智慧矿业：薄煤层采煤机自动化截割技术

薄煤层采煤机自动化截割技术
自动化截割技术为滚筒采煤机按照预定的截割轨迹进行自动割煤完成截割任务的自动化技术，是自动化综采工艺的核心技术。

随着薄煤层自动化开采的广泛应用，自动化截割技术也取得了长足的发展，衍生出两类自动化截割技术：记忆切割技术与预设截割轨迹技术。

记忆切割技术适用于地质条件相对简单的薄煤层综采工作面；预设截割轨迹技术适用于地质条件相对复杂，构造发育、煤厚变化相对较大的薄煤层综采工作面。

一、记忆截割技术
1.技术原理
记忆切割技术是目前薄煤层自动化综采工作面最为常用的自动化截割技术。

记忆切割为人工控制采煤机沿工作面煤层先割一刀作为示范刀，控制中心将示范刀内采煤机位置及姿态信息进行记录与存储，在工作面正常开采期间，截割流程由示范刀揭示的采煤机控制指令根据行程传感器采集的采煤机位置进行自动控制，当遇煤岩界面异常点时，采煤机司机根据工作面视频监控系统反馈的信息进行煤岩界面的识别，并对采煤机工况参数进行及时修正，经修正完善的采煤循环，作为记忆切割自动化开采新的示范刀，如图1所示。

图1 采煤机记忆截割技术示意图
2.适用条件
记忆切割技术实施过程中，记忆参数是由示范刀信息揭露获得的，薄煤层综采工作面地质条件复杂多变，需要频繁更新示范刀的信息实现记忆切割，因此记
忆切割技术对地质条件的适应性相对较差，仅适用于煤层顶底板相对平整、煤层倾角、煤层厚度变化小的薄煤层工作面。

3.远程控制
记忆切割过程中，采煤机远程控制中心根据采煤机行程传感器采集的采煤机行程，对应示范刀中的采煤机工况信息对采煤机前后滚筒的参数进行记忆调整，同时，借助工作面采煤机定位定姿系统及视频监控系统对记忆截割自动化截割参数进行必要的辅助决策。

4.应用案例
某煤矿8812工作面主采8#煤层，煤层厚度1.45~1.8m，平均1.64m，煤厚稳定，工作面选用MG2×160/710-AWD型滚筒采煤机，工作面采用自动化综采工艺，利用记忆切割自动化割煤技术。

自动化工作面开采期间，辅助采煤机定姿定位技术及工作面视频监控技术，成功实现了工作面采煤机的记忆切割功能，并实现了斜切进刀割三角煤、清理浮煤等工序的自动控制，整个自动化工作面开采期间，滚筒采煤机自动化运行平稳，故障率控制在3%~5%，记忆切割自动化开采实施效果良好。

3.存在问题
当遇煤厚变化异常区、构造发育区等复杂地质条件，记忆截割技术无法按照记忆的参数进行有效实施，降低了薄煤层自动化工作面的开采效率。

针对记忆切割技术适应性差的技术难题，提出了复杂条件薄煤层综采工作面预设截割轨迹自动化截割技术，用以实现复杂地质条件下薄煤层综采工作面的自动化开采，提高自动化综采工艺的适应性及稳定性，为复杂条件下薄煤层自动化开采提供了决策支持。

二、预设截割轨迹技术
1.制约自动化开采的关键技术难点
根据复杂条件薄煤层综采工作面自动化开采的技术特点，重点探讨制约自动化开采的关键技术难点：
（1）受薄煤层综采工作面煤厚变化大、煤岩界面起伏不均匀的影响，自动化开采过程中采煤机难免割顶或割底，增加了薄煤层综采工作面原煤含矸率，加
剧了薄煤层开采经济效益差的窘境。

（2）工作面内的断层、褶皱等构造的赋存是影响薄煤层安全高效开采的关键地质条件，自动化综采工作面过构造期间，截割路径选择不合理，容易造成工作面割岩量的增加，甚至带来安全隐患，地质构造区域内采煤机割煤轨迹的合理选择对于降低薄煤层工作面过构造区域内采煤机割岩量、提高自动化开采的效率具有重要意义。

（3）自动化综采工艺实施过程中，采煤机截割速度受工作面瓦斯、煤岩界面等的综合影响。

高瓦斯薄煤层综采工作面开采期间，工作面瓦斯浓度超限，造成工作面停机停产；薄煤层综采工作面空间狭窄，工作面设备相对密集，严重影响工作面通风效果，加剧了工作面瓦斯治理的难度；自动化工作面采煤机截割过程中，对于煤岩界面的识别不清，造成采煤机的截割电流、扭矩不稳等，增加了采煤机故障率，严重影响自动化工作面开采系统的稳定性。

