城郊煤礦國產綜采自動化設備配套應用

馬慎義

河南煤化集團永煤公司城郊煤礦，河南 永城 476600

我國綜采自動化系統起步較晚，一般情況下只是對工作面進行監測，并沒有對工作面設備進行控制，且系統簡單，控制對象單一。如何實現國產綜采自動化意義重大，永煤集團城郊煤礦在2503綜采工作面首次采用成套全國產設備進行綜采自動化回采，截止到2012年9月份，自動化工作面已回采原煤40萬噸，自動化程度較高。

1 工作面設備配置及功能

1.1 采煤機配套及功能

根據工作面煤層厚度(2.3m～3.3m)，選用MG200/500-QWD型無鏈電牽引采煤機。該采煤機電控系統為DSP控制，通過通訊線將各電機運行參數、采煤機運行速度及滾筒截割高度等數據即時傳輸至順槽控制計算機，通過在順槽控制計算機上實現采煤機遠程開停功能。

1.2 三機及膠帶機配套

根據工作面采煤機生產能力，工作面及順槽內主要設備為：MG200/500-QWD型采煤機、SGZ730/2×200型刮板運輸機、ZY3800-16/35D型電液控液壓支架、SZZ730/160型轉載機、PLM1000型破碎機、SSJ1000/2×160型膠帶輸送機，運輸能力基本匹配。

1.3 液壓系統配套及功能

1.3.1 采用一套BRW400/31.5型大流量乳化液泵，兩泵一箱，單臺乳化液泵電機功率250kW，流量400m3/h，泵站調定壓力31.5Mpa，支架電液換向閥組中控制立柱、推移油缸的換向閥，其流量不小于400L/min，其余閥件流量不小于125L/min，能夠滿足自動化快速移架的要求。

1.3.2 為保證乳化液質量，采用了進口乳化油，配液用水采用兩級反滲透凈化水裝置供水，處理能力3t/h，凈化后的水質達到飲用水標準，完全滿足工作面液壓系統正常用水需要。

1.3.3 液壓系統配備高壓反沖洗過濾站，過濾站過濾精度不低于25μm，流量不小于1000L/min，具有定時和根據系統壓差自動反沖洗及順序反沖洗功能；工作面每臺支架均安裝了反沖洗裝置，每班反沖洗一次，保證液壓系統介質清潔。

1.4 供電系統配套及功能

選用三臺KBSGZY800-KJZ6×400型負荷中心供電，變壓器容量800kVA，供電電壓等級1140V/3300V，6回路輸出。該型負荷中心采用DSP綜合控制模塊，與順槽集成計算機組網實現運行參數顯示、故障檢測、數據通訊、遠程啟停控制功能。

1.5 順槽內數據集成及監控系統

1.5.1 順槽內數據集成及監控系統主要由兩臺KJD220隔爆兼本安型計算機作為主控制計算機（一臺為工作面電液控主機，另一臺為工作面系統集成主機）和一臺本安型光纖環網交換機組成。主控制計算機上提供Modbus、Modbus/TCP等多種標準接口與協議，實現綜采工作面設備相互通訊并將信息傳入網絡的功能。

1.5.2 工作面電液控主機與支架控制器通過CAN總線和RS485通信相互冗余組成一個操作、監控、存儲系統。系統提供對工作面液壓支架的遠程控制及跟機控制的支持；具備在線故障診斷能力，能夠診斷液壓支架電液控制系統的網絡狀態、傳感器故障等；提供對支架控制器的程序更新、參數配置等支持；同時通過光纖環網交換機進行數據轉換，完成對工作面支架電液控制系統和工作面其他設備的數據集成和上傳。

1.6 電液控系統及功能

電液控系統采用ZE07型國產化設備，將順槽內電液控主機與支架上安裝的微電腦控制器組成一個操作、監控、存儲網絡。順槽電液控主控計算機能夠對支架控制器進行遠程更新程序、參數配置、傳遞參數等服務，并能夠在線診斷液壓支架電液控制系統的網絡狀況、支架控制器的工作狀態、各類傳感器狀態等。

2 自動化系統對工作面的控制

2.1 控制模式

系統集成整體結構如圖所示，主要由地面監控部分（含操作員站、圖像監視器數據庫等）、1000M工業以太環網和井下就地監控站（主要含有監控計算機、隔爆監視器，各設備監控單元）三部分組成。系統核心是井下就地監控站，監控站中監控計算機為基于嵌入式Linux操作系統的井下工控機，監控計算機與電液控制器通過CAN總線進行通訊，與采煤機、運輸系統等通過RS485等傳輸協議進行通訊。在系統主機中通過編寫“三機聯動”控制算法實現對綜采工作面的遠程監測與控制。

2.2 地面監控

自動化綜采工作面采用工業以太環網作為礦井生產綜合自動系統的綜合信息傳輸平臺，井上下數據傳送主干線采用MGTB-4光纜，交換機采用KJJ137型網絡交換機，通過網絡交換機將不同的通訊協議轉換為tcp/IP協議，并在統一的工業以太環網上傳輸，實現信號集成。

