焦振国

（晋能控股煤业集团虎龙沟煤业有限公司，山西 怀仁 038300）

随着科学技术的不断发展，矿井智能化程度也逐渐提升，当前在包括综采工作面设计、开采设备生产以及工作面测试调整等诸多方面均引入一定程度的智能化因素，综采工作面整体智能化程度稳步提升。智能化综采工作面顺利实现应当以标准化的设计方案为基础，方案包括采煤机、液压支架、刮板输送机、破碎机、转载机、带式输送机、供液系统、供电系统、视频监控系统、通信系统、瓦斯监控系统、声光预警系统等多个模块的综合设计，最终能够实现综采工作面全自动生产、操作人员远程对综采区进行调控。近年来随着煤矿自动化、智能化技术的发展，少人化甚至是无人化的综采工作面越来越受到各矿井的欢迎，很多矿井都在朝这方面努力，对此，国内很多学者也进行了大量研究，如史翔峰[1]，设计了煤矿综采工作面采煤机自动化智能化拖缆系统并进行了相关模拟试验；
王文海、蒋力帅[2]等，分析了矿井综采工作面自动化智能化开采技术应用现状并进行了相关展望；
赵杰伟[3]设计了煤矿综采工作面智能化管理系统，并分析了其应用；
郝立光、刘召勇[4]也进行了综采工作面智能化管理系统方面的设计与应用研究；
申子强[5]研究了矿井智能化综采工作面自动远程控制系统，但这些研究大多只是对综采工作面自动化智能化开采技术的研究，很少有学者研究如何具体的设计智能化综采工作面，对此，本文主要针对智能化综采工作的设计工作进行研究，提出了智能化综采工作面的设计流程，达到了有效指导综采工作面智能化设计的目的。

智能化综采工作面应当具有以下特点，工作面各设备均能实现全自动作业，操作人员能够通过现场和终端远程对综采面进行操控，远程操作的响应时间不得超过300ms；
采煤机能够实现自动记忆截割，沿预先规划的路径进行截煤；
工作面整体设有报警系统，检测到相关模块的参数异常，第一时间发出警报并将故障信息传递至操作人员终端处；
工作面设有急停按钮，出现故障时能够第一时间停止工作面相关设备运行，最大程度降低经济损失[6]。

综采工作面的方案设计应当遵循《采矿工程设计手册》中的相关标准，同时根据作业现场的实际情况进行调整，包括工作面所处采区的基本情况、周围采区的基本情况、采区的水文地质特征、煤层基本参数以及粉尘瓦斯浓度等[7]。为了确保方案设计适用于综采面实际需求，设计时需要详细了解巷道和工作面的相关技术参数，根据技术参数结合标准化的选型方法，得出最终方案。

（1）工作面的主要技术参数。工作面的技术参数是综采方案设计的关键依据，考虑到技术参数种类较多，选取影响较大的参数进行分析，包括采区走向长度、工作面长度和采高[8]。

采区走向长度和综采面的水文地质复杂程度负相关，地质结构简单区域采区走向适当延长，地质结构复杂区域采区结构适当缩短。

影响工作面长度选区的因素较多，采高较低时考虑到采煤机工作高度有一定要求，适当缩短工作面长度。煤层倾角过大情况下，工作面设备间的距离不宜过长，因此一旦煤层倾角大于25°，工作面长度适当缩短；
反之则可以适当增加工作面长度。除此之外，围岩的硬度和瓦斯含量和工作面长度选取也存在负相关关系。随着综采面控制技术的不断提升、设备质量的逐渐提高，晋能控股集团的综采工作面长度能够达到280m。

为了确保开采效率，通常根据煤层高度进行采高的选取，同时为了兼顾安全生产的相关要求，应当将设备开采能力和矿井应力分布考虑在内。煤层的厚度和相关组成成分通过钻孔采样的方式进行获取[9]。

（2）综采工作面的设备选型。综采设备的选取和综采工作面的生产效率息息相关，也关系到操作人员的作业安全和设备的可靠性。因此需要严格遵守GB50215-2005、AQ 1049-2008、《煤矿安全规程》相关内容，在确保生产安全符合要求的前提下，尽量提升设备的作业效率、作业稳定性以及工作面整体的协调性。

