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大倾角工作面自动化拉架挡矸控制系统应用

2024-09-02 76 上传者：管理员

摘要：为解决大倾角工作面在截煤过程中出现煤矸滚落造成人身伤害事故的问题，通过采取有效防范措施，在采煤机和液压支架上安装红外线传感器收发装置，实现采煤机与支架之间的相对位置准确定位，从而按照设定程序判断采煤机与支架的运行状态所处阶段，将采集信号回传给监测中心，自动控制液压千斤顶伸缩防护挡矸板，完成对操作人员的防护。经效果验证，有效减少了工伤事故，节省了工伤费用支出，取得了显著效果。

关键词：
大倾角工作面
智慧矿山
液压支架
自动化挡矸
采煤机
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随着我国现代化煤矿智能设备的不断升级，越来越多的新技术、新装备投入生产使用，有效促进了智慧矿山的建设。尤其是近年来随着信息化、自动化技术的创新发展，更多科技成果被广泛应用于矿井安全生产，例如带式输送机自动巡检装置、智能化综掘机远程控制系统、煤矸筛选视频监控自动分离系统等先进监控系统更有利于提高生产效率，保障生产安全。大倾角采煤工作面回采期间容易发生片帮、漏矸造成煤矸滚落伤人的事故，存在较大安全风险，当遇到地质条件复杂、煤层顶底板起伏变化大、煤层倾角较大等开采环境时，滚矸伤人的风险还会加大。因此，工作面在回采过程中应采取有效措施形成自动挡矸和及时推溜拉架的良性作业循环，有效保护作业人员的人身安全，避免设备被砸伤损坏而影响正常采煤，制定可靠高效的防护措施势在必行。

针对以上问题，以某煤矿12203工作面为工程基础，通过研究分析大倾角采煤工作面的自然开采条件及漏矸、片帮的形成机理，通过构建采煤机相对支架的红外定位系统，自动控制液压支架及时拉架形成超前支护，并通过增加液压升降防护挡板，配合拉架、推溜过程对滚落煤矸进行辅助防护，有效起到对人身和设备的保护作用。

1、工作面概况

某煤矿核定矿井生产能力为1.2 Mt/a，属煤与瓦斯突出矿井，采用主副斜井开拓方式，中央并列式通风；矿井主要开采2#煤层，经鉴定为Ⅲ类不易自燃煤层，矿井地质条件复杂，水文条件为中等。12203工作面位于矿井一采区西翼，东面紧邻斜井开拓大巷，北翼为相邻12201工作面采空区，留设12 m厚防隔水保护煤柱，南翼为未采区。工作面2#煤层厚1.7～2.8 m，平均厚度2.3 m，煤层底板起伏变化大，赋存不稳定；工作面沿走向布置，其上巷为回风顺槽，设计长度860 m，下巷为运输顺槽，设计长度783 m；切眼沿倾向布置，设计长度为142 m；煤层倾角为32°～41°，平均36°。12203工作面巷道布置如图1所示。

图1 12203工作面巷道布置示意图

12203工作面支架选型为ZY4000/13/28QD矿用液压支架，共计安装92架，配备刮板输送机SGZ730/2×200、采煤机MG2×200/870-WD，以及SAC电控液压系统和SAM自动化集控系统等，结合煤层倾角的现有地质条件构建大倾角工作面自动化拉架挡矸控制系统。

2、漏矸、片帮的形成机理

大倾角采煤工作面发生的漏矸、片帮现象主要由支架支护质量差、采煤机与超前支架协同配合不到位等因素导致，主要表现为以下几方面：

(1）采煤工作面回采过程中对煤壁支护不及时，未及时进行超前支护，或者支架立柱未升起接顶，造成顶板围岩离层和冒落、初撑力支承强度不足，致使顶板应力作用在松软煤体上，由于采煤机滚筒对煤壁原始稳定结构进行截割破坏，产生内部结构失衡，当顶板应力增大时很容易诱发片帮和顶煤冒落；

(2）大倾角工作面煤层底板起伏变化大、煤厚赋存不均匀，当采煤机滚筒对煤壁进行截割作业时，不仅煤体自身结构遭受破坏易垮落，在倾斜切眼巷道内还受到自身重力向下的分力的作用，进一步降低煤层底板的支承强度，促使煤层垮落分解，在此条件下即便能够及时通过单体柱紧贴煤壁打设背帮柱，当采煤机回刀再次截割煤壁时仍然会出现扩大片帮的现象，继而引发架前冒顶事故的发生；

(3）当煤层顶底板起伏不平、煤厚变化大时，为减少采煤机破岩量、降低截齿消耗磨损，会采取降低采高或者适当破底、挑顶等措施，由此造成工作面支架出现大面积倒架、咬架甚至架缝超宽、超高出现漏矸现象，增大了支架工程质量管理难度。当局部支架推进至厚煤区时，由于支架管理质量下降，导致架间或架前留煤，一旦顶板破碎，极易导致局部冒顶挤压支架，进而扩大冒顶面积，连续多架出现倒架现象。

