煤礦智能化異構(gòu)集成開采系統(tǒng)研究

趙德雄

（中天合創(chuàng)能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017020）

智能化開采對提高我國煤礦井下生產(chǎn)的安全性有重大意義，受到國家高度重視。門克慶煤礦的煤層具有強(qiáng)沖擊傾向性、水文條件差、工作面環(huán)境惡劣、工作面人員勞動(dòng)強(qiáng)度大等問題，從“無人則安”的理念出發(fā)，以安全高效、綠色智能化開采及智慧礦山建設(shè)為目標(biāo)，研制具有“中煤模式”的綜采工作面智能化控制成套設(shè)備與技術(shù)。

1 工作面概況

門克慶煤礦位于鄂爾多斯地區(qū)，埋深達(dá)到600m以上。其3108工作面區(qū)域總體為一向西傾斜的單斜構(gòu)造，傾向270°左右，并在工作面內(nèi)發(fā)育次一級的波狀起伏，其波峰、波谷寬緩。煤層厚度為4.25～5.53m，平均煤厚約為4.80m。在頂板水疏放后正常涌水量850m3/h，最大涌水量為1275m3/h。同時(shí)礦井存在明顯沖擊地壓現(xiàn)象，沖擊地壓大，帶來礦井生產(chǎn)安全保障要求高。而要提高礦井生產(chǎn)的安全性，必須提高成套裝備的智能化水平，監(jiān)測各設(shè)備及礦井開采情況，減少井下工作面操作人員數(shù)量。

2 工作面系統(tǒng)智能集成簡介

工作面系統(tǒng)智能集成是指綜采工作面的信息化、數(shù)字化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在順槽主控計(jì)算機(jī)和地面調(diào)度指揮中心對綜采工作面設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控以及各種數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示等。本智能化開采系統(tǒng)分為地面和井下兩部分，其中地面主要是顯示和監(jiān)測功能，井下是智能化系統(tǒng)的核心，分為各設(shè)備的自動(dòng)化系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸和交互系統(tǒng)以及智能化開采平臺。各設(shè)備的自動(dòng)化系統(tǒng)通過工作面有線、無線數(shù)據(jù)傳輸平臺與智能化開采平臺進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，智能化開采平臺對各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、工況參數(shù)以及煤層地質(zhì)條件、開采工藝等進(jìn)行綜合評判，遠(yuǎn)程對各設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化控制，實(shí)現(xiàn)各設(shè)備之間的協(xié)同動(dòng)作和遠(yuǎn)程監(jiān)控。如圖1所示。

圖1 工作面智能化開采系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 智能化開采系統(tǒng)構(gòu)成

3.1 液壓支架系統(tǒng)

門慶克煤礦支架電液系統(tǒng)采用德國DRD公司支架電液控制系統(tǒng)，其采用16功能電磁閥驅(qū)動(dòng)17個(gè)出口動(dòng)作功能的主控閥，能夠進(jìn)行簡單的跟機(jī)拉架、推溜和成組動(dòng)作等功能，但不能與工作面采煤機(jī)實(shí)現(xiàn)聯(lián)合動(dòng)作，不能將液壓支架監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸給智能開采平臺。因此需要通過對其技術(shù)升級，實(shí)現(xiàn)能夠通過工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，將支架電液控制系統(tǒng)監(jiān)測到的狀態(tài)數(shù)據(jù)和工況數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)街悄芸刂破脚_處，并能夠在智能化控制平臺處實(shí)現(xiàn)對工作面支架的相關(guān)動(dòng)作進(jìn)行遠(yuǎn)程自動(dòng)控制和手動(dòng)控制。

系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸和交互是實(shí)現(xiàn)其他智能化開采功能的基礎(chǔ)和保障。由于支架電液控制器的數(shù)量多，分布距離較長，傳輸數(shù)據(jù)量較大，因此在與支架電液控制器之間通訊時(shí)應(yīng)充分考慮核心通訊內(nèi)容和次要通訊內(nèi)容。所以在智能控制平臺與支架電液控制系統(tǒng)的順槽控制臺之間采用modbus/485和modbus/TCP兩種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以保證通訊的穩(wěn)定性和可靠性。

