大采高智能化無人開采技術的探索

劉建偉

(陜西黃陵二號煤礦有限公司，陜西 黃陵 727307)

0 引言

先進的綜采設備和技術是現代化煤礦生產的保障，綜合機械化采煤是煤礦生產中設備最多、環境最惡劣、工作最復雜的系統，利用智能化的設備代替人工操作，實現少人、無人化是采煤技術研究的大趨勢，也是煤炭工業技術發展的必然趨勢。黃陵礦業公司一號煤礦在薄煤層、中厚煤層實現智能化無人綜采工作面的成功范例，成為國內目前最先進的自動化工作面，實現了“國產設備工作面無人化”的目標。目前，我國大采高厚煤層智能化開采技術也在不斷的探索和研究，許多煤礦也進行了試驗，但是沒有完全成功的實例。

黃陵二號煤礦煤層結構簡單、傾角為近水平、煤層厚度穩定、屬大采高厚煤層，頂板為細粒砂巖、底板為炭質泥巖，地質條件簡單，在大采高智能化無人開采技術實施方面有著得天獨厚的優勢。二號煤礦2006年國產600萬t配套設備中支架電液控系統具有采煤機位置監控、礦壓檢測、支架狀態顯示、自動收打護幫、跟機拉架、自動噴霧、成組推溜、信號井上下傳輸等功能，華寧集控具備語音報警、設備聯動開停、電氣保護參數設置、信號井上下傳輸等功能。綜采工作面設備職工已能熟練操作和日常維護，技術基礎較好，具備實現智能化無人開采的技術能力和日常管理能力。

1 預期目標和攻關的技術難點

1.1 預期實現的目標

以打造國內大采高智能化、無人化綜采示范工作面為總體目標，以采煤機智能控制、液壓支架自動跟機以及可視化遠程監控為基礎，實現在地面與順槽綜合控制中心對綜采設備的智能監控與控制，工作面2人巡視、2人遠程干預，達到工作面連續、安全、高效開采的目標，使二號煤礦扛起國內大采高智能化開采技術的大旗，引領無人化開采技術的方向。①實現大采高智能化無人開采的常態化；②實現“以工作面智能運行為主，地面(順槽)監控中心遠程干預控制為輔”的智能化生產模式；③實現“無人跟機作業，有人安全巡視”的目標。

1.2 需要攻關的技術難點

采煤機記憶截割精度及割三角煤誤差：在采煤機行走機構安裝編碼器，檢測分辨率精度要求誤差不大于1 cm，典型位置控制精度優于±5 cm，記憶截割典型采高重復誤差±2.5 cm，具有線性插值、采高精度與牽引速度的適應調節。

工作面視頻畫面分辨率受煤塵影響：①增加煤機外置噴霧裝置與支架跟機噴霧同時降塵，增強工作面清晰度；②每架安裝一盞50W照明燈，增強工作面煤壁照明效果，補強光照度；③每3臺支架安裝一臺攝像儀，兩端頭采用彩色廣角攝像儀增強照射范圍，保證視頻無死角；④新型高分辨率攝像儀的引入運用。

支架兩級護幫跟隨煤機收打聯動：①在自動化程序中增加感知功能，保證當采高在4 m以下時護幫板全部收回，煤機正常通行；在采高達到4～6 m范圍時，保證兩級護幫跟機聯動；②在支架一級護幫加設行程傳感器，在采煤機運行過程中護幫板能跟機作業，根據煤機運行狀態自動控制行程，保證緊貼煤壁防止片幫。

2 實現功能總體方案和保障

2.1 智能化實現的功能

智能化控制系統實現在順槽監控中心和地面調度中心對井下設備(采煤機、液壓支架、泵站控制、運輸機、轉載機、破碎機、皮帶機系統)的“一鍵”啟?？刂坪瓦h程干預操控、故障診斷功能、故障類型顯示、語音提示、管理等功能。

采煤機實現自動記憶截割；液壓支架實現自動跟機拉架、收打護幫、采高監測、頂梁姿態監測；泵站系統實現自動配比乳化液、設備工況監測與集中控制；皮帶系統設備工況監控；皮帶自移系統實現就地遙控；工作面工業以太網能將工作面視頻與數據高速傳輸通訊；工作面視頻系統實現對主要綜采設備進行實時監控；“單兵”系統能保障巡檢人員與地面實時交互；巡視系統實現人員定位與識別；兩順槽超前支架電液控實現就地遙控及遠程控制。

2.2 總體方案

總體技術方案借鑒應用一號煤礦智能化無人開采成熟技術，依據二號煤礦實際生產條件要求，由二號煤礦會同設計單位將智能化工作面設備要求實現的功能，整合三機集控、膠帶機集控、采煤機記憶截割、液壓支架電控、順槽超前支架電控、乳化泵站自動供液、工作面視頻、網絡數據傳輸等技術做整體設計方案。

