近年来，我国薄煤层智能化开采技术及装备发展迅速，相关技术理论和应用取得了系列成果。但薄煤层智能化开采也面临着诸多问题，现有薄煤层智能化装备远程控制仅适用于地质条件简单的矿井，装备智能化对复杂矿井适用性较差。薄煤层智能化综采成套装备设备兼容及整体协调性较差；受工作面狭小空间限制，设备操作人员活动区域有限，导致综采设备选型困难。

目前，根据薄煤层开采环境需要，开发出系列大功率薄煤层采煤机型，可靠性、先进性和自动化水平都有显著提升。平顶山天安煤业股份有限公司二矿（简称平煤二矿） 引入成套薄煤层智能化综采设备，降低开采劳动强度，提高煤炭采出率，智能化建设响应河南省智慧矿山建设的要求，也有效提升了企业经济效益。

平煤二矿薄煤层工程概况

平煤二矿现主采己15、己17和庚20煤层，己组煤层资源为薄煤层，平均厚度1.24 m，其中1 ~1.3 m己组资源储量1 056 万t，占矿井己组可采储量约40%。己17-23010 薄煤层智能化综采工作面，设计走向1 325 m，可采走向806 m，采长175 m。煤层倾角平均6.5°，煤厚0.8～1.4 m（平均1.1 m），可采储量26.9 万t。己17-23010 煤层坚硬系数为0.8～1.0，最大瓦斯含量达3.07 m3/t，绝对瓦斯涌出量为0.5～1.5 m3/min，自燃倾向性为II 类，工业储量为20.07万t，其中可采储量为19.46 万t，服务年限为4 个月。顶板直接顶为泥岩，基本顶为砂质泥岩，抗拉、抗剪强度分别为2.31 MPa和3.5 MPa。

智能化开采成套装备

随开采周期延长，平煤二矿上部中厚己组优质煤炭已开采结束，常规综采设备难以有效开采己组剩余薄煤层，导致大多数薄煤层被迫丢弃。为缓解矿井后期发展压力，需开采己组薄煤层。传统薄煤层开采主要以MG2×100/456 型采煤机、SGZ-764/500 型刮板输送机、ZY4000-10/20 型液压支架为主，平煤二矿若沿用传统配套装备开采己组薄煤层，在回采过程中存在以下4个问题。

（1） 受振动影响，较轻采煤机连接丝杠易断裂，截割电机因功率较小易出现烧电机事故。

（2） 薄煤层生产期间破底矸时，行星头和浮动环等部位易出现损坏、漏油问题，故障率较高。

（3） 刮板输送机无铲煤板，因设备较轻，易导致推移刮板输送机过程中出现输送机上飘现象，采高难控制。

（4） 支架最低控制采高为1.7 m，回采期间破矸量大，易影响煤质，同时需要人工操作抬架，因作业空间狭小，易出现劳动强度过大和行动不便等现象。

针对平煤二矿薄煤层赋存条件及其开采过程中存在的诸多问题，平煤二矿联合郑州煤矿机械集团股份有限公司开展了薄煤层工作面智能化开采的装备研制及技术实施。平煤二矿智能化建设团队提出“三减一长一配套”的设计理念，成功研制出适合平煤二矿薄煤层的“三机”配套装备。

（1）“三减”：采用超薄顶梁、降低顶梁厚度；薄煤层专用超薄推杆，降低架脚厚度；采用控制器代替支架片阀，减少空间利用。

（2）“一长”：生产中加长横向人行空间约600 mm，采高由原来1.7 m降到1.4 m，平均减少破矸0.3 m。

研制薄煤层的“三机”配套装备主要由MG2*200/930-WD 型采煤机、SGZ-800/800 型刮板输送机和SZZ-800/315 型转载机4 部分组成，各部分装置具有4 项技术优势。

（1） 采煤机整机重38 t，可减少机身震动，机身高度883 mm，截割高度1.25～2.2 m，较好地适应薄煤层开采，较大功率可增大破岩能力，消除了工作面过地质构造带期间放炮的完全风险。

（2） 液压支架采用薄箱型顶梁、缸壁打孔专用立柱、卧式抬底。超薄加长推杆，实现采高降低、横向空间加大的双重效果。

（3） 刮板输送机在保证中底板厚度及铸造槽帮强度基础之上，采用高强度扁平链来降低中部槽高度，降低高度65 mm。

（4） 转载机机身最大高度不超过1.8 m，对平煤二矿现场条件适应性较强。

开采成套装备控制系统关键技术

薄煤层智能化综采成套装备控制系统主要由液压支架电液控制系统、刮板输送机，转载机和破碎机控制系统、采煤机电控系统、工作面视频系统、乳化泵集中控制系统、工作面集中控制中心系统、地面分控中心系统等组成。薄煤层智能化综采成套装备控制系统如图1所示。