此智能化開采平臺主要對護(hù)幫的姿態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，通過伸縮梁與護(hù)幫聯(lián)動(dòng)的方式，實(shí)現(xiàn)通過護(hù)幫的動(dòng)作監(jiān)測來同時(shí)反應(yīng)伸縮梁的動(dòng)作狀態(tài)，同時(shí)借助立柱的壓力值和推移行程傳感器來初步判斷支架的姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)對支架姿態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，配合其他設(shè)備更好地實(shí)現(xiàn)智能化開采。

支架電液控制系統(tǒng)應(yīng)能夠進(jìn)行手動(dòng)開采和自動(dòng)開采兩種方式。當(dāng)采煤機(jī)在任意位置、任意工藝段時(shí)，支架電液系統(tǒng)都能夠開啟自動(dòng)化開采模式。與采煤機(jī)進(jìn)行配合，進(jìn)行不同工藝段的自動(dòng)開采，同時(shí)與智能控制平臺實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互，接受智能控制平臺的動(dòng)作指令和保護(hù)指令，實(shí)現(xiàn)整體協(xié)同作業(yè)，智能開采。支架安裝如圖2。

圖2 支架安裝傳感器圖

3.2 輸送機(jī)控制系統(tǒng)

輸送機(jī)控制系統(tǒng)在原有的系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行改造、升級，以實(shí)現(xiàn)智能化開采的目標(biāo)。原有系統(tǒng)配置包括刮板輸送機(jī)變頻器、轉(zhuǎn)載機(jī)變頻器、破碎機(jī)組合開關(guān)、語音通訊集控裝置及各個(gè)驅(qū)動(dòng)部的工況監(jiān)測裝置。通過智能驅(qū)動(dòng)、自動(dòng)潤滑、皮帶自移機(jī)尾電液控制等智能化功能，對設(shè)備的使用和維護(hù)方面帶來極大的便利，更有利于延長設(shè)備的使用壽命，提升設(shè)備性能，如圖3。

圖3 原有配置情況

3.3 采煤機(jī)系統(tǒng)

門克慶煤礦原有的采煤機(jī)為艾柯夫SL900型采煤機(jī)，在保留原有傳感器的基礎(chǔ)上，對采煤機(jī)的電控系統(tǒng)進(jìn)行改造，使采煤機(jī)支持精確定位和遠(yuǎn)程控制功能。智能控制平臺與采煤機(jī)系統(tǒng)之間采用單模光纜和通訊電纜兩種方式連接，兩種通訊方式為冗余設(shè)計(jì)，采煤機(jī)與智能控制平臺之間的通訊電纜采用采煤機(jī)動(dòng)力線纜中的一對雙絞線。如圖4所示。

圖4 采煤機(jī)系統(tǒng)與智能控制平臺的連接

3.4 視頻系統(tǒng)

門克慶煤礦開采工作面開采環(huán)境復(fù)雜，開采過程中能見度條件差、濕度大、設(shè)備多且品種雜等，導(dǎo)致視頻采集、通信、控制等均受到不同程度的阻礙，因此需要研究一套視頻系統(tǒng)，以保證數(shù)據(jù)的高清可見性、實(shí)時(shí)性、可靠性、通用性以及方便維護(hù)等方面技術(shù)要求。

3.5 供電供液系統(tǒng)

供電系統(tǒng)主要包括變頻器、組合開關(guān)和移動(dòng)變電站，都為礦方原有設(shè)備。供電設(shè)備主要是實(shí)現(xiàn)對變頻器、組合開關(guān)及移動(dòng)變電站的監(jiān)測功能，智能化控制平臺主要是通過modbus/485的方式與各個(gè)設(shè)備之間的通訊，實(shí)現(xiàn)對各個(gè)設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測和控制。中天合創(chuàng)泵站采用雷波泵站，雷波泵站本身具有較完整的控制和監(jiān)測系統(tǒng)，此項(xiàng)目僅是增加智能化開采平臺與雷波泵站之間的通訊功能，將泵站的控制和監(jiān)測系統(tǒng)移植到智能化開采平臺中來。

