关于煤矿智能综采工作面安全高效开采适应性评价分析.pdf

10/矿业装备 MINING EQUIPMENT工 艺0 引言科学技术的发展，带动了行业转型的同时，也加快了煤矿开采智能化发展。根据煤矿工作面开采情况，智能开采成果与围岩活动、环境变化等适应程度紧密相关，还与煤层厚度变化、开采技术条件、装备情况等有一定关联，智能综采工作面系统并非一个独立的系统，在各种外部因素影响下，开机率常常难以达到最佳水平，导致综采系统整体效能不佳。对此，煤炭企业需要重视智能综采工作面中存在的各种技术问题和安全隐患，认真调研智能综采工作面安全性和开采适应性，并建立相关模型，实现智能综采工作面开采高效安全评价分析，以实现智能化采矿目标。1 煤矿智能综采概述所谓智能化采矿，是在自动化控制系统中增设一些主动决定功能，设置一些传感器和监测设备，实时感知围岩结构及外部环境变化趋势，自动调节采矿参数，具备智能认知、智能决定及管理三个鲜明特征1。该系统监控设备自主学习和决定特征突出，能根据采集信号和信号分析，为自动控制和自主决策提供支持。在实际运行中，依照工作环境编号不断调整和完善自主调控参数，提高采矿效率和质量。例如，某煤矿开采工作面埋深为 121m，顶板条件为14.56m 粉砂岩和中粒砂岩，底板条件为 2.39m 泥岩，煤层厚度、倾角和普氏系数分别为 6.72m、1 3、2；地质构造简单，无断层、褶皱和陷落柱；低瓦斯，水文条件简单，且低煤尘有爆炸倾向。该煤矿智能综采工作面开采面长、采高、截深、仰角度数、矿压强度分别为315.4m、6.7m、4、3047MPa，日推进距离为 13m，平均日产量为 4 万 t。主要采用机械设备为支架、采煤机、带式输送机、转载机等。调查发现，智能采矿技术应用还处于初级阶段，存在许多制约因素，具体表现如下：第一，井下工作面环境粉尘大，容易干扰监控视频、红外线等信号。第二，井下布设传感器数量多，传感器质量和信号关于煤矿智能综采工作面安全高效开采适应性评价分析任卫平（山西汾西矿业集团南关煤业有限责任公司，山西晋中 031304）摘要：煤矿开采属于高危行业，开采期间面临较多风险因素。伴随我国煤矿综采工作面智能化发展，各种在线监测技术、集中控制、人机互动等自动化、机械化、智能化设备大量引进，一定程度上提高了煤矿综采工作面安全高效开采。为进一步提高综采工作面智能化水平，需要研究地质构造特征、煤层赋存及开采技术条件等因素与综采工作面的关联程度，提高智能综采工作面安全高效开采适应性。通过全面论述我国煤矿智能综采现状，分析综采工作面中智能化开采使用的关键技术，总结归纳智能综采工作面安全高效开采适应性评价指标，建立适应性评价模型，并提出问题具体解决对策，为智能综采工作面作业提供信息支持，实现安全高效开采，为相关行业及工作开展提供参考。关键词：智能综采工作面；煤矿开采；适应性评价；评价指标2023.9 矿业装备/11稳定性难以把控2。第三，采高大，支架稳定性不高，难以实现自动化割煤和跟机拉架，地质构造、煤层起伏度等也会对自动化割煤造成影响。第四，各设备控制系统厂家不同，缺乏统一行业标准，网口协议不统一，各控制系统信息共享难度大，难以实现集中控制和有效调用。第五，井下作业人员素质不一，缺少充足先进设备使用专业实施和技能水平，无法充分发挥系统功能全部价值3。对此，煤矿企业应当加强技术创新与应用，加强作业面直线速度智能引导、超前性保护系统、辅助作业面智能调控等技术创新研究，作业面采高、保护围岩及支护体系之间的智能耦合和自适应控制，及时解决智能综采工作面存在的各种问题，实现工作环境参数自动感知和采矿行为主动监控，进而实现智能化采矿。