chǎn)生影響，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘察對(duì)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(dǎo)致管理難度差異，所以參照管理難度系數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。工程質(zhì)量得分=(工程驗(yàn)收得分+現(xiàn)場(chǎng)印象分-工程質(zhì)量扣分-其他扣分)×管理難度系數(shù)。工程驗(yàn)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(chǎng)印象分為考核組對(duì)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(jī)司機(jī)和支架工，計(jì)算公式為：人員投入得分=數(shù)量得分×作業(yè)時(shí)長(zhǎng)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(zhǎng)以小時(shí)為單位，總設(shè)計(jì)時(shí)長(zhǎng) 8 h，總分為 8分，每增加 1 h 扣 1 分。試驗(yàn)總分最后按照 50 分進(jìn)行折算。

試驗(yàn)開(kāi)始后，首先人工割煤 2 刀，形成截割記憶數(shù)據(jù)，用時(shí) 1.5 h，后續(xù)試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng) 6.5 h，采用不同的時(shí)間長(zhǎng)度組合。在出現(xiàn)機(jī)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(yàn) 5次，然后計(jì)算平均值。

在對(duì)試驗(yàn)情況進(jìn)行分析后可知，試驗(yàn)時(shí)間全部采用人工割煤時(shí)，綜合評(píng)價(jià)得分為 71.33 分；全部采用記憶截割時(shí)，綜合評(píng)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(píng)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(dāng)割三角煤時(shí)，流程如圖 1 所示。1～ 29 為支架號(hào)，“下 1”代表首次截割為下行采煤，回采方向?yàn)闄C(jī)尾至機(jī)頭；“上 2”表示第 2 個(gè)工序?yàn)樯闲校夭煞较驗(yàn)闄C(jī)頭向機(jī)尾，依次類推。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(gòu)造時(shí)，智能控制系統(tǒng)由于記憶截割而無(wú)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(duì)前移支架進(jìn)行及時(shí)閉鎖，避免自動(dòng)跟機(jī)時(shí)支架再次出現(xiàn)抬底、降柱等動(dòng)作，還需要對(duì)程序進(jìn)行設(shè)定以保證液壓支架正常自動(dòng)跟機(jī)，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(yùn)行過(guò)程中，采煤機(jī)、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(jìn)行額外的人工干預(yù)才能保證工作面順利運(yùn)行。為了解決這些問(wèn)題，需要對(duì)綜采設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化。

(1) 采煤機(jī) 加高采煤機(jī)的拖纜設(shè)施和破碎機(jī)液壓缸鎖的防護(hù)裝置，加固位置傳感器防護(hù)裝置，采煤機(jī)、破碎機(jī)內(nèi)循環(huán)管路和水路防護(hù)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(hù)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(dòng)升降裝置。

(3) 液壓系統(tǒng)過(guò)濾方案 對(duì)液壓系統(tǒng)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(tǒng)的故障率也大幅下降，僅為 3% 左右，節(jié)約配件更換費(fèi)用超過(guò) 30 萬(wàn)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(fèi)等方面進(jìn)行對(duì)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(shì)。

(1) 噸煤能耗 對(duì)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(duì)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(zhǎng)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(tǒng)計(jì)，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(duì)比

(3) 反滲透用水量 2023 年 3—6 月，對(duì)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(duì)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(duì)比可知生產(chǎn)班和檢修班各減少 5 人和 7 人。

(5) 維修費(fèi) 2022 年 3—6 月，智能化采煤工作面的維修費(fèi)總計(jì) 45.12 萬(wàn)，平均 11.28 萬(wàn)元/月；普通工作面的維修費(fèi)總計(jì) 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(fèi)用減少14.99 萬(wàn)元/月，下降 57.06%。維修費(fèi)用對(duì)比如表 3所列。

表3 維修費(fèi)用對(duì)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(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(xì)微變化，特別是在遇到斷層、褶曲等地質(zhì)構(gòu)造期間，無(wú)法實(shí)現(xiàn)記憶截割和自動(dòng)跟機(jī)移架；刮板輸送機(jī)調(diào)整時(shí)，智能采煤系統(tǒng)在超前割煤位置判斷上出現(xiàn)問(wèn)題，無(wú)法作出針對(duì)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(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(duì)不同的情況開(kāi)展自我學(xué)習(xí)與分析，并獨(dú)立作出正確決策，同時(shí)，系統(tǒng)還要求能夠準(zhǔn)確診斷各模塊出現(xiàn)的問(wèn)題以及假異常。目前而言，智能化回采在煤巖識(shí)別、采煤機(jī)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(xiàn)智能化回采，今后需要進(jìn)一步研究。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì) 1308 智能化采煤工作面，設(shè)置刮板輸送機(jī)和轉(zhuǎn)載機(jī)的聯(lián)動(dòng)變頻調(diào)速評(píng)價(jià)指標(biāo)，設(shè)計(jì)了 3 種變頻調(diào)速方案，通過(guò)試驗(yàn)，對(duì)生產(chǎn)效率及噸煤電能消耗進(jìn)行計(jì)算，確定最優(yōu)方案。通過(guò)對(duì)智能化采煤工藝進(jìn)行分析，并開(kāi)展回采試驗(yàn)，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(duì)性地對(duì)采煤設(shè)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(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(fèi)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(shì)的結(jié)論。