①液压支架的选型。液压支架是综采工作面的主要支护设备之一，因此液压支架的合理选型是保障工作面安全可靠的关键环节，选型侧重考虑煤层围岩属性、工作面长度和采高、粉尘瓦斯含量等因素，选取的液压支架支护强度应当满足工作面的支撑需求，支架结构应当同煤层实际参数和综采工作面管理要求相适应。通过数值模拟软件对相关参数进行分析，确保相关要求满足的情况下得出液压支架的支护强度；
通过工作面长度和采高确定液压支架的支护高度和相邻支架间的间距；
以PLC 为核心实现支架的自动控制；
操作人员可以通过终端操作界面对支架工作顺序进行调整[10]。

②采煤机的选型。采煤机型号的选取对综采工作面的生产效率具有显著影响，而采煤机的截割能力主要取决于采煤机自身的牵引速度、持续工作时长、截割深度和高度等相关参数。因此在采煤机型号选取过程中应当综合考虑综采工作面的生产要求、工作面的采高和长度、采煤机的截割高度和深度等因素。采煤机的智能化程度提升体现在通过远程控制系统进行采煤机工况的切换和参数的调节，同时通过监控系统进行辅助监测，出现异常及时发出警报[11]。

③刮板输送机、转载机、破碎机选型。这三种设备的选取需要和综采工作面生产率要求相适应，确保开采的煤炭能够及时得到后续处理，因此运煤能力应当在采煤能力的1.2～1.3倍范围内。转载机应当设有迈步自移装置，带式输送机通过电液联合控制的方式进行机尾自移控制，为了保证煤炭破碎的尺寸需求，选取轮式破碎机。

④带式输送机选型。带式输送机的主要作用是将开采的煤炭及时从综采工作面输送至地表仓库，因此通常选取永磁电机作为驱动机构，设备设有软启动、输送带保护装置以及监测监控系统，整体自动化程度较高；
带式输送机型号的选取和参数的设置取决于采煤机的生产能力以及工作面采高[12]。

⑤泵站的选型。泵站的主要作用是给综采工作面相关设备供压。因此泵站的选型取决于工作面设备的压力需求，供压范围应当超过工作面的压力需求值与压降值的和。

其中管路摩擦总压降计算公式如下：

式中：Le——管路总当量长度，m；

d——管内径，mm；

ρ——流体介质密度，kg/m3；

I——流体介质流速，m/s；

f——摩擦因数。

根据上式不难发现，压降数值大小和管路总当量长度、流体介质密度、流体介质速度以及摩擦因数呈正比，和管内径呈反比，以此为依据进行选型。

⑥供电系统选型。供电系统的主要作用是提供综采面设备运行所需电能，综合考虑负荷设备的分组、移变的容量、开关的类型和备用系统要求，选取移变的数量；
由于矿井使用的电缆种类数量较多，因此应当根据实际需求和用途依次选取，选取过程应当严格遵守《矿用电缆选用手册》中的相关要求[13]。

⑦辅助生产系统。辅助生产系统主要包括视频监控系统以及通信系统，二者协调作用提升系统整体的自动化、智能化程度。基于各传感器模块搭建视频监控系统进行工作面监测，同时基于工业以太网铺设通信网路。将辅助生产系统的监测信息实时显示在操作者终端处，实现系统的远程操控和参数的及时调整[14]。

⑧安全预警系统。安全预警系统应当包括瓦斯监测系统、设备故障报警系统、矿压监测系统、火灾预警系统以及人员定位系统，主要作用是确保综采工作面的作业安全。各个系统应当设置不同的信号传输专线，将信号实时集成在预警管理系统种，实现综采工作面作业安全的远程监控[15]。

智能化综采工作面设备种类较多，设计因素较为宽泛，因此方案整体设计过程较为复杂，本文主要对设计思路、选型方案以及模块功能进行阐述。新的设备和技术仍在研发过程中，智能化矿山的实现还需要长期的努力。当前智能化综采工作面工业互联仍然处于发展的初期阶段，随着互联网技术的飞速发展，实现人、设备、产品的实时互联成为了当前的发展趋势，全面智能化综采技术也将在未来发生变革。

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