高端綜采工作面成套裝備技術(shù)研究

閆葉俊

(兗礦東華重工有限公司，山東 鄒城 273500)

我國預(yù)計煤炭儲量為4萬億～5萬億t，2010年查明的可采儲量為15000億t。同時，我國是世界第一產(chǎn)煤大國，2016年我國煤炭總產(chǎn)能超過34.1億t，生產(chǎn)礦井5300多個。經(jīng)過多年積累，我國煤機行業(yè)發(fā)展較快，形成了較完整的煤炭裝備制造體系。

采用新技術(shù)，進一步提升煤機裝備高可靠性、高產(chǎn)高效，對于推進新舊動能轉(zhuǎn)化具有重要意義。煤機裝備產(chǎn)品專業(yè)性強，其發(fā)展直接制約了煤礦高產(chǎn)高效的發(fā)展。目前在自動化、智能化方面與先進國家還存在較大差距，產(chǎn)品綜合配套能力不強，特別是在智能開采成套裝備技術(shù)方面遠遠不及美國、澳大利亞等國家。進一步落實 “走出去戰(zhàn)略”開拓國外市場，研制1500萬噸級高端綜采工作面成套裝備成為亟待解決的問題。

1 主要研究內(nèi)容

1.1 綜采工作面設(shè)備全三維配套技術(shù)

結(jié)合先進的計算機輔助選型系統(tǒng)，將綜采工作面各主要裝備三維化建模，自頂向下的對整個工作面進行配套。更直觀地反應(yīng)出設(shè)備配套的不足之處，可以更有效地、有針對性地對綜采工作面的配套裝備進行改進。

1.2 綜采工作面遠程集中控制系統(tǒng)

綜采工作面遠程集中控制系統(tǒng)包括：綜采工作面供電系統(tǒng)、采煤機控制系統(tǒng)、泵站控制系統(tǒng)、液壓支架控制系統(tǒng)、綜采工作面三級通訊控制系統(tǒng)、順槽膠帶機通信控制系統(tǒng)、綜合自動化監(jiān)測系統(tǒng)、綜合自動化系統(tǒng)等。通過系統(tǒng)集成、信號傳輸，將工作面各種設(shè)備的監(jiān)測結(jié)果進行分析和數(shù)據(jù)整理，確定整個工作面的生產(chǎn)工藝過程，并以形象直觀的數(shù)據(jù)顯示和三維模擬的方式顯示出來，對生產(chǎn)過程進行及時的調(diào)度和管理，最終實現(xiàn)綜采工作面設(shè)備遠程集中控制。

1.3 綜采工作面自動化控制系統(tǒng)

綜采工作面自動化控制系統(tǒng)已將多種技術(shù)（如控制、以太網(wǎng)、無線、視頻、通信、液壓等）應(yīng)用于綜采工作面，實現(xiàn)在工作面順槽監(jiān)控中心對綜采設(shè)備進行集中自動化控制。主要功能有以下幾點：

（1）遠程控制功能，地面調(diào)度中心可對綜采工作面的設(shè)備 “一鍵”啟停；

（2）在順槽監(jiān)控中心對工作面設(shè)備的集中控制（采煤機工況監(jiān)測與遠程控制功能、液壓支架工況監(jiān)測遠程控制功能、運輸系統(tǒng)集中自動化控制功能、泵站系統(tǒng)集中自動化控制功能、綜采設(shè)備數(shù)據(jù)集成處理、遠程故障診斷、管理等功能）；

（3）具有工作面工業(yè)以太網(wǎng)，在工作面實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的井上下傳輸；

（4）工作面視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對主要綜采設(shè)備進行實時視頻監(jiān)控；

（5）就地控制功能，當綜采工作面自動化控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時或檢修時，各子系統(tǒng)可就地啟動，不受綜采自動化系統(tǒng)控制，確保生產(chǎn)不受影響。

（6）數(shù)據(jù)共享功能，根據(jù)綜采工作面自動化控制系統(tǒng)及其功能，結(jié)合工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，將系統(tǒng)收集的信息、數(shù)據(jù)、視頻等資料進行統(tǒng)一集中存儲、分析、處理、傳輸，通過向第三方提供標準的接口、協(xié)議，進行異地信息存儲、分析、處理，進而實現(xiàn)異地控制功能。

1.4 嵌入式3D可視化操控平臺的研究與應(yīng)用

嵌入式3D可視化操控平臺是數(shù)字礦山的重要組成部分，是一個輔助煤礦進行井下實時3D虛擬監(jiān)控、監(jiān)控回放的綜合性平臺。它可整合井下綜采機械、破碎機、轉(zhuǎn)載機、皮帶機等所有大型機械的包括位置、狀態(tài)、報警等全部數(shù)據(jù)信息，同時以三維可視化的形式展現(xiàn)相關(guān)信息。以虛擬仿真技術(shù)為主要平臺進行開發(fā)，采集工作面中相關(guān)設(shè)備的真實數(shù)據(jù)，真實再現(xiàn)井上井下設(shè)備的操作及控制。替代傳統(tǒng)二維圖片界面控制，提升遠程操作直觀性和準確性

