文章来源：《智能矿山》2022年第10期“智能示范矿井”专栏
第一作者：史超，高级工程师，现任晋能控股煤业集团有限公司晋华宫矿矿长
通讯作者：刘亚明，工程师，现任晋能控股煤业集团有限公司晋华宫矿机电部主管
引用格式：史超，刘亚明. 晋华宫矿大采高智能化工作面建设技术研究与实践探索[J].智能矿山，2022，3（10）:34-42.
智能开采是煤矿安全高效生产的重要手段，已成为我国煤炭开采技术的发展方向，更是煤炭工业高质量发展的核心技术支撑。加快推进煤炭无人化开采是国家重大工程项目，国家能源技术革命创新行动计划（2016—2030年）明确提出：到2030年，重点煤矿区要基本实现工作面无人化。晋能控股煤业集团有限公司晋华宫矿（以下简称晋华宫矿）充分把握国家能源革命及全省高质量发展的时代要求，积极推进智能化建设。
晋华宫矿是晋能控股煤业集团历史悠久的大型矿井之一，与举世闻名的云冈石窟隔河相望，地理位置十分优越。1956年建矿，至今已有60多年的开采历史，累计生产煤炭1.7亿t，为集团公司的发展壮大做出了重要贡献。晋华宫矿先后获得“全国煤炭工业双十佳煤矿”“全国煤炭系统文明煤矿”“全国煤炭工业部级高产高效矿井”“煤矿安全质量标准化国标一级矿井”“煤炭工业质量管理先进企业”“矿产资源开发利用先进单位”“特级安全高效矿井”“山西省‘五一’表彰集体二等功”等多项荣誉，并通过了国家ISO9001质量体系认证和职业健康安全管理体系认证，用实际成绩书写了一老矿的辉煌。
晋华宫矿为高瓦斯矿井，矿井开拓方式为主斜井副立井混合开拓式。井田含煤全部为侏罗纪煤层，为优质动力煤。矿井剩余工业储量34 386.2万t，核定生产能力为340万t/a，目前开采7#层、11#层、1-2 #层3个煤层。
多年来，晋华宫矿的矿井信息化、智能化建设工作一直紧跟集团发展脚步不断前行。2019年，晋华宫矿整合了全矿监测监控、人员定位、通信联络、应急广播、图像监视、产量远程监控六大系统，信息化发展步入快车道，信息化基础管理得到进一步夯实完善，建成了覆盖全矿的信息化网络；2020年以来，先后完成了安全监控系统升级改造、工业视频调度大屏改造等重点项目；2020年10月通过了山西省信息化二级标准化矿井验收，成为山西省信息化二级标准化示范矿井。
2020年，晋华宫矿充分把握国家能源革命及山西省高质量发展的时代要求，积极推进智能化建设，步入了智能化发展元年，在新开的12-2 #层307盘区首采8714大采高工作面首次建设了大采高智能化工作面，并首次配套应用S(GZP)D1000/1710Q直角转盘刮板输送机，将8714工作面建设成了大采高智能支架-大采高智能煤机-直角转盘刮板输送机综合应用工作面。晋华宫矿12-2 #层307盘区首采8714大采高小煤柱智能化工作面是2020年山西省50个智能综采工作面建设试点之一。8714大采高工作面智能化设备于2020年9月完成地面联合试运转（图1），2020年12月26日完成井下稳装试运行，2021年9月1日通过山西省能源局智能化现场验收，被评定为B级智能化综采工作面（图2）。
图1 8714大采高工作面智能化设备地面联合调试
图2 晋华宫矿智能化工作面现场生产
2021年，晋华宫矿智能化掘进试点全面实施，建设了首个智能化掘进工作面（12-2 #层307盘区西翼轨道巷），在大力推进煤矿信息化、智能化深度融合的新发展征程上迈出了坚实的步伐。在推进智能化过程中，晋华宫矿同步推进环网升级换代工作，2021年9月进行了环网升级改造，将原有的千兆环网升级为万兆环网，升级后的环网大幅提升了数据传输速率和传输质量，为智能化数据传输提供了更加畅通的信息高速路，有力推动了晋华宫矿智能化建设更好地发展。升级改造后的环网将井下综采工作面、掘进工作面、变电所及主要硐室连接起来，实现了双链路运行；并搭载有人员位置监测系统、工业视频系统、应急广播系统、产量监测系统、水文监测系统、束管监控系统、供电防越级跳闸系统、矿压监测系统等多个信息化子系统，各系统服务器和数据处理器均设置在矿调度室专用数据核心机房内（图3），数据处理和存储实现了集中统一管理。
