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澳大利亚莫拉本煤矿长壁智能化工作面现状及思考
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Wang Yiran, Wang Bing, Chen Longgao. The current state and reflection on intelligent longwall face of Moolarben Coal Mine in Australia[J]. China Coal, 2020,46 (5): 113-118.
The current state and reflection on intelligent longwall face of Moolarben Coal Mine in Australia
自2007年电液控制系统实现国产化以来，我国在煤矿智能化综采技术研发与应用上取得了长足进步，国家科技强安专项行动将煤矿智能化开采技术列为重点研究方向[1]。智能化开采是煤炭综采技术发展的新阶段，国家“十三五”规划在能源关键技术装备中明确提出要加快推进煤炭无人开采技术的研发应用[2]。因此，自动化、智能化和无人化是未来煤炭开采的方向和趋势，也是实现矿井安全高效生产的有效途径。莫拉本井工矿是澳大利亚自动化程度最高、自动化常态运行最好的矿井。因此，研究莫拉本井工矿长壁自动化技术及生产运营情况，对我国煤矿智能化建设有一定的参考价值。
1 莫拉本煤矿简介
莫拉本煤矿综合体位于澳大利亚新南威尔士州马吉镇北部约40 km处，主要由露天矿、井工矿和选煤厂组成。露天矿目前开采2个矿坑，获批的原煤生产能力为1600万t/a，配套选煤厂洗选能力为1350万t/a。井工矿于2016年4月开工建设，2017年10月底第1个长壁工作面开始回采，获批的原煤生产能力为800万t/a。2019年莫拉本综合体原煤产量2050万t，其中露天矿原煤产量1410万t，井工矿原煤产量640万t。
莫拉本井工矿主采尤兰煤层，煤层埋深50～250 m，煤层厚度约为13 m，平均倾角2°，煤层结构简单。基于目前的开采技术，为满足环保要求并获取优质低灰动力煤，井工矿长壁工作面仅开采尤兰煤层中煤质最优的两个分层，采高3.2～3.4 m，工作面宽300 m，采出的原煤可不经过洗选，直接作为商品煤外运。
2 长壁自动化工作面设备
莫拉本井工矿选用了卡特彼勒成套设备，设计采煤能力为3500 t/h，包括采煤机、液压支架、刮板输送机、转载机、带式输送机及配套电液控系统，运输巷道装备了单轨吊系统。
2.1 采煤机
采用卡特彼勒EL3000型采煤机，采煤机长度为17.6 m，滚筒直径为2.2 m，滚筒截深1 m。工作电压3300 V，装机功率为1875 kW。
2.2 液压支架
采用卡特彼勒两柱式2100/3800-1329T型液压支架，支撑范围2.8～3.5 m。支架宽度为2 m，支架初撑力为1010 t，工作阻力为1294 t。液压支架共148组，中间架140组，机头、机尾各4组。
2.3 刮板输送机
采用卡特彼勒PF6/1242型中双链刮板输送机，速度为1.6 m/s，运输能力为3500 t/h。机尾安装链条涨紧装置，行程为1 m。刮板输送机双电机可以根据煤流情况自动调节功率。
2.4 转载机
采用卡特彼勒F6-1542型转载机，主要由过渡槽、中间槽、破碎机、除尘机及电机等组成，总长度为32 m。链条为42 mm×140 mm，链条直径42 mm。运行速度为2.26 m/s，转载机电机功率500 kW，运输能力为4000 t/h。
2.5 带式输送机
带式输送机架宽2 m，纵梁长3 m，宽1.6 m，长壁工作面带式输送机电机功率为2×540 kW。
2.6 单轨吊系统
工作面运输巷装备了单轨吊系统，主要由驱动单元、过滤装置、折叠区、泵站及转载机附属操作装置等组成，其中折叠区最短可压缩至118 m，最长可拉伸至424 m。长壁工作面的清水泵、乳化泵、组合开关及电缆、高压胶管均安装在单轨吊上。
2.7 供液设备
泵站区由2台清水泵、5台乳化泵和2个乳化泵箱组成。清水泵供应采煤机、支架、转载点降尘喷雾及各电机冷却水。4台乳化泵供应液压支架柱腿、提架、推溜及护帮等千斤顶。若液压支架柱腿压力达不到初撑力，另1台乳化泵通过专用管路自动补压。乳化液由地面乳化液配比站自动配比完成，通过地面垂直钻孔和管路送至长壁工作面单轨吊乳化液泵箱。各乳化泵、清水泵的工作电流、电压等运行情况都可以实时监测并显示。
