東懷煤礦綜采工作面自動化技術改造可行性及意義

梁江　顏國勇

【摘 要】煤炭工業健康可持續發展和煤礦的安全生產的根本出路在于發展機械化自動化、信息化、智能化（簡稱“四化”）。當前，新一輪科技革命和產業變革正孕育興起，智能型技術替代勞動密集型技術趨勢日益明顯。而且，“四化”建設是煤礦企業增強競爭力、擺脫困境的關鍵秘訣。文章敘述綜采自動化采煤技術改造在東懷煤礦使用的可行性及取得的成果、意義，為中小型煤礦推廣使用自動化設備提供參考。

【關鍵詞】軟巖地質煤礦;綜采技術改造;可行性及意義

【中圖分類號】TD823 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）09-0132-05

煤炭工業健康可持續發展和煤礦的安全生產的根本出路，在于發展機械化、自動化、信息化、智能化（簡稱“四化”）。當前，新一輪科技革命和產業變革正孕育興起，智能型技術替代勞動密集型技術趨勢日益明顯。而且，“四化”建設是煤礦企業增強競爭力、擺脫困境的關鍵秘訣。綜采自動化采煤技術可使企業取得安全可靠性高、工程質量高、效益高、資源利用率高、隊伍素質高等成效，將會大大改善工人工作環境，使企業競爭力顯著增強。

根據《國家安全監管總局辦公廳關于開展“機械化換人、機器人作業、自動化減人”示范企業試點工作的通知》，東懷煤礦列為“小煤礦機械化改造試點示范企業”，為進一步提高東懷煤礦的機械化、自動化水平，提高示范效果，實現復雜條件下的少人、自動化采煤，將東懷煤礦D煤工作面為試點，打造西南地區的首個無人自動化綜采工作面。

1 東懷煤礦生產現狀

礦井主要可采煤層自下而上為A、C、D、I煤層。

A煤層：可采厚0.80～2.47 m，平均厚度為1.71 m，直接頂、底板為泥巖、砂質泥巖，局部有0.20 m左右的炭質泥巖偽頂或偽底，巷道見煤點煤層傾角為13°。從西至東，煤層變穩定，結構變簡單，煤質變好。

C煤層：距離A煤層頂界面6.52～21.07 m，平均為12.93 m，煤層可采厚度為0.80～2.36 m，平均為1.48 m，煤層厚度有一定的變化，越往東部（深部）煤層厚度越穩定，結構越簡單，煤質越好。

D煤層：距C煤層頂界2.79～25.78 m，平均為11.70 m，可采區可采厚度為0.79～2.15 m，平均為1.53 m，可采厚度在平面上變化顯著。由東（深部）向西（露頭）變差。

I煤層：位于下百崗段頂界，煤層頂板為上下百崗段分界線，煤層結構復雜，夾矸多，中、上部有泥巖夾矸，夾矸厚度為0～2.7 m，平均為0.7 m。I上分層于井田西北部可采，煤層厚度為 0.8～1.0 m，平均為0.86 m，I下分層煤厚為0.83～2.53 m，平均為1.74 m。上、下分層煤層合并處煤厚為0.80～2.96 m，平均為1.66 m（實際揭露的煤層含夾矸3.0～3.5 m）。煤層頂板為泥巖或炭質泥巖，直接底板大多為泥巖或砂質泥巖，間接底板為厚層狀粉砂巖，細砂巖。煤層傾角為10°～16°。

2 自動化改造、升級方案

東懷煤礦綜采工作面自動化技術改造是在現有生產系統上對采煤工作面設備進行改造、升級，因此只對需要改造、升級的設備進行設計選型，其他配套系統只進行配套性驗算，對不能適應的系統再進行改造設計。