图3 晋华宫矿地面调度室
8714 大采高智能化工作面基本情况
晋华宫矿12-2#层307盘区是新开拓的成规模化的整装盘区，盘区位于晋华宫井田的北部，盘区整体呈梯形状，盘区东西长度约2.88 km，南北宽度约2.75 km，面积约7.98 km2。盘区可布面储量2 086.3万t，煤厚2.6～5.5 m。12-2 #煤层赋存稳定，结构简单，属原生结构煤，裂隙一般不发育，走向整体呈单斜构造，属侏罗纪中统大同组含煤地层，煤层整体走向北东，倾向南东。12-2 #层与上覆11#层层间距14～25 m，与上覆8#、7-3 #、3#、2#层的层间距分别约为69、85、124、149 m。
8714工作面是该盘区首采工作面，走向长度1 680 m，工作面长度196 m。煤层厚度0.4~7.4 m，平均4.17 m，工作面倾角1°~11°，平均7°。头尾巷落差0~16 m，煤炭储量171万t，工作面直接顶为细砂岩，厚度2.7 m；基本顶为粗砂岩，厚度11.34 m，属于坚硬顶板类型。瓦斯绝对涌出量约3.75 m3/min，自然发火期47 d，正常涌水量0.20m3 /min。8714工作面地质构造中等，有断层、褶皱、煤层变薄区等地质构造。
智能化工作面的主要建设内容是把新一代信息技术充分运用到煤炭生产活动中，充分发掘和利用自动化信息资源，实现生产安全可控以及个性化的实时监测、定位追溯、报警联动、调度指挥、预案管理、远程控制、安全防范、远程维保、决策支持等功能。晋华宫矿8714大采高工作面配备了1套ZZ13000/28/60智能化控制液压支架，并配合应用S(GZP)D1000/1710Q直角转盘刮板输送机及2360智能化采煤机，实现了在巷道监控中心对大采高综采设备的集中智能化遥控控制。8714智能化工作面大采高智能支架-智能煤机-直角转盘刮板输送机布置如图4所示。
图4 8714智能化工作面大采高智能支架-智能煤机-直角转盘刮板输送机布置示意
8714 智能化工作面集中控制系统
8714智能化工作面巷道控制中心由15块操作显示屏和2个操作键盘构成，主要电气设备可实现远程通信、控制，可视化操作，以及采煤机、液压支架、直角转盘刮板机、巷道煤流系统“一键启动”。在巷道控制中心、地面调度中心可以进行远程控制、一键启停。8714智能化工作面井下集中控中心如图5所示。
图5 8714智能化工作面井下集控中心
巷道监控中心可以实现对8714工作面设备（“三机”、泵站）一键启停控制，对工作面综采设备进行工况监测及集中控制，对综采设备的数据集成、处理、故障诊断（包括对采煤机、液压支架、输送机的电气故障诊断）等功能，以及对主要综采设备的实时监控。当综采工作面自动化控制系统出现故障时，各子系统不受工作面控制系统控制，以保证在检修和工作面控制系统出现故障时，各子系统能单独运行，确保生产不受影响，工作面人员、设备可实现精准定位，配置了视频系统，可实现工作面无死角视频监控。
8714 智能化工作面大采高液压支架
8714工作面共选用ZZ13000/28/60型液压支架116架，配套电液控装置、传感器及监控设施，可实现支架自动跟机，能够跟随采煤机在全工作面范围内自动完成支架伸收护帮、移架、推移刮板输送机、喷雾除尘等动作，具备远程控制、自动调直、自动喷雾除尘、支架全姿态监测、支护状态监测与预警等功能。