1.5 綜采工作面設(shè)備生產(chǎn)工藝記憶功能

通過對綜采工作面設(shè)備在不同工況下的運行數(shù)據(jù)進行整理、分析，對工作面不同生產(chǎn)工藝的設(shè)備參數(shù)進行優(yōu)化，實現(xiàn)整個綜采工作面設(shè)備的自動控制。

1.6 綜采設(shè)備計算機輔助選型系統(tǒng)

計算機輔助選型系統(tǒng)將計算機高速而精確的計算能力、大容量存儲和數(shù)據(jù)處理能力與設(shè)計者的綜合分析和邏輯判斷能力以及創(chuàng)造性思維結(jié)合起來，從而大大加快設(shè)計過程，縮短設(shè)備選型的周期并提高選型質(zhì)量，為煤礦開采提供安全可靠的工作面綜采設(shè)備選型。

1.7 液壓支架及高可靠性電控系統(tǒng)

穩(wěn)定、高可靠性的電控系統(tǒng)可以將液壓支架的瞬時姿態(tài)進行有效記錄、分析，并能夠促使系統(tǒng)做出工作面狀態(tài)的有效判斷，對實現(xiàn)少人化、無人化工作面開采有著十分重要的作用。

1.8 采煤機及自動化控制系統(tǒng)

在線監(jiān)測采煤機運行工況，包括：負荷、速度、轉(zhuǎn)速、位置、溫度等參數(shù)，與液壓支架電控系統(tǒng)通訊進行數(shù)據(jù)交換；通過連續(xù)監(jiān)測刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機、膠帶機的負荷量，自動調(diào)節(jié)參數(shù)，實現(xiàn)連續(xù)采煤。

1.9 刮板輸送機及自動化控制系統(tǒng)

在線監(jiān)測刮板輸送機運行工況，包括：負荷、速度、轉(zhuǎn)速、運量、溫度等參數(shù)，將數(shù)據(jù)上傳至工作面集中控制系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)對采煤機、轉(zhuǎn)載機、膠帶機等設(shè)備的運行情況的干預(yù)。

1.10 轉(zhuǎn)載機、破碎機及自動化控制系統(tǒng)

在線監(jiān)測轉(zhuǎn)載機、破碎機運行工況，包括：負荷、速度、轉(zhuǎn)速、運量、溫度等參數(shù)，將數(shù)據(jù)上傳至工作面集中控制系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)對采煤機、刮板輸送機、膠帶機等設(shè)備的運行情況的干預(yù)。

1.11 膠帶機及自動化控制系統(tǒng)

在線監(jiān)測膠帶機運行工況，包括：負荷、速度、轉(zhuǎn)速、運量、溫度等參數(shù)，將數(shù)據(jù)上傳至工作面集中控制系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)對采煤機、刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機、破碎機等設(shè)備的運行情況的干預(yù)。

同時，煤礦井下帶式輸送機應(yīng)用智能技術(shù)，可為井下煤礦營造一種安全運行環(huán)境，可對井下情況進行實時巡視、控制，實現(xiàn)煤礦井下作業(yè)體系逐漸系統(tǒng)化的目標。運用智能系統(tǒng)除了能保證系統(tǒng)運行的可靠性，還能有效排查故障，從而提高運輸系統(tǒng)效率。

1.12 綜采工作面供電系統(tǒng)及自動化控制系統(tǒng)

綜采工作面供電系統(tǒng)主要包括監(jiān)控設(shè)備和控制系統(tǒng)。通過監(jiān)控采煤機開關(guān)、運輸機開關(guān)、破碎機開關(guān)、轉(zhuǎn)載機開關(guān)、乳化泵開關(guān)、噴霧泵開關(guān)等，調(diào)用各個組合開關(guān)的運行參數(shù)、整定參數(shù)、故障參數(shù)，對供電系統(tǒng)實現(xiàn)遠距離控制，并與工作面設(shè)備綜合自動化系統(tǒng)的其他子系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，根據(jù)工作面不同工況設(shè)定不同參數(shù)，實現(xiàn)自動化控制。

1.13 乳化液濃度在線監(jiān)測及自動配比系統(tǒng)

煤礦用乳化液配比濃度在線監(jiān)測及自動配比系統(tǒng)主要功能包括：井上計算機動態(tài)顯示監(jiān)測參數(shù)，報警；井下現(xiàn)場顯示數(shù)據(jù)和報警；根據(jù)監(jiān)測參數(shù)實現(xiàn)乳化液濃度自動配比；乳化液壓力、流量在線監(jiān)測。