東懷煤礦綜采工作面自動化技術改造的技術思路如下：通過研究、完善并改進綜采工作面生產工藝，提高設備配套水平，提升單機設備自動化性能，實現綜采成套設備穩定、可靠運行。同時，通過綜采工作面自動化開采技術應用，實現設備自動化運行，協調控制，減少人為主觀操作，確保工作面連續推進，進而實現綜采自動化項目安全、高效開采。

2.1 自動化控制總體方案

2.1.1 東懷礦采煤工作面設備情況

（1）液壓支架采用手動操作，不能實現鄰架操作、自動跟機操作及遠程操作。

（2）采煤機采用就地操作，且無采煤機位置、采煤機速度、搖臂高度及內部相關的保護傳感器，不能實現采煤機數據監測、遠程控制及記憶割煤功能。

（3）刮板運輸機為高低速切換控制，刮板運輸機系統未安裝監測裝置，不能實現對刮板機的在線監測。

（4）工作面未安裝語音通話系統，工作面不能及時通話且不能實現三機的集中控制。

（5）工作面照明煤采用13 W防爆燈，每8臺支架安裝一臺，照明效果不好，如安裝視頻，視頻效果不好，需改造。

2.1.2 改造實現的總體功能

（1）具有在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程監控功能。

（2）具有在順槽監控中心對工作面設備的集中監控功能。

（3）具有自動化系統故障自診斷功能（包括對采煤機、液壓支架、三機、泵站、膠帶機控制的故障診斷）、故障類型顯示及管理等功能。

（4）具有工作面工業以太網，可在工作面實現數據的高速傳輸。

（5）具有工作面視頻系統，可實現對主要綜采設備進行實時監控。

（6）具有井上下數據傳輸功能接口。

（7）對現有照明進行改造，提高工作面照明效果。

（8）增加工作面語音通訊控制系統，并向綜采自動化控制系統開放控制接口，實現對三機的集中控制功能。

（9）當綜采工作面自動化控制系統出現故障時，各子系統不受綜采自動化系統控制，以保證在檢修和自動化控制系統出現故障時，各子系統能單獨開車，確保生產不受影響。

2.1.3 自動化系統組成

綜采自動化控制系統由監控中心部分、采煤機控制子系統、液壓支架控制子系統、語音通訊控制子系統、工作面供液子系統、皮帶機保護子系統、三機數據監測系統、工作面以太網子系統、工作面視頻子系統、地面監控子系統等部分組成，系統組成如圖1所示。

系統主要由3個部分組成，包括工作面部分、順槽監控中心、地面部分。

2.2 各系統部分概述及功能

2.2.1 順槽監控中心

工作面順槽監控中心是整個工作面協調機制的大腦，主要由礦用隔爆兼本質安全型監控主機3臺、礦用本安型顯示器6臺（其中SAC型電液控制系統已提供礦用隔爆兼本質安全型監控主機1臺、礦用本安型顯示器1臺）、操作臺礦用本安型操作臺2臺（液壓支架遠程操作臺1臺、采煤機/三機操作臺1臺）、交換機等設備組成。

2.2.2 監測功能

（1）采煤機工況顯示，主要包括采煤機的位置、速度、左右滾筒高度、機身仰俯角度、牽引方向、各電機工作電流等。

（2）運輸機的工況顯示，主要包括運輸機的啟停狀態、工作電流、工作電壓、電機工作電流保護等。

（3）液壓支架工況顯示，主要包括各支架壓力值、各支架推移行程、各電磁閥動作狀態、主機與工作面控制系統通信狀態。

（4）泵站系統工況顯示，包括泵站潤滑油油溫、油位、出口壓力、液箱液位、乳化油油箱油位、乳化液濃度等。

2.2.3 工作面工業以太網

工作面工業以太網主要由本質安全型綜采綜合接入器、本質安全型光電轉換器、本安型交換機、礦用隔爆兼本質安全型穩壓電源、4芯鎧裝連接器、礦用光纜等組成。

2.2.4 工作面視頻系統

工作面視頻系統包括礦用本安型云臺攝像儀、礦用本質安全型顯示器和礦用本質安全型操作臺、安裝電纜及附件等組成（如圖2所示）。

2.2.5 工作面三機及膠帶輸送機的集中控制

工作面語音通信系統和順槽皮帶系統具備數據傳輸功能，綜采自動化與此兩套系統進行通訊，通訊協議為MODBUS RTU，接口為RS485，實現對工作面三機、順槽膠帶機的狀態監測及集中控制功能。