大采高液压支架配置了电液控制系统以及1套净化水供液设备，可实现高压反冲洗、自动配比补液、高低液位自动控制。液压支架可实现成组程序自动控制，包括成组自动移架、成组自动推移刮板输送机、成组自动伸收护帮板、成组自动喷雾等，并可实现邻架及隔架电控的手动、自动操作。
电液控制系统设有声音报警、急停、本架闭锁及故障自诊断显示功能，能够在线进行参数调整设定。电液控换向阀为整体式结构，流量500 L/min，阀芯采用插装式，材质为优质不锈钢；电磁阀驱动接口采用防水性能可靠的螺纹连接密封形式，具有保护电磁阀驱动线及电磁阀驱动接口的防护罩。电液控换向阀配备先导阀过滤器，过滤精度为25μm。液压支架配备自动喷雾系统，由电液控换向阀独立控制，可实现自动辅助采煤机喷雾；每台液压支架配置1个精确推移刮板输送机装置，用于推移刮板输送机精细控制。
大采高液压支架配备了红外线发射、接收装置，可与工作面采煤机实现联合自动动作。每台液压支架配置2个压力传感器，用于监测前、后立柱压力；配备2个压力传感器，用于检测一级护帮是否收回；配备1个接近传感器，用于监测伸缩梁是否收回；配置1个位移传感器，用于监测推拉油缸行程。
8714 智能化工作面大采高采煤机
8714工作面选用MG900/2360-GWD型交流电牵引采煤机1台（图6），内部配备1套惯导系统，可实时定位采煤机位置，调整自身姿态。MG900/2360-GWD型交流电牵引采煤机综合采煤机先进技术，适应中厚及厚、较硬煤层一次采全高，是一种新型大功率、大采高、智能化交流电牵引采煤机，可实现远程控制功能、运行状态实时显示、状态数据分析和评估、姿态控制功能，智能调速功能、自动调高功能、记忆截割功能。
图6 8714智能化工作面大采高采煤机
MG900/2360-GWD型交流电牵引采煤机适用于煤层厚度3.2～6.1 m，主要性能特点：①整机积木式组合结构，多电机横向布置、多点驱动，各部件间采用高强度螺栓，液压拉伸器拉伸紧固，联接安装方便可靠；②分体直摇臂结构，摇杆部分左、右，可互换；③摇臂壳体采用创力自主研发的优质合金钢铸造，调质处理，强度高；④直立行走箱，左、右通用；⑤导向滑靴采用优质合金耐磨铸钢铸造，强度高、耐磨性好；⑥平板滑靴采用哈道斯优质耐磨钢板焊接制造，耐磨性好；⑦截割部设有弹性扭矩轴机械离合装置，检修安全，操作方便；⑧设备运行状态的检测、监测及工况参数中文显示；⑨机载交流变频调速，齿轮销轨式牵引；⑩具备完善的保护及诊断、记忆功能。8714智能化工作面大采高采煤机试运转如图7所示。
图7 8714智能化工作面大采高采煤机试运转
8714 智能化工作面直角转盘刮板输送机
8714工作面首次选用S(GZP)D1000/1710Q直角转盘刮板输送机（图8），并配有1台HB-SK11/15破碎机（图9），2套BPJV1-1250/3.3变频控制器驱动，可实现刮板输送机的智能变频调速，根据采煤机采煤量调节转速，具备远程控制功能，以及与采煤机进行智能联动功能。应用全新的直角转盘设计理念，促进开采装备升级发展。
图8 直角转盘刮板输送机转盘组件
图9 直角转盘刮板输送机的破碎机部分
直角转盘刮板输送机是一种全新理念设计制造的综合采煤输送机械，将传统意义上的刮板输送机、转载机、破碎机功能有机地结合为一体，组成直角转盘刮板输送机。直角转盘刮板输送机通过转盘，在刮板链的导向作用下将煤炭输送方向实现90°转弯，从而直接实现煤炭通过刮板输送机运送到带式输送机。主要部件特点如下：
（1）直角转盘组件
作为直角转盘刮板输送机的主要部分，安装在工作面和巷道之间的转运区域，转盘组件沿其转角来导引煤流，转盘轴上配有2个重型轴承，转盘处没有驱动机构，工作面和巷道的输送机链条由刮板输送机机头机尾的电机驱动运行。
（2）转盘组