当采煤工作面出现上述现象时，顶板活矸和架前煤壁大块煤矸会通过切眼大倾角巷道刮板输送机槽体向下巷滚落，若人员站位不合理，很容易造成人身伤害事故，并对支架液压管，电缆槽内的风水管、采煤机电缆等设备物品产生挤压破损，导致漏电、漏液、漏风等事故，严重影响生产安全。

3、自动化拉架挡矸控制系统

为加强在采煤工作面回采期间对采煤机位置、中间支架姿态和超前支架状态等的实时动态监测和根据工作面煤矸滑落情况及时采取防滑、挡矸措施，通过在液压支架下部前段安装视频摄像头，在采煤机和支架上分别安装红外信号收发装置，利用对同频红外信号的接收，快速捕捉采煤机所处位置对应的支架编号，以此实现准确定位，并结合SAM自动化集控系统、以太网、矿用光纤、音视频等设备完成红外信号的快速传输，对采煤机和支架实现远程控制，快速调整支架姿态，协同挡矸装置共同发挥防飞矸作用，达到有效防护的目的。

(1）自动化视频监测系统

在工作面采煤机和液压支架上合适位置分别安装型号为KBA12-2的矿用本安型隔爆视频监控仪，主要用于实时捕捉采煤机的截割状态、煤块大小、煤壁完好状态、滚筒是否卡矸等生产信息，采集画面信息后可跟机实时推送、传输，视频可经过存储随时调取监控回放。自动化视频监测系统通过在井下安装127 V视频电源箱，接入无线AP综合服务器，同时连接人机界面端口和支架、采煤机等设备的视频接口，完成设备的供电与信号采集、传输功能。该系统组成如图2所示。

图2自动化视频监测系统组成

(2）红外线信息捕捉定位系统

12203工作面采用采煤机行走部编码和采煤机红外定位的双定位模式，即采煤机安装红外线位置信号发射器，在每个液压支架对应编号安装同频信号接收传感器，采煤机在截割运行期间，发射装置不停向外发出具有固定频率和特定编码的红外线射频信号，为实现准确定位，红外线信号强度和传输范围有限。当采煤机运行至工作面内某一支架附近时，在支架上安装的接收传感器采集到信号，回传至支架控制器，由此对应支架编号即可判断当前采煤机的具体位置，从而实现准确定位功能。

(3）架前辅助挡矸装置

由于架前漏矸和煤壁片帮造成的煤矸滚落方式、位置具有随机性，无法准确判断煤矸滚落的轨迹和落点位置。根据支架工和采煤机司机的常规站位与操作习惯，人员通常站在工作面刮板输送机电缆槽后方和支架立柱前方的狭小空间内，一旦出现飞矸滚落，很容易造成人员胸腔挤压和头部砸伤等事故。为了加强设备防护，从本质上创造安全环境，特对刮板输送机电缆槽后挡板进行技术改造，形成架前辅助挡矸装置如图3所示。

图3架前辅助挡矸装置

1.刮板输送机中部槽2.电缆槽3.自伸缩活动挡矸板

根据操作人员站位高度，在充分考虑挡矸防护效果的同时，也要能够清晰观察架前采煤机和刮板输送机的运行状态、煤壁破坏情况等，避免挡矸板安装过高遮挡观察视线。在每节电缆槽后方加装高度为0.4～0.6 m的空心钢板槽，每节中部槽长度为1.5 m，空心钢板槽设计长度为1.2 m，槽内可上下收缩的活动钢板长度为1 m，在钢板槽外面靠近支架一侧距离两端边缘0.3 m处分别固定1根可伸缩千斤顶，上端与活动钢板焊接在一起，使用液压管与支架操作阀组连接。当出现飞矸滚落需要挡矸防护时，推移阀组手柄提供乳化液，使挡板千斤顶带动活动钢板从钢板槽内升起，增大防护面积，从而实现快速防护效果；当正常生产需要观察时，则复位手柄进行卸液，收回千斤顶，使得活动钢板收入槽内。自伸缩活动挡矸板设计如图4所示。

图4自伸缩活动挡矸板设计

1.活动钢板2.伸缩千斤顶3.空心钢板槽4.千斤顶焊接点

(4）自动化拉架挡矸控制系统操作流程

为更好地观察工作面支架和采煤机在生产期间的移动状态和相对位置，在液压支架前梁下方每间隔3个支架安装1个KBA12-2型视频摄像仪，朝向前方煤壁，主要用于监控采煤机的截割状态；每间隔6个液压支架在前梁下方安装1个监控方向与煤壁平行的摄像仪，用于监测同组6个支架是否处于同一直线上，由此判断某一支架是否存在滞后拉架现象，同时与采煤机的对应位置关系进行比对分析，判断滞后拉架是否合理、是否存在漏冒风险。