2 煤矿智能综采工作面智能化开采关键技术研究2.1 液压支架群组与围岩的智能耦合自适应控制液压支架群组是煤矿智能综采中不可或缺的组成装备，支架动作自动化调整是能否实现智能采矿的关键，其与围岩相互作用的状态也会对开采效率产生影响。但是，目前支架动作调整以人工操作为主，存在效率协调性不佳、工作效率低等情况，导致调整效果不佳，必须采取适宜措施提升调整效率和质量。支护系统围岩智能耦合，主要指除被动支撑功能外的，主动感知、自主分析和调整等功能，可根据环境变化自主调整改变支护状态，确保支护系统处于最佳状态4。具体可通过以下几方面提高液压支护群组和围岩的自适应控制：第一，提高系统精确度。井下智能综采工作面中，全方位的支护状态需要具备自动感知、感知测试、自动检测等功能，掌握常用立柱压力检测、关键位置受力大小及工作状态、顶板完整性、超前压力上报及上部岩层破坏情况等，根据数据预测围岩状况，继而全方位、真实反映支架支护完全状态5-6。第二，液压支架群组智能管理。在单个支架支护研究基础上，开展支护群组研究分析，如支护阻力、支护参数、分布特性关系等，依照调查实际情况，建立对应支护群组和围岩，以更好地满足自适应控制需求。第三，创新自主调控支架结构。液压支撑系统的初撑力、工作阻力、平衡力等均要由对应作用点，依照具体参数调整，实现支架自适应控制和结构创新，进一步拓展支架系统可调节范围，以适应不同采高和围岩条件变化。2.2 采煤机智能调高控制采煤机智能调高控制，一般指依照煤层情况自动调整采煤机作业参数，如煤层厚度、倾斜角度等，实现精准切割。在现有采煤机作业中，一般需要先获取煤层信息，依照煤层信息自动绘制切割曲线，以实现后续开采活动中自动切割，但是倘若后续煤层参数变化，原有切割曲线将无法适应实际需求，无法实现采煤自动化7。煤矿企业可以将煤矿识别技术、传感技术等应用其中，实现三维精准测量和数字模型建设，实现信息数据精准测量与预测，进而实现更高效率和质量的智能管控。3 智能综采适应性评价分析3.1 智能综采适应性评价分析方法根据上述问题，煤矿智能综采工作面高效安全开展与地质条件紧密相关，煤矿企业需要在开采前，及时预判工作面开采潜藏问题，了解煤层条件复杂性与智能开采设备自适应、自感知要求之间的关系。利用模糊数学法、权重法等建立下对应专家评价系统，为开采前地理信息系统建设提供静态决策支持。3.2 智能综采适应性评价分析指标为实现智能综采工作面开采条件适应性的自适应决策，需要对工作面地质条件和开采技术条件等进行分析，建立影响因素数据库，建立煤层条件、地质构造特征、煤层顶底板条件和开采技术条件四个一级影响指标，一级煤层厚度、倾角、硬度、稳定性和矿井瓦斯等级、煤层自燃倾向、工作面走向长度、工作面倾斜宽度等二级影响指标8。在此基础上，充分考虑智能工作面开采特征对各指标进行量化分析，建立对应评价等级，具体见表 1。同时，确定各指标权重。不同指标对智能综采工作面产生的效果不一，为确定评价系统结构与功能的统一，必须尽可能排除主观性因素，确定各评价指标的权重。煤矿企业可采用 AHP 层次分析法，结合现场调研情况，精准计算一级和二级指标权重。计算结果显示，煤层硬度权重为 0.039、煤层厚度权重为 0.062、工作面倾斜宽度权重为 0.094、煤层倾角权重为 0.037、煤层稳定性权重为 0.099，矿井瓦斯等级权重为 0.042、12/矿业装备 MINING EQUIPMENT工 艺工作面走向长度权重为 0.038、断层影响程度权重为0.075。