大采高智能化綜采工作面的應(yīng)用與研究

許隨利 秦志強(qiáng)

（焦作煤業(yè)（集團(tuán)）新鄉(xiāng)能源有限公司，河南 焦作454100）

隨著煤礦自動(dòng)化技術(shù)的迅速發(fā)展，綜采工作面采煤機(jī)、液壓支架及運(yùn)輸設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，新技術(shù)的成功應(yīng)用大幅降低了職工的勞動(dòng)強(qiáng)度，但綜采工作面存在地質(zhì)條件復(fù)雜、煤層賦存變化大等特點(diǎn)，智能化生產(chǎn)期間仍需人工干預(yù)。河南能源焦煤公司趙固二礦14030 一次采全高工作面是河南省首個(gè)在井下完成整套綜采設(shè)備智能化升級(jí)改造的工作面, 為焦煤公司綜采工作面智能化開采技術(shù)的推廣應(yīng)用提供借鑒。

1 智能化綜采工作面基本情況

14030 工作面位于四盤區(qū)中部。該工作面東側(cè)為14021 工作面采空區(qū)，南鄰F18 斷層，西側(cè)為未開采區(qū)域，北鄰西軌道底抽巷等三條大巷。14030 工作面上順槽長度2109.5m，下順槽長度2284.4m，切眼傾斜長度201m。14030 工作面采用走向長壁后退式采煤方法、一次采全高綜合機(jī)械化采煤工藝，沿煤層頂板回采，采高4.5～6.1m（基巖厚度為42～52m 區(qū)域限制最大采高4.5m），基巖厚度大于52m 區(qū)域最大采高6.1m，一個(gè)循環(huán)推進(jìn)度800mm；液壓支架支護(hù)頂板，采用全部垮落法處理采空區(qū)。

2 智能化綜采工作面設(shè)備配套情況

采煤機(jī)：西安煤礦機(jī)械有限公司生產(chǎn)的MG900/2320-GWD型采煤機(jī)。具備姿態(tài)定位、數(shù)據(jù)上傳、自動(dòng)化接口、采煤機(jī)精確定位、工作面設(shè)備自動(dòng)調(diào)直等功能；能在設(shè)備列車處進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，能實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳，通過CAN 總線向第三方傳輸數(shù)據(jù)，滿足接入礦井智慧管控平臺(tái)要求。

刮板輸送機(jī)：寧夏天地重型裝備科技有限公司生產(chǎn)的SGZ1200/2000 型中雙鏈刮板輸送機(jī)。采用變頻方式控制，可實(shí)現(xiàn)變頻啟動(dòng)、定頻運(yùn)行。設(shè)備健康管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)常見故障診斷及健康狀態(tài)分析，提供故障解決方案及設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)建議。

液壓支架：鄭州煤礦機(jī)械集團(tuán)股份有限公司生產(chǎn)的ZY18000/30/65D 型液壓支架。具備鄰架控制、成組控制、急停閉鎖、工作面壓力檢測(cè)、自動(dòng)補(bǔ)壓、跟機(jī)自動(dòng)移架、跟機(jī)噴霧、數(shù)據(jù)上傳等功能。

3 智能化綜采工作面設(shè)備通訊控制系統(tǒng)

3.1 采煤機(jī)電控系統(tǒng)。MG900/2320-GWD 型采煤機(jī)使用上順槽設(shè)備列車集控中心配套的遠(yuǎn)程控制箱控制，通過CAN 總線將遠(yuǎn)程控制箱與工作面采煤機(jī)相連接，通過控制箱對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制操作，包括對(duì)煤機(jī)牽引方向、牽引速度、搖臂高度進(jìn)行控制，對(duì)截割電機(jī)電流、牽引電機(jī)電流、油泵電機(jī)電流、搖臂高度等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；同時(shí)采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制箱與鄭煤機(jī)集控中心通過CAN 通訊線進(jìn)行連接，集控中心通過各類傳感器對(duì)工作面采煤機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和收集。