自動化視頻監控采用IP網絡視頻監控方式。在工作面安裝4個網絡攝像頭，分別安裝在控制臺、工作面19#架、60#架、104#架，通過軌道順槽控制室的KJJ137型交換機將電液控計算機、設備集成計算機和工作面視頻系統集成組網，通過光纖以太網絡將監測數據上傳至到井上監控計算機，即時瀏覽查看各設備運行畫面，顯示以下信息：①工作面支架電液控系統自動化動作過程；②采煤機開停狀態、位置、采高及運行參數；③三機開停狀態、運行參數，并可實現遠程操作功能，從而實現在地面對整個工作面的視頻監控。

圖1 綜采工作面自動化監控系統結構框圖

2.3 工作面設備控制功能

2.3.1 每臺支架配有微電腦控制器，通過順槽電液控主控計算機操作界面，向工作面支架微電腦控制器發送動作指令，以采煤機位置作為動作執行的發起點，通過紅外線發射、接收裝置（采煤機安裝紅外線發射裝置，每臺支架安裝有紅外線接收裝置），實現順序跟機移架、推溜自動化遠程操作、動作支架預警功能，并在操作界面上顯示支架正在執行的動作過程以及動作完成后的位移量、初撐力。

2.3.2 同時，可以通過操作微電腦控制器面板獨立實現鄰架手動單動作、成組手動單動作、緊急停止、程序同傳等功能；通過立柱下腔壓力傳感器，顯示支架的初撐力和工作阻力；通過緊急停止閉鎖按鈕，實現本架和系統急停閉鎖，結束正在執行的動作。微電腦控制器將上述數據上傳至順槽電液控主控計算機并存儲，以便分析處理。

3 綜采自動化工作面作業方式

3.1 回采工藝

2503工作面采用綜采自動化采煤工藝，采取單向割煤，由機尾向機頭方向割煤、移架，由機頭向機尾方向返空刀拾底煤、推溜（割煤時自動跟機移架、返空刀時自動推溜）。

3.2 液壓支架自動跟機作業工序

采煤機開啟，向刮板運輸機機頭方向割煤，采煤機機身紅外發射器發出紅外信號→液壓支架根據紅外接收器接收到的紅外信號，將接收到的紅外線信號轉化為模擬信號傳輸至支架控制器，支架控制器根據接收到的信號判斷采煤機的位置及運行方向，并控制液壓支架→采煤機前滾筒前方3架范圍內的護幫板自動收回→滯后采煤機前滾筒2架自動伸伸縮梁→滯后采煤機后滾筒4架自動收伸縮梁→滯后采煤機后滾筒4架自動拉架（降架→拉架→升架→伸護幫板）。

4 綜采自動化系統的回采優勢

綜采自動化系統在城郊煤礦2503綜采工作面的實際回采應用過程中，在提高了生產過程中的安全系數、降低了職工的勞動強度等方面效果明顯。其應用效果具體表現在以下幾方面：

4.1 提高施工作業環境的安全性，特別在仰采工作面，其自動化追機作業功能的實現，有效防止了片幫傷人事故，為職工提供更加安全的作業環境。

4.2 其程序化設計，自動跟機拉架、推移刮板運輸機等功能的實現，動作準確、可靠，避免了工人在操作期間由于誤動作所造成的人身傷害事故。

4.3 采用自動跟機移架、推溜，能夠減輕支架工勞動強度。

4.4 采用大流量乳化泵及換向閥，縮短移架、推溜時間，提高工作效率。

4.5 工作面過地質構造帶需單架操作時，可采用鄰架操作方式，有效防止了冒頂、片幫或人員擠傷事故。

4.6 換向閥操作機構由操作手把改為電液按鈕，操作方便。

4.7 自動上傳礦山壓力數據，進行實時監控，數據讀取方便。

4.8 程序設置有液壓支架自動補壓功能，確保了工作面的頂板安全。

5 需改進完善之處

綜采自動化系統在實際回采應用過程中效果顯著，特別是提高了安全系數、降低了職工的勞動強度，但在使用過程中也存在一些缺點。

5.1 工作面“三機”聯動過程中，特別在仰采過程中，煤墻片幫，造成運輸機內電纜槽內積煤，易擠傷電纜，同時造成支架推移框架和架間積煤，需要在支架工在每刀割煤后及時清理。

5.2 自動化采煤對煤層要求較高，只適用于煤層較為平緩，頂板比較穩定、采高比較固定的區域，自動化回采易受斷層或構造帶的影響，工作面過斷層巖石較硬時，需要放炮爆破松動，對自動化程序產生影響。

5.3 自動化采煤不能連續多個循環回采，受工作面頂底板條件等多種因素的影響，在多個割煤循環后工作面支架、運輸機的平直度降低，產生錯差，易造成設備損壞，需要人工調整設備平直度。

6 結語

隨著國家對煤炭行業的工業結構進行調整，大力促進高效安全的現代化礦井建設，以及煤礦企業對減人提效、安全生產日益重視，自動化綜采工作面具有先進的自動控制、高度的集中監控、完善的網絡管理等優勢，這些優勢正是傳統的普采工作面和綜采工作面說欠缺的，事實證明建立自動化綜采工作面對減少工人勞動強度，改善工人作業環境，提高工人勞動效率，減少工作面人員數量，提高綜采設備利用率，提高綜采效率等方面都具有顯著的效果，因此建立自動化綜采工作面必將成為煤礦發展的趨勢。