3 长壁自动化工作面运行
莫拉本井工矿选用的卡特彼勒成套设备，应用了拉斯卡(LASC)自动化工作面技术[3]，拉斯卡技术目前已成功应用于澳大利亚20座井工煤矿，占澳大利亚全部井工煤矿的2/3。拉斯卡技术之所以能得到广泛应用，是因为它解决了采煤行业长期以来的3个主要问题[4]：采煤机的三维定位问题；工作面设备自动拉直问题；采高自动控制问题。这些功能的实现提高了采煤工作面的自动化水平，减少了井下作业人数，减少了操作工在危险工作环境中的暴露时间，保证了安全高效生产。
3.1 采煤机三维定位
采煤机内部装有惯性测量单元、位置编码器及各种角度传感器。采煤机在刮板输送机上行走过程中，可以通过惯性测量单元、位置编码器及各类角度传感器等每隔0.1 min记录一次采煤机的三维信息，然后将这些信息传输给主机，通过专业软件对其进行可视化处理。
3.2 工作面设备拉直
利用位置编码器和惯性测量单元获取数据，并经后台软件处理，可以生成刮板输送机的外围轮廓线。当工作面刮板输送机轮廓线不成一条直线时，可以适当调整主巷端头、尾巷端头进尺，生成一条目标线，系统根据每个支架与目标线的位置调整移架距离(推移千斤顶内装有行程传感器)实现拉直效果。工作面设备拉直原理如图1所示，采煤机正常截深为1 m，设计主巷端头进尺0.6 m，尾巷端头进尺0.7 m，工作面支架根据与刮板输送机目标线的距离移架、推溜，最终实现设备自动拉直。
图1 工作面设备拉直原理示意图
3.3 采高控制
为确保煤质和回收率，自动化程序需要设定好采煤机左、右滚筒的截割模式，采煤机滚筒的截割模式主要有人工模式、闲置模式、现时开采模式、前序开采模式、随溜槽角度开采模式、复写模式及复写记录模式等。
(1)人工模式。即采煤机司机人工操作控制采煤机滚筒高度进行割煤。
(2)闲置模式。通常应用于采煤机返机清煤的情况下。一般采煤机闲置模式时滚筒高度定位至距离底板100mm处。
(3)现时开采模式。在本刀割煤循环中，当后滚筒行至前滚筒位置时，参考该点前滚筒高度定位后滚筒高度以达到设定采高。
(4)前序开采模式。当采煤机转换方向后，参考转向前同一位置前滚筒的高度来定位本刀后滚筒高度以达到设定高度。
(5)随溜槽角度开采模式。主要指采煤机后滚筒割底板时，为保持溜槽的飘刹刀角度不变，设置后滚筒高度，使之正好割至溜槽底部。因此，液压支架移架、推溜后，溜槽仍能保持原角度不变。一般在工作面端头及端头机窝区段应用。
(6)复写模式。在人工干预过程中，由于煤层赋存的不稳定性，当煤层厚度发生变化时，采煤机司机需要人工调整前滚筒截割高度以适应煤层变化。当割下一刀煤时，前滚筒就可以根据调整后的高度进行截割。复写模式不会影响后滚筒的记忆割煤。
(7)复写记录模式。同样是一种人工干预截割模式，与复写模式不同的是复写记录模式会影响后
滚筒的记忆割煤，即后滚筒的高度随前滚筒干预后的高度变化而变化(同升同降)。
在开采循环中根据采煤机行走路线设置好不同区段的前、后滚筒的自动化截割模式(模式1～5)，之后采煤机根据设定好的模式进行记忆割煤。当煤层厚度发生变化时，采煤机司机可以使用复写模式和复写记录模式进行人工干预。这样就形成了“全自动化开采为主，人工干预为辅”的开采模式。
为避免人工调整前滚筒高度造成后滚筒较大的飘刹刀情况，莫拉本井工矿的自动化程序使用了bumpless辅助软件。即在复写记录模式下，若前滚筒抬高200 mm，后滚筒不会一刀就抬高200 mm，而是以65 mm/刀(可自行设定的数值)的变化量逐刀提高后滚筒高度，如图2所示，这样可以保证自动化割煤时工作面底板比较平滑。
图2 bumpless辅助软件示意图
实践证明，自动化截割配合bumpless辅助软件控制采高比人工截割效果更好，bumpless辅助自动化割煤与人工截割效果对比如图3所示。
3.4 刮板输送机上窜下滑控制
莫拉本长壁工作面刮板输送机与转载机采取固定搭接形式，转载机机身安装测量尺，测量尺安装在距离巷中偏右190 mm处，当刮板输送机发生上窜下滑时，可以从测量尺上读取数据，采取多割机头(尾)的方式调整控制，也可通过软件辅助调整。
3.5 长壁自动化报表
拉斯卡自动化工作面的操作软件支持自定义生成各类生产报表，莫拉本井工矿自动化系统会在当班结束时向管理人员自动发送生产报告，报告显示当班进尺、操作时间、采煤循环、采煤机三维状态信息等，如图4所示。
图3 bumpless软件辅助与人工截割效果对比
图4 班组生产报告
3.6 设备过载保护设置