2.薄煤层预设截割轨迹自动化开采模式
针对以上技术难点，提出了三种薄煤层预设截割轨迹自动化开采模式，分别为：薄煤层煤厚变化带截割轨迹预设技术；薄煤层地质构造带截割轨迹预设技术；薄煤层综采工作面采煤机截割速度自适应调节技术。

（1）薄煤层煤厚变化带截割轨迹预设技术
薄煤层煤厚变化带截割轨迹预设技术以薄煤层工作面煤厚变化的超前勘探信息为基础，通过建立工作面煤厚分布的特征函数，为截割轨迹预设提供基础参数。

为此，提出了基于CT超前勘探的薄煤层煤厚变化带截割轨迹预设技术。

CT探测技术是根据探测物外部的测量数据对物体内部的物理量进行反演并得到清晰分布图像的技术，属于薄煤层自动化综采工艺的安全保障技术。

目前，用于工作面地质异常体的CT探测技术主要有地震波CT、电磁波CT探测技术等。

地震波CT透射法探测以探测范围大、方法灵活、解析容易、准确率高（大于等于85%）的优势在薄煤层工作面煤厚变化特征勘探方面具有良好的应用前景。

将采集到的数据利用CT成像处理技术，得到探测区域槽波传播的慢度分布特征，根据“慢度-煤厚”关系，将探测的慢度转换为工作面煤厚，得到工作面
探测区域内煤厚的分布。

工作面采煤机截割轨迹预设所需的信息包括工作面煤层厚度及顶底板起伏变化特征，顶底板起伏特征通过地质勘探获得。

将地震波CT超前勘探的薄煤层综采工作面煤层厚度变化信息储存至工作面采煤机截割控制器中，预生成工作面煤厚变化带三维信息图，如图2所示。

图2 煤厚变化带预设截割轨迹示意图
将工作面煤厚变化带三维信息传递给采煤机截割高度控制器，截割高度控制器是采煤机截割轨迹预设的控制设备，负责控制采煤机截割高度的远程控制及就地控制。

兼顾薄煤层综采工作面原煤含矸率及自动化实施效果，对薄煤层煤厚变化异常区内采煤机的截割轨迹进行优化，提出了薄煤层“浮动采高”预设截割轨迹自动化割煤技术，即沿工作面倾向及走向两个方向上，随着工作面的推进，依据薄煤层煤厚变化分区域进行预设采高，截割高度控制器根据预设的截割高度实时调整采煤机滚筒达到采煤机自动化截割的目的。

薄煤层煤厚变化带“浮动采高”预设截割轨迹自动化开采流程与正常回采类似，“浮动采高”割煤技术的实质为采高的实时调整。

“浮动采高”预设截割轨迹技术实施过程中，采煤机截割高度随采煤机位置频繁变化，参照工作面预设采高的变化规律，工作面实际截割高度需要实时进行调节。

“浮动采高”预设轨迹截割技术实施前，选择采煤机前滚筒中心为基准点，作为采煤机定位的参考点，根据采煤机的结构特点及浮动采高参数，确定随采煤机位置变化采煤机前后滚筒的工作参数。

“浮动采高”预设轨迹实施过程中，通
过参考采煤机行程传感器的反馈信息，对采煤机前后滚筒进行自动化控制。

“浮动采高”截割轨迹预设的信息基础为CT探测揭露的薄煤层综采工作面煤层厚度数字化模型，实现薄煤层自动化截割还需要辨别工作面煤层顶底板起伏特征，只有在煤层厚度与顶底板起伏特征信息完整的情况下，才能有效实施预设截割轨迹的自动化开采，为此，通过利用可视化视频监控系统对采煤机前后滚筒的工况及开采环境进行实时监控，在一定程度上实现滚筒截割位置处的煤岩界面识别，为薄煤层综采工作面“浮动采高”预设截割轨迹自动化割煤提供决策辅助。

某矿五222120工作面煤层厚度0.8~1.8m，平均煤厚1.3m，煤层厚度变化较大，属于不稳定薄煤层开采的范畴，工作面选择MG200/456-WD型滚筒采煤机，采煤机采高范围1.1~2.4m。

为适应薄煤层综采工作面煤厚的变化规律，降低原煤含矸率，提高薄煤层自动化开采程度，工作面进行了“浮动采高”自动化割煤技术的工业性试验，采煤机按照预设的“浮动采高”截割轨迹进行自动化割煤，对实施前后薄煤层综采工作面原煤含矸率进行了实测统计，结果如图3所示。

图3 “浮动采高”预设截割轨迹技术实施效果
现场工业性试验表明，利用薄煤层综采工作面“浮动采高”自动化割煤技术的平均原煤含矸率较实施前由26.5%降低至13.5%，降低了13%，采煤机故障率约降低20%，显著提高了薄煤层自动化开采的经济性与可靠性。