根據整體設計方案要求將各個檢測子系統的監測數據匯集到采煤自動化主系統：①將三機檢測子系統中的鏈條自動張緊、冷卻水自動開停、定子繞組溫度、軸承溫度、潤滑油溫度等監測數據通過檢測主站上傳至自動化控制主系統；②將采煤機遠程啟停記憶截割、遠程啟停、實時運行狀態、實時監測數據與自動化控制系統主機進行實時通訊；③將液壓支架跟機運行狀態、推溜拉架數據、壓力檢測數據、一二級護幫聯動功能、視頻傳輸數據與自動化控制系統主機進行實時通訊；④將膠帶機防跑偏傳感器、堆煤傳感器、煙霧傳感器、沿線急停等保護與工作面三機主控進行通訊，由工作面三機控制系統再將膠帶機控制信息傳輸至自動化控制系統；⑤將組合開關和移變的先導、通訊狀態、電流、電壓、功率、絕緣阻值、故障狀態等信息通過通訊電纜傳輸至自動化控制系統。

將工作面所有設備運行數據采集的子系統全部上傳至自動化控制主系統后，由主系統對所有采集數據進行分析，做出開機預判，使整個工作面實現智能化開采。

總體設計方案完成后由礦業公司技術中心組織，邀請智能化開采技術創新中心指導委員會和技術委員會等專家進行高層次評審，確?？傮w設計方案達到使用要求。

2.3 實現大采高智能化無人開采的前提保障

二號煤礦大采高智能化無人開采技術的成功實施，必須從管理上高度重視、資金上大力支持、人員素質上狠挖潛力，從資料收集、設計方案、前期準備、后期實施應用等方面形成完善的管理體系。

頂層設計方面：借鑒一號煤礦中厚煤層智能化開采技術在實際使用過程中出現的故障和技術難點進行技術攻關，由二號煤礦與設計單位充分溝通論證，保證大采高智能化總體配套設計方案合理完善、理念先進、使用效果良好。

思想保障方面：從上至下必須統一思想認識，樹立堅定的信念。思想決定行動、行動決定成敗，要教育管理人員和廣大職工轉變思想觀念，樹立大采高智能化無人開采必須成功的信念。

素質、技能保障方面：充分發揮職工的主觀能動性，加大培訓力度，提高職工素質。要求設計單位做好前期培訓，通過培訓學習使職工熟悉設備結構原理，能夠快速的掌握應用智能化設備，為維護保養、處理故障打下良好基礎。

地質保障方面：二號煤礦在工作面設計中充分考慮頂板管理難點，做出詳實的煤層寫實報告，根據以往經驗做好頂板周期來壓的預報。加強巷道支護強度，減少兩順槽的巷道變形，為大采高智能化無人開采技術提供地質保障。

后期應用方面：二號煤礦成立專職智能化辦公室，負責智能化開采設備維護監督工作，制定嚴格的智能化設備管理制度，高度重視智能化開采技術設備的維護保養，在前期的調試和后期的生產過程中堅決杜絕職工甩掉任何保護，發現故障后積極協調處理，保證智能化設備的正常運行。

3 經濟效益和社會效益

從安全效益來看，智能化無人開采將職工從危險性較高的采煤工作面轉移到安全環境較好的順槽監控中心和地面遠控中心，與二號煤礦目前的綜采工作面相比，智能化無人開采工作面作業人員由12人減至2人，兩順槽作業人員由8人減至2人，從根本上提高了作業安全系數。

從經濟效益來看，二號煤礦智能化無人開采工作面設備和技術，在原有的綜采裝備基礎上，需要增加投入1 000萬元，但是智能化無人開采工作面比傳統工作面每個生產班減少17人，每年可節約人工成本580萬元。目前二號煤礦單面月產量在35萬t，每天推采10刀煤，日產量1.3萬t；根據一號煤礦每天推采14刀煤的成功經驗，二號煤礦大采高智能化工作面每天推采14刀煤，日產量1.85萬t，月產量將達到50萬t；同比月產量增長15萬t。

從社會效益來看，智能化無人開采工作面將大幅降低了工人的勞動強度，極大改善了煤礦工人的工作環境。根據一號煤礦智能化無人開采工作面所取得的安全、經濟、社會效益來看，工作面少人化、無人化開采才是真正的本質安全，解決了煤礦原煤生產與安全管理之間相互制約的問題，為二號煤礦實現智能化開采技術鋪通了道路、指明了方向。同時填補了國內大采高智能化開采技術的空白，對中國煤炭工業的發展具有重要的歷史意義。

4 結語

煤礦安全、高效生產的最根本要求是靠先進的科學技術和現代化的設備。智能化無人開采技術是一項系統工程，是機械化、自動化、信息化技術的集成應用，規范化、精細化管理的成果。二號煤礦大采高智能化無人開采技術的探索和應用，是建設本質安全型礦井和現代化煤礦企業的新路子。大采高智能化無人開采技術的應用，標志著二號煤礦在大采高智能化開采技術領域將成為行業領頭羊，填補國內大采高智能化無人開采技術應用的空白，達到國際領先水平，對中國煤炭工業發展具有重要的歷史意義。