2.2.6 地面調度中心

在地面調度指揮中心設立液壓支架遠程操作臺與采煤機遠程操作臺，可實現在地面對設備實現一鍵“啟?！辈僮?，并能實現對工作面設備的遠程干預操作。采用以太網實現綜采設備數據上傳，通過礦井自動化網絡，將綜采設備的數據傳到井上，實現地面調度指揮中心對綜采設備的監測、顯示（如圖3所示）。

2.3 工作面電液控制系統技術方案

2.3.1 電液控制系統功能

系統具有鄰架單動作控制功能，可以通過左右鄰架對支架進行動作的單獨控制，可以實現動作組合的單鍵控制。系統具有隔架控制功能，最多可以控制相隔5架的支架動作等基本功能。同時具備自動跟機控制、支架遠程控制、液壓支架姿態控制、初撐力自動補償等高級功能。

2.3.2 電液控制系統組成

液壓支架電液控制系統由以下幾個子系統組成：工作面電控系統、順槽監控系統、地面監控系統、順槽過濾系統。電液控制系統整體架構圖如圖4所示。

2.4 液壓系統的改造

2.4.1 系統介紹

采用SAP型集成供液系統，SAP型智能集成供液系統不僅具備自動補液、乳化液自動配比、乳化液濃度在線檢測、系統運行信息檢測與上傳等功能集成于一體，采用本質安全型泵站控制器、傳感器等產品，實現多泵站單控、集控和智能聯動控制，實現集中分布式控制，既可以遠程啟停泵站，又可以就地控制泵站，實現泵站的空載啟?？刂坪秃銐汗┮嚎刂?。

2.4.2 智能集成供液系統改造

考慮未來工作面未來電液控自動化控制使用，目前兩臺乳化液泵不能滿足工作面用液需求，應將工作面泵站數量增加到3臺，且對泵站進行改造，安裝泵站潤滑油油溫、油位、泵站出口壓力等傳感器，用于采集潤滑油溫度、液位、水位等傳感器數據。實現主要設備的狀態檢測、預警與保護功能（如圖5所示）。

3 配套系統的驗證

3.1 供電系統的驗證

3.1.1 變壓器的選型

目前整個礦總負荷為7 600 kW，技術改造后負荷增加200 kW，總負荷為7 800 kW，經計算S=0.75×P/0.93，S=6 290 kVA，正常生產時變壓器的容量要在6 290 kVA以上。而東懷煤礦現在使用的兩臺主變壓器，一臺為8 000 kVA，另一臺為6 300 kVA，按照一臺在用，另一臺備用的原則，主變壓器均滿足礦井正常生產需求。

3.1.2 電纜的選型

二水平供電線路：地面變電所—二水平中央變電所—25D02、25D05配電點。

電纜的大小：兩趟地面到二水平的電纜為120 mm2，兩趟二水平變電所到25D02、25D05配電點的電纜為70 mm2。綜采工作面技術改造后，電源直接從二水平變電所供給。經計算，地面變電所到二水平變電所120 mm2電纜滿足二水平增量要求。

