特厚煤层综放工作面自主规划开采技术在某矿61304综放工作面的应用

特厚煤层综放工作面自主规划开采技术在某矿61304综放工作面的应用

陈成

鄂尔多斯市华兴能源有限责任公司 内蒙古 017100

[摘要] 某煤矿具备大埋深、厚煤层、带压开采等特点，地质条件复杂，为增加开采效率并提高生产过程安全性，我国许多大型煤矿企业都将综采自动化引入到工作面开采过程中，但因为待开采区域地质地理信息的不透明性导致开采过程缺乏指导信息，又由于缺乏有效的煤岩识别手段，造成难以实现真正自动化智能化开采的困境。为了进一步巩固61304智能化综放工作面的应用成果，结合该矿61304工作面的地质条件和设备配套情况，提出了结合工作面精确地质模型，将现有的自动化系统升级，开发基于基准三维地质模型的综放工作面规划开采系统的建设思路，进而解决同类复杂地质条件下综合放顶煤开采技术的难题。

[关键词] 大埋深 ；厚煤层；综放工作面；三维地质模型；规划开采

1  工作面概况

1.1 工作面位置

工作面为矿井一盘区南第四个工作面，东自一盘区南6煤辅运大巷，西至呼准一期铁路煤柱保护线，北邻61303工作面采空区，南邻61305工作面（未掘）；工作面东侧三条盘区系统大巷已施工完毕，其它无采掘活动。

61304工作面走向长2141m，倾斜长240m，面积513840m2,工作面开采煤层为6煤层，煤层总厚11.6～17.5m，平均15.1m，煤层结构简单，煤层倾角0～6°，平均2°。1.2 煤层及顶底板条件

6煤：黑色，块状～粉末状为主，暗煤～半亮煤为主，含镜煤条带，属半暗型～半亮型。煤层厚度稳定，工作面平均可采煤厚15.1m，含有3～15层夹矸，夹矸为泥岩、砂泥岩，夹矸厚1.3～6.5m，平均2.8m，局部呈透镜状。

2 自主规划开采技术原理

2.1  自主规划开采技术原理

根据现有地质勘探数据构建初始地质模型，建立工作面绝对坐标系，在动态实时透明地质模型基础上制作规划开采工艺模型，建立采煤机期间的动态实时透明地质模型（确保构造与煤层实际边界的精确度在200mm以内），并提供实时与历史数据交互接口和误差校验机制。自动化集控系统根据地理信息系统提供的规划开采数据,并结合工作面回采历史数据（支架姿态数据，采煤机位姿数据，惯导测绘数据、矿压分析数据、工作面设备定位系统、生产工艺等）自主规划未来1-10刀的采煤工艺，提供规划开采工艺可视化编辑功能，自动或经人工确认后下发给采煤机执行，兼容支架电控系统提供自动跟机放煤工艺，并在规划开采工艺执行过程中提供安全防护机制。

2.2.1 基于精确动态地质模型的规划开采技术

某煤矿61304综放工作面规划开采系统结合工作面地质条件、跟机放煤工艺，参考《煤矿智能化建设指南（2021年版）》智能采煤系统相关要求，借鉴国内外同行业智能开采3.0建设标准，制定该矿智能开采3.0标准，经过与技术研发团队多次沟通交流制定了该矿规划开采系统开发与实施技术路线。

2.2.2智能采煤系统

在传统综采技术基础上，采用具有感知能力、决策能力和执行能力的采煤机、液压支架、刮板输送机等开采装备，以自动化控制系统为核心，以可视化远程监控为手段，实现工作面采煤全过程“无人跟机作业，有人安全巡视”的地面安全高效开采模式。

地面与井下建立集控中心，采用自动化软件实现通过传感器集中采集、监测各子系统运行数据，各子系统开放数据端口下发监测数据及控制点位对接集控中心实现远程监测（采用第三方Modbus协议，通过CAN通讯对接）、远程控制功能。

集控软件系统主要集成了液压支架电液控制系统、视频监控系统、乳化液保障系统、采煤机电控系统、三机泵站集控系统、顺槽集控系统组成和地面监控系统等。系统框图如图1所示。