3.6 皮帶監(jiān)測系統(tǒng)

皮帶機(jī)主要是實(shí)現(xiàn)對順槽皮帶機(jī)進(jìn)行監(jiān)測，將礦方現(xiàn)有的皮帶機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)接入到智能開采平臺中。集中控制系統(tǒng)與皮帶監(jiān)控系統(tǒng)的主機(jī)之間采用AB公司的Ethernet IP的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。集中控制系統(tǒng)為主站，皮帶機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)為從站。

3.7 智能控制平臺

智能控制平臺作為自動(dòng)化開采系統(tǒng)的核心組成部分，是整個(gè)自動(dòng)化開采系統(tǒng)的“大腦”，通過工業(yè)以太網(wǎng)的通訊方式模塊接入井下數(shù)據(jù)環(huán)網(wǎng)中，按照不同的采煤工藝要求，協(xié)調(diào)指揮其他相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的自動(dòng)化動(dòng)作。其主要的功能包括對各個(gè)子系統(tǒng)的監(jiān)測、通訊、控制、保護(hù)、數(shù)據(jù)存儲等。

3.8 移動(dòng)APP

移動(dòng)APP的研發(fā)主要是為了通過遠(yuǎn)程移動(dòng)終端門對門克慶煤礦3108智能工作面進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)不同角色管理人員能夠?qū)Σ煌男畔⑦M(jìn)行移動(dòng)端的實(shí)時(shí)查看，便于了解井下實(shí)際的生產(chǎn)管理和設(shè)備運(yùn)行情況。

移動(dòng)APP可以對用戶權(quán)限進(jìn)行管理，用戶個(gè)人設(shè)置，以及登錄應(yīng)用相關(guān)操作。包括登錄、綁定手機(jī)、修改密碼、忘記密碼、偏好設(shè)置等用戶相關(guān)功能。智能開采APP的用戶都是由后臺管理員分配的，不提供用戶自行注冊的方式。其安全監(jiān)控功能根據(jù)中煤集團(tuán)綜合調(diào)度管理信息系統(tǒng)安全監(jiān)測聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)對煤礦的生產(chǎn)安全的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，主要監(jiān)控指標(biāo)包括：低濃度甲烷、高低濃度甲烷、一氧化碳、風(fēng)速、溫度、風(fēng)壓、風(fēng)量、瓦斯涌出量、負(fù)壓、粉塵、煤倉煤位、電壓、電流、電功率、電度、二氧化碳、氧氣等模擬量以及供電開停、局扇開停、主扇開停、饋電開停、風(fēng)門開關(guān)、風(fēng)筒有無、煙霧有無、供電斷電控制器、風(fēng)機(jī)閉鎖、二級斷電等開關(guān)量。

4 結(jié)語

通過對蒙陜地區(qū)深部煤層礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的研究，優(yōu)化采煤工藝，集成了礦壓和設(shè)備姿態(tài)監(jiān)測控制系統(tǒng)，開發(fā)了防沖智能化開采平臺，將礦山壓力監(jiān)測與工作面開采融為一體，構(gòu)建了煤層具有強(qiáng)沖擊傾向性大采高工作面智能化開采體系，實(shí)現(xiàn)了蒙陜地區(qū)深部煤層大采高工作面的安全高效開采。智能化開采平臺采用模塊化結(jié)構(gòu)，融合和處理海量多維、異構(gòu)、大數(shù)據(jù)，將工作面液壓支架、采煤機(jī)、輸送機(jī)、供電供液系統(tǒng)、礦壓監(jiān)測等設(shè)備和系統(tǒng)無縫連接，實(shí)現(xiàn)了工作面全過程智能化開采，中部智能化開采速度最大達(dá)到15m/min，創(chuàng)造國內(nèi)最大的智能化開采平臺。