乳化液泵站濃度在線監(jiān)測及配比系統(tǒng)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)乳化液濃度自動校正，當系統(tǒng)內(nèi)乳化液濃度超出設(shè)定值時，會自動加水或加油來校正系統(tǒng)的乳化液濃度值。裝置具備液位實時監(jiān)測和乳化液自動補液功能，當乳化油箱液位偏低時，進行低液位報警，乳化液濃度低時提示補充乳化油并自動加油。

1.14 綜采工作面主煤流智能噴霧除塵系統(tǒng)

依靠綜采工作面自動化生產(chǎn)的理念，實現(xiàn)超大采高綜采工作面刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機及破碎機對煤塵的有效控制。主要通過在刮板輸送機、工作面機頭、破碎機處設(shè)置能夠智能操作的噴霧系統(tǒng)，通過電液控制實現(xiàn)對各噴霧裝置的程序化控制，使每一個噴霧點均可以根據(jù)煤流的狀態(tài)智能噴霧。

1.15 采煤機慣導(dǎo)定位導(dǎo)航與工作面自動取直算法

針對煤礦綜采工作面生產(chǎn)設(shè)備、開采工藝及現(xiàn)場環(huán)境進行充分調(diào)研、分析、科學(xué)論證，通過對煤礦綜采自動化和智能化技術(shù)的科學(xué)研究，研發(fā)高精度慣導(dǎo)定位導(dǎo)航算法，實現(xiàn)采煤機的精確定位與自主運行；通過研發(fā)工作面自動取直算法實現(xiàn)對三機狀態(tài)檢測及智能遠程聯(lián)控的對接融合，實現(xiàn)工作面自主取直。

2 主要目標或技術(shù)經(jīng)濟指標

智能化綜采裝備技術(shù)在應(yīng)用過程中，提升了生產(chǎn)效率，減少了人工作業(yè)和多工種之間的交叉作業(yè)，降低了職工勞動強度，提高了生產(chǎn)效率，節(jié)約了人工成本；同時，智能化無人綜采技術(shù)的應(yīng)用，對煤礦來說，還提升了綜合管理水平，提升了員工素質(zhì)，提升了礦工和煤礦社會地位，提升了相關(guān)技術(shù)水平，提升了安全生產(chǎn)保障能力，提升了國產(chǎn)裝備制造水平，該項目主要目標如下：

（1）建立、建成高產(chǎn)高效示范性工作面，實現(xiàn)單工作面年產(chǎn)1500萬t，各設(shè)備運轉(zhuǎn)正常性能可靠，生產(chǎn)效率平均提升30%以上，綜采工作面單班作業(yè)人員減至2～3人；

（2）支護設(shè)備大修周期≥5年，刮板運輸機過煤量≥2000萬t，實現(xiàn)綜采工作面設(shè)備計算機輔助選型及全三維配套；

（3）智能化綜采成套裝備國產(chǎn)化率為100%，完全替代進口技術(shù)和設(shè)備，實現(xiàn)綜采工作面遠程集中控制、地面集中控制，實現(xiàn)綜采工作面地面3D虛擬可視化實時在線監(jiān)控，實現(xiàn)工作面視頻全景拼接及工作面人員設(shè)備的精確定位；

（4）實現(xiàn)多系統(tǒng)的數(shù)據(jù)整合統(tǒng)一化管理，為后期設(shè)備選型及工作面控制提供數(shù)據(jù)支持，實現(xiàn)乳化液的自動添加及配比，控制綜采工作面的乳化液使用效率，實現(xiàn)綜采工作面設(shè)備生產(chǎn)工藝記憶輸出功能。

3 預(yù)期成果

發(fā)展高端煤機裝備制造業(yè)是基于當前我國煤炭產(chǎn)業(yè)所面臨的經(jīng)濟形式的準確判斷，是實現(xiàn)“創(chuàng)新驅(qū)動”和“新舊動能轉(zhuǎn)換”的重要舉措。通過1500萬噸級成套裝備技術(shù)研究及應(yīng)用，在煤礦綜采工作面中全面實現(xiàn)高可靠性、少人化、無人化值守作業(yè)，實現(xiàn)智能化的多級綜采設(shè)備的集中控制。提升各主要設(shè)備的使用效率，降低各設(shè)備的維修及保養(yǎng)費用。高端千萬噸級開采成套裝備技術(shù)研究與應(yīng)用的研制成功，將引領(lǐng)我國煤炭開采模式向自動化、智能化、無人化轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)煤機企業(yè)產(chǎn)業(yè)升級，實現(xiàn)礦井安全生產(chǎn)的高產(chǎn)高效，提高煤機企業(yè)產(chǎn)品附加值，提高礦井的開采效率。