宫利峰

（山西宁武德盛煤业有限公司，山西 宁武 036700）

煤矿井下地质条件较为复杂，煤炭的综采成本较高，因此煤炭生产企业在不断提升煤矿井下自动化综采率的同时，不断的优化综采工艺，提升煤矿井下综采作业的经济性。目前煤炭开采过程中主要采用走向长壁布置以及倾斜长壁布置的结构，实现增加综采面综采长度、提高边角煤的回采率，但在“刀把”状的综采面处受地形条件限制，导致煤炭综采效率和回采率低下、综采作业时的安全性差，给井下综采作业带来了严重的影响。

本文针对“刀把”状的特殊综采面，提出了一种新型的煤矿井下旋转开采工艺，对旋转开采时的设备布置方案等进行了分析，通过在井下设置可视化监控系统和液压支架智能监控系统，实现了对井下综采面旋采过程的动态监测、对液压支架支护状态的灵活调整，确保了井下支护的安全性。根据实际应用表明采用新的旋采工艺后，能够将井下“刀把”状综采面的综采效率提升了41.7%，将煤炭回采率提升了29.4%，对提升特殊综采面上的综采效率和安全性具有十分重要的意义。

1 现有综采方案不足

以煤矿井下典型地质条件为例，煤层的综采面延伸长度约为570 m，综采面倾斜段的平均长度约为134 m煤层的平均倾角约为16.1°，综采面上煤层的平均厚度约为5.7 m，在综采时采用了放顶煤综采方案。由于井下综采面处在较复杂的地质条件下，巷道呈不规则的“刀把”状，因此在该区域内采煤机无法井下正常的综采作业，需要人工进行辅助进行巷道支护和支架移动。

在综采时，首先进行220 m的开切眼，然后推采110 m以后后再缩短到上侧约110 m，最后连续进行综采，直到将“刀把”区域综采完成，虽然该方案能够一次进行220 m的长距离综采，但是对综采面设备需求大、设备占地多，中间进行设备的调换时对综采效率影响极大。而且该地形条件下的开切眼只能设置到综采面的背斜轴位置，导致中间区域的顶板管理困难，经常出现支架的倾倒和咬架，给井下综采安全带来了极大的隐患，该综采方案如图1所示[1]。

图1 井下“刀把”综采面综采方案

2 旋转开采工艺

根据“刀把”状综采面的实际地形结构，本文提出了一种新的旋转综采工艺[2]。由于刮板输送机在井下工作时的最大允许弯曲角度为3°，因此结合采煤机（MG 250/600—WD）综采时的最大截割深度，假设最大弯曲段长度为21 m，由于在综采时的一次综采长度为110 m，因此理论上可分为6段调斜，其调斜的比例约为1:6，但结合井下的实际情况，调斜比例越高，在综采时的可调节性越差，因此在对多种调斜比例分析后，最终选择1∶4的调斜比例。

以井下回风巷内侧约10 m处设置一个旋转拐点，当综采面刮板输送机的尾部逐渐移动到该位置时，综采面开始按1∶4的调斜比例进行旋采，直到在回风巷的第二个旋转拐点处结束，井下旋采工艺如图2所示。

图2 井下旋采工艺流程（m）

3 旋采面可视化监控

由于旋采面的地质结构相对复杂而且空间较为狭小，传统上完全依靠人工对旋采过程进行监测的方案不仅效率低而且危险性较大，因此在旋采面引入了可视化监控系统，利用高清防爆摄像机来实现对井下综采过程的连续性监控，同时为了满足在低可视条件下的监测需求，在可视化监控系统中配备了红外线补光设备，实现对综采面作业状态的全面监控，该旋采面可视化监控系统结构如图3所示[3]。

图3 旋采面可视化监控结构示意图

由图3可知，该系统主要是根据井下综采面的布置结构，在核心位置设置云台摄像机，对旋采过程进行监控。摄像机将监测信号通过工业以太网络传输给交换机，在交换机内进行数据分析和转换，最终传输给以太网交换机，经过数据解析后显示在视频显示系统上，便于监控人员实时对井下综采状态进行监控。

由于煤矿井下开切眼只能设置到综采面的背斜轴位置，导致中间区域的顶板管理困难，经常出现支架的倾倒和咬架，针对这种情况，提出了一种新的井下支架姿态监测系统[4]，在井下支架上设置了各类传感器设备，对支架在支护过程中的状态进行全面监测，当支架倾斜超过设定的标准后，系统自动发出报警，将偏移信号传递给支架控制器，支架控制器通过对偏移量的分析，确定修正量，并将修正控制信号传递给液压控制系统实现对支架支护状态的灵活调整，满足在旋采过程中的支护稳定性需求，从而有效解决了传统旋采过程中支架易倾倒和咬架的异常。

根据在井下的实际应用，采用新的可视化监控系统及支架姿态监测系统后，能够将旋采面上的监控人员数量由17人减少至7人，降低了41.2%，支架在支护过程中的支护异常率由最初的23.7%降低到了目前的0.74%，降低了96.9%，有效的提升了煤矿井下旋采面的支护安全性和稳定性。同时通过综采工艺的优化、降低井下异常率等措施，将井下“刀把”状综采面的综采效率提升了41.7%，将煤炭回采率提升了29.4%，对提升煤矿井下的综采安全性和经济性具有十分重要的意义。

4 结论

针对煤矿井下“刀把”状综采面综采效率低、煤炭回采率低、安全性差的不足，提出了一种新的煤矿井下旋转开采工艺，结合井下可视化监测和支架自动调整系统，实现了对“刀把”状作业面的可靠综采，根据实际应用表明：

1）按1∶4的调斜比例进行井下综采面旋转开采，能够在确保综采效率的情况下，有效提升井下的旋采作业安全性。

2）井下可视化监控系统，能够实现对井下综采面旋采过程的可靠监控，将监控人员数量降低41.2%。

3）液压支架监控系统，能够实现对支架支护状态的有效监测和调整，将支架在支护过程中的异常率降低96.9%。

4）通过综采工艺优化、降低井下异常率等措施，能够将井下“刀把”状综采面的综采效率提升41.7%，将煤炭回采率提升29.4%。