转盘组由1个衬套轴、1对轴承、密封件、2个转盘和固定件组成。2个转盘分为上转盘和下转盘，分别为上链和底链刮板提供转向支撑，使刮板链顺利实现转弯。
（3）可张紧伸缩机尾
可张紧伸缩机尾是刮板输送机的驱动站，用于驱动输送机的下刮板链，减速器可安装在机尾架的左端或右端，机尾架的侧臂上有可伸缩的导轨，这些导轨可将机尾架伸长600 mm，2个液压缸可实现对刮板链的张紧。
（4）可张紧伸缩机头
可张紧伸缩机头是刮板输送机的驱动部分，同时也是转载机的机头，用于驱动输送机的上刮板链和煤，完成运煤任务。减速器可以安装在机头架的左端、右端或同时安装在两端，机头架侧壁上有可伸缩的导轨，这些导轨可将机头架伸长600 mm，2个液压缸可实现对刮板链的张紧。
（5）刮板链组件
为了保证煤由刮板输送机顺利进入转载机，确保转盘的正确和安全操作，采用终端链、刮板链组件，每4环安装1个刮板，刮板间距为700 mm。
（6）双面可翻转溜槽
新型双面溜槽由底挡板、中部槽、底板、电缆槽、齿轨、环扣等组成。采用双面槽的特殊设计制造，允许其双向运输。当溜槽中板上表面磨损严重，出现挂卡时，只需把溜槽底板拆开，上下翻转安装后，即可使用，有效延长了中部槽的使用寿命。新型双面溜槽与上一代双面溜槽相比，结构完全对称，可任意翻转，且翻转部分的质量更小，安装更加便捷。
直角转盘刮板输送机在8714大采高智能化工作面的现场实际应用效果明显，为企业安全、高效发展创造了广阔前景。直角转盘刮板输送机经济效益优势明显，故障率低，提高了设备开机率。由于，工作面端头没有转载部，比传统刮板输送机减少了1名岗位工，有利于智能化工作面减人增效目标的实现。此外，减少了1个驱动电机，直角转盘刮板输送机每年节约电费200万元。同时，工作面刮板输送机布置电缆少，有利于设备维护，减少维护工作量。相比较于普通的刮板输送机，直角转盘刮板输送机及其各部件更加耐磨、耐用，运行过程中对配件的消耗磨损消耗更小，并未发生过断链事故。
工作面减人情况
智能化工作面采用“四六”制作业方式生产，每班有跟班干部1人，头尾两巷的集控中心2人、普工2人，工作面内的机组司机1人、巡检工2人，共计8人，相比较于普通综采工作面每班需配备15人，智能化建设完成后每班可减少7人，有利于矿井减人提效目标的实现。
晋华宫矿8714智能化工作面是集团公司首个侏罗纪煤层大采高智能化综采工作面，工作面采用大采高液压支架电液控制系统，实现了液压支架的全工作面自动跟机及巷道集控。工作面应用了大采高智能化采煤机，采用惯导控制，结合集控中心和液压支架电液控制系统、推拉精细控制系统完成了工作面“三直”的自动调整管理，并实现了采煤机运行状态实时显示、远程控制、记忆截割、载荷联动、自我保护性停机等功能。另外，8714智能化工作面首次配套应用直角转盘刮板输送机，属集团公司首部集工、转、破为一体的可弯曲刮板输送一体机。晋华宫矿8714工作面已建设成为大采高智能支架-大采高智能煤机-直角转盘刮板输送机的综合应用工作面。
大采高智能化装备在集团公司的首次应用，切实提升了矿井智能化水平。晋华宫矿在智能化工作面建设过程中，充分开展了大采高智能化配套装备的现场应用研究、优化开采工艺，培养智能化开采人才队伍，为大采高智能化工作面的建设打下坚实的人才基础、装备基础，实现了对侏罗纪煤田的精采、细采、智能化开采。目前，煤炭领域现代化建设如火如荼，煤机装备发展日新月异，“矿山上云”“5G下井”“智能开采”“绿色开采”全面推进现代化矿井的建设。晋华宫矿将坚定不移地推动大采高智能化工作面建设，不断创新观念、量体裁衣、借力发展，为智能化工作面建设、智慧矿井建设不懈努力，不断开创新时代矿山创新、振兴发展的新局面。
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