图1自动化系统框图

2.2.3工作面精确动态地质模型

图2地质模型

工作面地质模型管理系统采用智能钻探、钻孔物探、电法监测、随掘随探、随采随探等尖端技术，获取海量的地质信息，基于“GEO+BIM”技术进行精细化数字建模，建设了包括透明防治水、透明掘进、透明回采在内的数字化应用场景，服务地质灾害防治需求与采掘智能化建设目标，形成了独具特色的透明地质保障系统。基于隐式迭代三维建模技术构建高精度多属性动态地质模型。通过规划截割系统对三维模型进行“CT”剖切，提供规划截割曲线。

2.2.4 工作面推进度计算

通过采集支架电控系统每台支架的推移行程传感器数据，累加每一次移架行程，粗略计算整个工作面液压支架和刮板机的位置坐标，得到工作面开采推进度数据。另外，为了消除累计误差，在工作面运输巷道与回风巷道安装设备定位数字标签，与工作面位置坐标对应，通过安装在工作面端头支架上的摄像仪采集巷道坐标，经过视频分析服务器识别图像，并计算出工作面两巷对应坐标，上传到规划开采平台，可以自动检测并校验工作面两端头的导向点坐标、自动检测工作面推进度，为工作面规划开采平台提供可靠的位置坐标信息。

2.2.5采煤与放煤工艺规划

通过精准开采控制、自动化控制、规划参数控制等系统，根据规划截割模型控制采煤机自主完成截割高度、运行方向、运行速度、折返换向点的精准执行；液压支架自主完成中部与三角煤部分的规划控制精确跟机、拉架、推溜，实现全工作面设备根据规划截割模型生产循环的自主执行。该矿采用“1+1”跟机放煤生产工艺，为了及时支护顶板，支架在采煤机前滚筒过后2架开始跟机移架，根据工作矿压分布分析结果，在移架区域之后的3架区间自动触发“二次跟机拉架”策略，确保在工作面周期来压情况下，支架能够全部移架到位。基于精确动态地质模型提供的煤层厚度信息，可以规划支架的放煤口的放煤轮数和放煤时间，做到“一架一策”精准控制。

3 自主规划开采的应用效果

目前某煤矿61304工作面已常态化使用液压支架、采煤机和三机协同控制、惯导调直、人员与设备安全防护等关键技术。透明地质为规划开采提供了精确的工作面切片数据。规划开采系统在此基础上制作了工作面及两巷地质模型，并基于工作面设备精确定位系统提供的位置坐标、结合地质模型提供的未来10刀的地质勘测数据和工作面回采历史数据，通过自主规划开采算法计算，自动生成下一刀的采煤机割煤采高与卧底曲线，根据前后两刀数据对比自动判断煤机上下坡，自动规划底煤厚度，有效控制工作面平均底煤厚度不超过300mm，以及根据煤层厚度调整自动放煤工艺，并动态调整支架跟机移架策略，实现智能规划开采。

利用自主规划开采技术，工作面底煤开采回收率得到提高，相较过去可多回收0.2-0.5m，每年按回采1800m计算，可实现增加原煤回收超过20万吨，利润可增加上千万元；工作面内作业人员由过去每班的12人减少至目前每班7人，两个生产班共计减员10人，按每人20万元/年计算，每年可节约人工费用近200万元。

该技术的成功运行，实现特厚煤层综放工作面的自主规划精准开采，开创了大埋深综放工作面透明开采应用新场景，通过科技保障安全，构建了减人提效、增盈保安的生产模式。

参考文献：

[1]张鹏.探析煤矿智能无人采煤工作面开采关键技术[J].低碳世界,2019,009(011):120-121.

[2]宫平,文秀龙,赵鹏飞.煤矿智能无人采煤工作面开采关键技术分析[J].南方农机,2019,050(008):160-160.

[3]方志刚.煤矿综采工作面无人化开采技术[J].中国石油和化工标准与质量,2019,039(019):213-214.