图1　薄煤层智能化综采成套装备控制系统

液压支架电液控制系统

电液控制系统由液压支架电液控制器、液压主阀、行程传感器，压力传感器、倾角传感器、无线遥控器、井下主机、高速数据交换机等设备组成，单架配置如图2 所示。

图2　液压支架电液控制系统单架配置

液压支架具备单键单动作、成组动作、远程控制、无线遥控、自动补压、急停闭锁、自动跟机、故障自诊断、支架姿态自动调整、三角煤区域斜切进刀自动化功能，支架配备自动喷雾系统，由电液阀独立控制，实现自动喷雾。

电控系统为非主-从机型，当工作面控制系统与巷道集控主机断开后，仍能完成各种操作功能和操作模式设置。实现对支架的立柱的工作压力、推移千斤顶的行程、煤机的位置、方向进行监测，在井下电液控制主机上可显示和存储上述信息，并将数据传输至地面调度中心并显示，工作面压力分布如图3 所示，支架压力柱状图如图4 所示。

图3　平煤二矿己17-23010 工作面压力分布

图4　支架压力柱状图

刮板输送机、转载机和破碎机控制系统

刮板输送机、转载机和破碎机控制系统由控制器，本安电源，铠装电缆，本安组合扩音电话，本安闭锁开关和智能终端组成，实现自动控制、点动控制、一键启停控制和转载机自移功能，实时监测“三机”运行状态、电机和减速器的运行参数（油温、油位、轴承温度、冷却水温度、流量）及工作面输送机闭锁、语音通信的功能。工况监测界面如图5所示。

图5　工况监测界面

采煤机电控系统

采煤机控制系统由采煤机自带控制系统，具备远程控制采煤机截割电机和牵引电机的启停功能，具备自动调节割煤高度、速度、记忆截割功能，工作面采煤机轨迹如图6 所示。具备显示牵引电机、截割及泵电机实时电流、电机绕组温度，调高泵低压侧油压，摇臂高度，机身仰俯角，机身倾角，行进速度，行进方向，采煤机位置，故障信息，通信状态等数据，并能将数据传输给集控中心，采煤机工况监测界面如图7所示。

图6　工作面采煤机轨迹

图7　采煤机工况监测界面

工作面视频系统

工作面视频系统由直流稳压电源，由云台摄像机、交换机、云台摄像仪跟随软件、地面视频存储管理服务器、地面视频调度软件组成。地面调度中心和工作面集控中心可以实时显示工作面的视频画面，工作面视频跟机界面如图8所示。

图8　工作面视频跟机界面

工作面视频系统作为综采智能化系统的辅助系统，提供对工作面割煤，综采设备运行状况和人员状况，巷道设备和人员状况的视频辅助监测功能。具备工作面视频跟机切换、自旋转功能，可跟随煤机自动旋转合适角度。

乳化泵集中控制系统

乳化泵集中控制系统由泵站自带控制器、变频器、传感器、巷道上位机组成，实现泵的远程工频、变频启动。泵站水箱自动上水，乳化液自动配比，并能实时监测乳化液的浓度，乳化油的油位和乳化液的液位及乳化液泵的压力、温度等信息，集中供液系统乳化液泵站控制系统如图9所示。

图9　集中供液系统乳化液泵站控制系统

工作面集中控制中心系统

工作面集中控制中心主要由控制室，操作台，自动化上位机，高速交换机等组成，具备采煤机状态监测，远程控制，采煤机、刮板输送机、转载机、破碎机、液压支架联动控制的功能，工作面集中控制中心如图10所示。

图10　工作面集中控制中心

具备液压支架状态检测、远程控制功能，以及液压支架联动、自适应控制和工作面直线度控制功能；刮板输送机、转载机、破碎机状态监测、联动、远程控制等功能；依据主煤流系统运行状态，协调控制刮板输送机、转载机、破碎机、采煤机运行的功能；以视频摄像头监控全工作面设备运行状态、煤壁状态、人员状态的功能；监测乳化液浓度、综采面回液管路压力功能，并在智能化系统界面显示。

地面分控中心

地面分控中心由自动化主机，视频主机，视频存储器，语音话机，语音服务器组成。地面分控中心控制如图11 所示。具备综采设备数据集成功能，在地面调度中心显示综采设备运行状态、设备功能。通过视频系统监控工作面，以及集控仓内设备和人员状况；集成、处理、存储和管理综采设备数据，分析综采设备运行状态数据。