莫拉本双向自动化割煤循环程序设置了很多限制条件，避免设备超负荷运转，确保设备可靠性。例如，刮板输送机的运输能力为3500 t/h，因此采煤机的牵引速度不能超过13.5 m/min；采煤机截割电机的截割功率不能超过额定功率的95%，超过了就要自动降低采煤机牵引速度或停机。
4 长壁工作面管理及生产组织安排
4.1 生产组织架构
莫拉本井工矿由1名运营经理负责整个井工矿的安全、生产及运营。技术经理、机电经理、生产经理、安全经理及财务负责人均向其汇报。机电经理直接管理长壁工作面团队。长壁工作面团队主管整体负责长壁工作面设备的生产与检修等工作，计划员负责各类设备采购、制定检维修工作计划等工作，机械工程师、电气工程师分别负责长壁工作面机械和电气检维修工作。长壁工作面管理及组织结构如图5所示。
图5 长壁工作面组织架构
4.2 长壁工作面生产组织、人员配置情况
长壁工作面每天安排2个班(白班和夜班)，每班工作12 h。每周4个班组循环，见表1。每周12个生产班，2个检修班，生产、检修安排见表2。正常生产班组共6人，用工配置见表3。
表1 井工矿长壁工作面生产班组安排
班组星期一白夜星期二白夜星期三白夜星期四白夜星期五白夜星期六白夜星期日白夜A√×√×√×√×××××××B×√×√×√×√××××××D××××××××√×√×√×E×××××××××√×√×√
注：√-生产，×-休息
表2 井工矿长壁工作面生产检修安排
班组星期一星期二星期三星期四星期五星期六星期日白生产生产检修生产生产检修生产夜生产生产生产生产生产生产生产
表3 井工矿长壁工作面生产班组人员配置
工种班长采煤机司机液压支架工主巷操作工机械工电工其他数量1111110-2备注零星工程施工
4.3 长壁工作面生产效率
井工矿长壁工作面于2017年10月开始回采，截至2019年12月，产量情况及劳动生产效率见表4。
表4 井工矿产量情况
年度用工总计产量/万t生产效率/(万t·人-1·年-1)2017年172950.852018年2385082.32019年2536402.52020年(预测)2537102.8
注：2020年预计1次工作面搬家
5 启发与思考
(1)“全自动化为主，人工干预为辅”是逐渐成熟的智能化开采模式。澳大利亚井工煤矿长壁自动化工作面预计未来5年仍将继续采用“全自动化为主，人工干预为辅”的安全高效开采模式，并将致力于提高设备及系统可靠性、截割效率和割煤循环的自动化率。“全自动化为主，人工干预为辅”实现了减人提效，减少了操作工在危险、粉尘及潮湿的工作环境中的暴露时间。
(2)成套开采设备的匹配性、可靠性及兼容性更具优势。国内煤矿综采工作面的智能化装备如采煤机、液压支架、刮板运输机等经常来自不同厂家，与此相比，由于莫拉本井工矿采用卡特彼勒成套设备，其设备匹配性、可靠性及兼容性更具优势，尤其在标准、接口、协议以及各类自动化监测软件方面，成套设备更易于整合各软件系统实现全自动化，更易于在正常生产中收集各类信息，方便故障诊断，不断优化提升。
(3)各采煤工艺的自动化循环和采煤机状态表是全自动化程序的基础。要实现采煤循环的全自动化，需要研究采煤工艺和各工艺环节内部的循环。不同的采煤工艺包含不同的开采步骤，不同的开采步骤包含不同的开采区段。利用位置编码器能够准确定位采煤机的位置信息，进而设定不同区段的采煤机方向、牵引速度、滚筒截割模式等，优化这些参数才能更好地制定采煤机状态表，然后通过电液控系统与液压支架交互，实现液压支架跟机移架、推溜、收护帮等自动化动作，才能实现整个采煤循环的全自动化。
[1] 王国法，范京道，徐亚军等.煤炭智能化开采关键技术创新进展与展望[J].工矿自动化，2018，44(2):5-12.
[2] 王国法，张德生.煤炭智能化综采技术创新实践与发展展望[J].中国矿业大学学报，2018，47(3):459-467.
[3] Jonathon C. Ralston, Chad O. Hargrave, Mark T. Dun. Longwall automation: trend, challenges and opportunities[J]. International Journal of Mining Science and Technology, 2017(27), 733-739.
[4] Jinhua Wang, Zenghua Huang. The Recent Technological Development of Intelligent Mining in China[J]. Engineering, 2017(3), 439-444.