3.1.3 按長時負荷電流選擇電纜截面

增加工作面后，二水平總額定負荷為2 400 kW。

長時負荷電流計算方法如下：

Ie=■=■=330 A（1）

公式（1）中，∑Px為供電線路上所有設備的額定功率之和（kW）;Ue為額定電壓，取6 000 V;cosφ為平均功率因數，取0.7。

根據計算得電纜的長時負荷（按滿負荷計算）工作電流為Ie=330 A，查電纜截面載流量對照表，二水平電源電纜銅芯MYJV22-3×120在30 ℃環境下載流量達到357 A，因此單趟電源滿足二水平增量后的生產需求，二水平變電所兩趟電源分列運行可滿足整個二水平技改后的生產需求。

3.2 運輸系統的驗證

主要驗證二水平進行技術改造后產量增加到90萬t，經驗算（略），二水平的2、3、4、6、7號皮帶機的長度都比5號皮帶機短且皮帶機的速度、輸送量、帶寬與5號皮帶機一樣，巷道的坡度都差不多，所有二水平皮帶系統能滿足二水平90萬t生產提升運力要求。

4 技術改造取得的成果

4.1 改造后人員及產量情況

通過改造升級后，綜采二中隊可從目前的80人減少到50人，減少30人。可減少的工種分別有移架工、皮帶機司機、液壓泵站司機、轉載機司機等，人員減少詳細情況如下表。二水平皮帶中隊可從目前20人，減少到10人。整個二水平作業人員共計可減少40人。綜采自動化實施前后人員使用情況對比見表1。

經過改造升級，并優化采煤工藝，5D03工作面產量預計可從60萬t/年，提高到80萬t/年。

4.2 投入產出經濟效益分析

4.2.1 自動化改造預期效果

通過綜采工作面自動化系統應用，使各設備打破以往單機作業模式，實現整個工作面協調運行，形成一個完整的出煤系統。設備間的協調控制功能將有效地提升工作面煤機裝備運行效率，實現工作面快速、高效推進，從而能提升工作面生產效率。提高成套裝備配套水平后，預計可提高工作面生產效率10%～30%，產量預計可達80萬t/年。

4.2.2 安全和社會效益分析

工作面實現自動化后通過自動化開采技術應用，實現工作面設備自動化運行，從而使勞動人員從復雜、危險的工作面采場解放出來，實現人員安全保障;同時，綜采自動化系統各設備之間協調運行，實現設備安全可靠運行。主要的安全、經濟效益有以下幾點：①安全可靠性提高。大幅度降低工作面工人勞動強度，采煤工作面生產時，采煤司機通過地面或順槽遠程控制，工作面只有1～2人進行巡檢，實現少人作業。②綜采自動化系統內各設備按編制好的程序、步驟自動控制、協調操作，大大減少各工種人員自身的不安全行為導致的安全問題。③液壓系統具備性能可靠的保護系統，在液壓管爆裂等危險情況下，能夠迅速自動停泵，確保井下設備和操作人員安全。④將原來工作面純手動操作的生產方式轉變成自動、集中、遠程的控制模式，提升裝備整體智能化水平，順應煤礦開采的發展趨勢，在集團乃至廣西區內具有示范作用。

5 結論及意義

在上級有關部門的大力支持及指導下，東懷煤礦各項自動化改造工作按照計劃、方案有條不紊地開展，將綜采工作面的采煤機、液壓支架、液壓泵站等系統、設備進行技術引進、改造，最后實現采煤工作面自動化的目標。至2017年5月，東懷煤礦完成礦井首個自動化采煤工作面的安裝，并進行試運轉，工作面實現自動化推采。2017年7月，25D03自動化綜采工作面通過煤業驗收，2017年8月24日通過集團公司驗收小組驗收。

自動化采面驗收的通過，預示著東懷煤礦綜采工作面自動化改造取得成功，不僅開創集團公司自動化采煤技術的先河，也為集團公司下屬各礦推廣使用先進技術、設備奠定基礎，對集團公司的發展起到推動作用。同時，也為西南片區中小型煤礦的高效、安全生產提供參考及借鑒，是一次對中小型煤礦開采的偉大變革。

參 考 文 獻

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