图11　地面分控中心控制室场景

智能化采煤工作面取得成效

应用效果

平煤二矿研发的薄煤层智能化“三机”整体配套装备，成为全国首个单一厂家生产的薄煤层智能化装备回采工作面，实现了薄煤层安全高效生产，建成了薄煤层智能化开采工程示范，取得显著成效，具体表现为6个方面。

（1） 强化内部管理，推动管理升级

实现职工自主操作、自主检修。工作面建设以来，始终把安全高效生产和创建达标示范工作面作为提升管理水平的重要抓手，先后完善培训、运输、安装、调试、生产等管理制度20 余项，实现了亮面即达产，有效促进了管理水平、业务技能、职工素质和安全水平等各方面的全面提升。

（2） 实现智能化监控，降低机电设备故障率

井下集控中心和地面调度指挥中心实现对主要设备的电流、温度、油位、立柱压力、采高、采煤机位置、方向、速度等关键数据实时在线监控。通过数据监控，系统及时对异常信息进行提示，实现超前检修，达到了生产期间无机电事故。

（3） 实现经济效益的倍增效应

薄煤层智能化工作面投产以来，平均单日产量为3 000 t，最高突破5 000 t 的日产纪录，平均每天推进12 刀，单日最高达到16 刀、单月回采267 m，具备薄煤层综采工作面月产8～10 万t 水平，较前期同等条件产量翻番，创集团公司同等条件产量最高纪录。

（4） 拓宽企业发展的空间界限

平煤二矿薄煤层智能化工作面投产见效，促进了薄煤层资源由不可采、难以开采向可采、高效开采转变，释放了大量薄煤层资源，直接增加储量1 056 万t，提高矿井资源回收率。

（5） 推动生产方式的清洁低碳

薄煤层智能化设备投运后，采高普遍控制在1.3~1.4 m，直接减少破矸量400 mm，降低原煤及商品煤灰分6.00%～7.00%。有效降低采面矸石外排，探索出矿区资源开发与环境保护协调发展的路径。

（6） 促进生产组织的智能替人

全队实现60 人作业，提高了安全保障程度，减少了职工健康危害，降低了工人劳动强度，提升职工的获得感和幸福感。

实际应用的不足及改进措施

（1） 河南省关于智能工作面建设相关标准中明确规定，智能工作面需具备根据瓦斯浓度变化实现割煤速度自动调节和停机闭锁功能，但在实际生产过程中该项功能缺失，后期需增添GJG100J 型瓦斯浓度传感器满足规定要求。

（2） 当工作面通过构造带或无煤带时，破碎矸石通常体积较大，严重影响截齿使用寿命。基于采煤机截割电动机无法调整截割速度，当遇到较大矸石时无法及时做出动作响应，极易造成采煤机发生故障。为改善此情况，可通过采集采煤机截割电动机的电流信号作为反馈信号，及时调整采煤机速度。

（3） 当采煤工作面顶板岩层较为破碎时，机头、机尾顶梁前端经常出现漏矸等严重现象，影响回采效率。可对机头、机尾支架前梁进行改造，建议增加机头、机尾支架前梁长度630 mm，缩小端面距。

（4） 通常情况刮板输送机与转载机之间只需保持较好的相对位置关系，就能够适应工作面倾角的变化情况，但需在刮板输送机机头悬空位置区域使用垫架支撑。考虑巷道与采面机头底板的空间距离要求，为适应巷道底板起伏不平的实际，垫架可设计成多层可拆卸结果。

总 结

（1） 平煤二矿建设了薄煤层智能化开采系统的工作面，实现了多数据传输监测、自动跟机移架、采煤机记忆截割、全采面一键启停、视频定位追机、实时语音视频通信等功能，满足多系统数据统一传输，工作面生产系统内设备、环境和人的互联互通、协同控制。

（2）平煤二矿薄煤层智能化开采技术在己17-23010 工作面成功应用，实现了薄煤层资源由不可采、难开采向高效开采的重大转变，增加储量1 056 t，延长矿井服务年限3～5 年，为集团公司其他薄煤层有效开采提供可借鉴的宝贵经验。

（3） 平煤二矿薄煤层智能化开采水平达到国内领先水平，具有广泛的应用前景。截至目前薄煤层智能化成套设备在平煤四矿、山西平遥峰岩煤焦集团二亩沟煤业有限公司、山西蒲县宏源集团富家凹煤业有限公司、富源县东南矿业有限公司等地区得到了推广应用，在同等条件下具有示范引领效应。

策划：李金松 编辑：黄小雨