综合比对可知，在智能综采工作面效果影响因素分析中，煤层稳定性、工作面倾斜宽度、断层影响程度等权重数值较高，分别为 0.099、0.094、0.075，是决定智能综采工作面开采效果三个主要因素。3.3 智能综采适应性评价模型建立为了使评价结果更加准确直观，煤矿企业可建立模糊综合评价模型对开采条件适应性进行综合评价，基于百分制精准计算各因素综合评价价值，判定其具体等级，例如：(0，60 为差；(60，80 为一般；(80，100 为好，分数越高说明开采条件对智能综采的适应性越好，越能满足煤矿智能开采需求。具体计算如公式（1）：（1）式中：U为智能开采综合评价值；R为指标评价值矩阵；W为指标权重；V为评判集评判等级分数。在确立模型后，企业可将某煤矿具体参数代入其中验证其可行性，判定智能开采工作面实际开采效果，代入发现该煤矿综合评价得分为 86.77，实际开采效果良好，说明该煤层赋存条件、开采技术条件等能满足矿井智能开采需求。4 结束语煤矿智能综采工作面不仅要全面掌握工作面客观环境变化因素，还要掌握各种非技术要求，做好井下监测工作，促进煤矿开采由简单智能化向复杂地质和条件智能化转变。根据某煤矿综采工作面地质调研情况，总结出传输数据大、粉尘干扰、人员技术水平、系统接口协议等问题，提出 5 个一级指标和 20 个二级指标，如煤层条件、顶板条件、底板条件、地质构造、开采技术条件、其他开采条件等，探究影响智能开采效果与设备适应性的主要指标因素。在建立指标体系基础上，采用模糊综合评价法建立工作面开采高效安全的适应性评价模型，进行精准开采适应性智能分析。结合实际应用，准确计算各矿井综合评分，确定适宜进行智能开采的矿井，最大程度减少工作面井底事故，控制工作面过剩产量。现阶段，煤矿智能综采工作面发展以遥感技术、传感技术等自动化技术为核心，随着开采技术逐渐完善，我国煤矿智能开采应用范围将逐渐扩大，应用效果日益提升，逐渐成为煤矿综采工作面主要工作形式，实现效率和质量将大幅提升，从而推动煤矿行业智能化、可持续发展。参考文献1 张金贵.候村煤矿大采高综采设备适应性分析 J.机械管理开发,2016,31(7):38-40.2 李飞飞.石圪台煤矿薄煤层综采面矿压规律及支架适应性研究 J.煤炭技术,2017,36(8):247-249.3 刘立新,刘混举.蒙大煤业深煤层大采高综采适应性评价研究 J.山西煤炭,2018,38(6):17-20.4 侯京平.薄煤层综采工艺分析及其适应性研究 J.机械管理开发,2018,33(3):56-57.5 郑群,杨德传,高明中,等.缓斜厚煤层坚硬顶板安全综采支架适应性研究 J.煤炭技术,2021,40(03):1-4.6 孔祥利,王建行,杨春学.浅埋深大采高综采工作面矿压规律及支架适应性研究 J.内蒙古煤炭经济,2021,(3):46-47.7 王晓汉.新景矿 8128 综采工作面覆岩运动规律及支架适应性分析 J.煤炭与化工,2021,44(12):12-15+18.8 赵榕.大倾角综采工作面液压支架稳定性及适应性评价J.机械管理开发,2022,37(6):96-97.表1 智能开采评价指标量化评价因素评价等级优秀中等差煤层硬度中硬/硬煤特硬煤软煤煤层厚度/m20.820.8煤层倾角/25254545煤层稳定性稳定/较稳定不稳定极不稳定矿井瓦斯等级低瓦斯高瓦斯突出矿井工作面走向长度/m500200500200断层影响程度0.60.611工作面倾斜宽度/m200100200100