工作面在正常截煤作业时，通常按照截割→推溜→拉架→放顶的作业循环，但在大倾角采煤工作面时需要增加挡矸板的升降、观察环节。因此，根据截煤顺序和推溜、拉架的协同配合，将各个环节和操作分为6个阶段，如图5所示。

图5自动化拉架挡矸控制系统操作流程

根据采煤机与液压支架上安装的红外线收发装置传感器及视频摄像仪等装置，可准确定位采煤机与液压之间的对应位置关系。因此可按照以下6个阶段开展截煤各项流程。

(1)Ⅰ阶段采煤机从机头向机尾方向截割，10#～12#支架位置已完成截煤，拉架、推溜已到位，此时可将挡矸板升起。支架工向机尾方向跟随采煤机拉架，采煤机司机紧跟采煤机向20#支架以后截割。

(2)Ⅱ阶段13#～15#支架处于推溜状态，为便于观察刮板输送机是否推移到位、是否前后平直、是否存在上翻下翘问题，需要在防护到位的前提下更加注意观察，因此，此阶段可紧靠钢板槽进行防护，不需要升起活动钢板挡矸。

(3)Ⅲ阶段16#、17#支架处于带压拉架状态，在此过程中很容易因煤矸滚落造成伤人，因此需要将活动钢板升起进行防护。

(4)Ⅳ阶段采煤机正处于18#～20#支架附近，为便于采煤机司机观察，且架前有采煤机和滚筒等进行辅助防护，活动钢板处于下降、回收状态。

(5)Ⅴ阶段21#～23#支架为采煤机即将到达的截割区域，位于工作面上巷部分的支架工需要将活动钢板回收复位，帮助采煤机司机观察右侧滚筒的破煤情况，同时避免大块煤矸滚入采煤机行走部下方造成刮板输送机卡死。

(6)Ⅵ阶段24#、25#支架位于截割方向前方，为了采煤机能够顺利通过，需要支架工提前调整采高，将支架立柱升起接顶，确保足够初撑力，同时为了滚筒能够达到有效截割深度，需要将刮板输送机前推至紧贴煤壁，因此在此过程中为防止松软煤壁被挤压破坏、支架升起后架间漏矸伤人，需要将活动钢板升起进行人身防护。

根据上述采煤机截割作业循环流程，在开机启动前进入“自动巡检”或“开始作业”模式，设定好采煤机的前进方向；当回采至切眼内任一支架时，通过红外线收发装置传感器对信号的分析处理，自动判断采煤机的当前定位信息，按照预先程序设定，自动检索目前所处的流程阶段。当判断处于Ⅰ、Ⅲ、Ⅵ阶段时，自动控制操作阀组手柄进行供液，升起活动钢板，采取人身防护措施；当判断处于Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ阶段时，需要加强架前观察，只需钢板槽的高度即可达到防护效果，活动钢板处于回收、复位状态。

4、实际应用效果

自动化拉架挡矸控制系统在12203工作面投入使用，与相同生产条件的12201工作面相比，在经济效益、生产效率和安全事故防范等方面均取得了显著效果。

(1)12201工作面从开始回采到结束，共发生人身安全伤害事故9起，其中5起为骨折等重伤事故，4起为轻伤事故，经工伤鉴定和后期康复疗养，9起事故共计花费治疗费用57.38万元；而12203工作面一共发生了3起轻伤事故，共计治疗费用为1.13万元。

(2)12201工作面因出现采面漏矸滚落伤人事故和由工程质量管控不到位造成的架前片帮，支护处理占用较多生产时间，经过统计，平均每周占用有效生产时间约13.2 h；而12203工作面的每周影响生产时间为6.7 h，按照正常生产进度1.4 h/刀，可多出原煤近5刀，增加产值约130万元。

(3）经过安全防护措施的改进，操作人员在确保自身安全的条件下，能够更加优化生产组织、提高生产效率，将原来回采每刀时长1.4 h调节到了1.2 h，生产效率显著提升。

5、结语

(1）通过分析大倾角采煤工作面的地质条件和开采特征，分析漏矸、片帮现象的产生机理，从支架工程质量管理、底板起伏不平和超前支架支护不到位等方面采取针对性措施加强管理、进行防范；

(2）过在工作面支架和采煤机上分别安装红外线传感器进行信号收发，实现采煤机在运行期间的准确定位功能，从而按照设定程序自动判断采煤机和支架进入的阶段状态，下达指令控制防护挡矸板的升降，起到自动防护的效果；

(3）自动化拉架挡矸控制系统在采煤工作面投入使用后，有效降低了轻、重工伤的发生次数，缩短了影响生产时间，增加了原煤产量，提高了生产效率。

参考文献:

[1]张钦,孟亚周.大倾角综采工作面综合防滚矸安全技术实践[J].能源与环保,2020,42(7):57-59+64.

[2]张强.大倾角综采工作面回采的关键技术分析[J].中国石油和化工标准与质量,2020,40(11):249-250.