（2）薄煤层地质构造带截割轨迹预设技术。

地质构造区域内采煤机截割轨迹的预设是实现薄煤层自动化开采的关键技术，基于工作面地质构造区域内的超前勘探结果，对薄煤层工作面过地质构造带截割轨迹进行预设。

为此，提出了基于电磁波CT超前勘探薄煤层地质构造带截
割轨迹预设技术。

1）工作面过断层采煤机截割轨迹预设原理
电磁波CT探测技术是一种根据观测数据对工作面内介质吸收电磁波的能力进行反演，实现工作面内部介质特征的立体成像，目前已广泛应用于井下工作面内的地质构造探测。

以某矿22402薄煤层综采工作面实际条件为基础，进行电磁波CT探测技术的应用试验，22402工作面主采2#煤层，煤层厚度1.2~2.0m，煤层结构简单，工作面掘进期间共揭露22条断层，落差0.5~20m，工作面断层发育，可能存在隐伏断层。

为此，工作面开采前期，有必要采用电磁波CT探测技术揭示工作面前方断层构造的发育特征，为薄煤层工作面过构造带预设截割轨迹提供基础参数。

利用电磁波CT探测技术得到的断层产状特征，包括断层落差、断层倾角、断层范围等，以探测的断层参数为基础（如图4所示），以采煤机过断层割岩量最小为轨迹预设原则，断层区内采煤机截割轨迹预设即确定两个三角形（△ABC、△EFG）面积之和取最小值条件下采煤机截割轨迹，由几何关系得到采煤机过断层区截割轨迹的数学表达式：
直线BD：
直线FH：
式中：γ——过断层期间采煤机的最大仰角，°；
m——工作面煤层厚度，m。

图4 “浮动采高”预设截割轨迹技术实施效果
2）工作面过褶皱采煤机截割轨迹预设原理
采用煤层槽波的基础数据做CT成像分析褶皱的产状，包括褶皱的底面半径、顶面半径、煤层厚度、圆弧长度、圆心角等，以探测的褶皱参数为基础条件（如图5所示），以采煤机过褶皱期间割岩量最小为截割轨迹预设原则，提出了工作面分段过褶皱采煤机截割轨迹预设技术，由几何关系可以计算得到工作面分段过褶皱时采煤机预设截割轨迹的数学表达式，为
直线AB：y=a+m
直线CD：y=a
其中，m为工作面煤层厚度，m；a为一常数，由面积S1和面积S2相等时求得，面积S1表达式为：
面积S2表达式为：
式中：为圆弧褶皱的顶面半径，为圆弧褶皱的底面半径，为圆弧褶皱分段对应的圆心角，由求得，为圆弧褶皱对应的圆心角，为工作面分段过
褶皱时的分段数目。

图5 工作面分段过褶皱采煤机最优截割轨迹示意图
3）薄煤层地质构造带截割轨迹预设实施思路
薄煤层地质构造带截割轨迹预设包括断层区域采煤机截割轨迹预设及褶皱区域采煤机截割轨迹预设两类，根据以上截割轨迹预设原则，可以得出：构造区域采煤机截割轨迹预设实质是采煤机过构造区域内切割岩石高度、层位的预设，通过采煤机位置、位态的反馈实时调节采煤机前后滚筒切割岩石的高度，以达到采煤机按照预定截割路线进行自动化切割。

以薄煤层自动化综采工作面过正断层由上盘往下盘推进为例，构建了预设截割轨迹技术过构造带开采流程，如图6所示。

图6 工作面过正断层预设截割轨迹技术实施流程
采煤机按照预设的截割轨迹过断层、褶皱构造区域，采煤机割岩量最小，减少了采煤机截齿磨损，为提高薄煤层自动化开采系统稳定性提供了良好的技术思路。

构造发育区预设轨迹截割技术实施前，选择采煤机前滚筒中心为基准点，作为采煤机定位的参考点，根据采煤机的结构特点及预设截割轨迹的参数，确定随采煤机位置变化采煤机前后滚筒的工作参数。

预设轨迹实施过程中，通过参考采煤机行程传感器的反馈信息，对采煤机前后滚筒进行自动化控制。

构造带截割轨迹预设的信息基础为超前探测揭露的构造带地质信息数字化模型，鉴于构造带位置工作面开采环境较为复杂的特点，通过利用可视化视频监控系统对采煤机前后滚筒的工况及开采环境进行实时监控，在一定程度上实现滚筒截割位置处的煤岩界面识别，为薄煤层综采工作面预设截割轨迹过构造带提供决策辅助。