3.2 液壓支架控制器。大采高工作面支架配套鄭州煤機(jī)液壓電控有限公司生產(chǎn)的ZE0704 型電液控系統(tǒng)，每架支架安裝有立柱壓力傳感器、推移行程傳感器、4 個(gè)傾角傳感器、紅外接收器、電控先導(dǎo)閥；支架與支架之間使用控制線串聯(lián)，每隔4架安裝一個(gè)隔離耦合器和電源箱，每隔6 架安裝一交換機(jī)和云臺(tái)攝像頭。通過工作面端頭架處的交換機(jī)，將工作面每架支架的動(dòng)作與狀態(tài)數(shù)據(jù)信息及實(shí)時(shí)視頻信息傳輸?shù)缴享槻墼O(shè)備列車集控中心，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制。

3.3 采煤機(jī)自動(dòng)跟機(jī)視頻監(jiān)視裝置。智能化工作面安裝南京北路自動(dòng)化系統(tǒng)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，每6架安裝1 個(gè)云臺(tái)攝像儀、膠帶運(yùn)輸機(jī)機(jī)頭、轉(zhuǎn)載機(jī)、設(shè)備列車集控中心及乳化液保障系統(tǒng)等固定地點(diǎn)，共安裝26 個(gè)云臺(tái)攝像儀，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)采煤機(jī)等設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和生產(chǎn)情況。

3.4 順槽帶式輸送機(jī)與工作面通訊網(wǎng)絡(luò)。順槽帶式輸送機(jī)和工作面設(shè)備集控均使用天津華寧KTC101 通訊控制系統(tǒng)，工作面每6 架安裝1 部KTC101-1 型擴(kuò)播電話，轉(zhuǎn)載機(jī)和刮板運(yùn)輸機(jī)機(jī)頭各安裝1 部KTC101-1-IC 型啟停電話，共21 部；帶式輸送機(jī)每 100 m 安裝1 部KTC101-2 型擴(kuò)播電話，共16部。每部電話之間通過七芯通訊拉力相互串聯(lián)，可實(shí)現(xiàn)工作面通話、預(yù)警、打點(diǎn)、急停功能。

4 智能化綜采工作面實(shí)現(xiàn)的主要功能

4.1 液壓支架自動(dòng)跟機(jī)[2]。液壓支架全部配套ZE0704 型電液控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)通過CAN 總線通訊，以ZE0704 型電液控制系統(tǒng)為核心，根據(jù)采煤機(jī)紅外線位置監(jiān)測(cè)、自動(dòng)根據(jù)視頻監(jiān)測(cè)、各類傳感器等，工作面液壓支架跟隨采煤機(jī)割煤自動(dòng)執(zhí)行收護(hù)幫板、推溜、降移聲、補(bǔ)壓和噴霧等環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)液壓支架自動(dòng)跟機(jī)作業(yè)。以14030 工作面為例，自動(dòng)跟機(jī)參數(shù)設(shè)置如下：以14030 工作面為例，自動(dòng)跟機(jī)參數(shù)設(shè)置如下：跟機(jī)移架距離7架，跟機(jī)收護(hù)幫距離5 架，移架區(qū)域3 架，間隔1 架，推溜距離13 架，收/伸縮梁6 架，推溜范圍10 架，伸縮梁1 架，跟機(jī)伸護(hù)幫在自動(dòng)移架過程中聯(lián)動(dòng)。

4.2 采煤機(jī)自動(dòng)記憶截割。采煤機(jī)自動(dòng)記憶截割技術(shù)是人工就地操作自動(dòng)化采煤機(jī)進(jìn)行示范刀的學(xué)習(xí)、記憶,實(shí)現(xiàn)在下個(gè)循環(huán)自動(dòng)割煤。采煤機(jī)控制系統(tǒng)通過位移型調(diào)高油缸,實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面采高自主定位，通過軸編碼器實(shí)現(xiàn)工作面位置自主定位[1]。根據(jù)采煤機(jī)自動(dòng)跟機(jī)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控人員能夠?qū)崟r(shí)掌握煤層變化情況、滾筒截割情況、支架狀態(tài)等，若出現(xiàn)工作面頂板破碎、片幫嚴(yán)重時(shí)，可對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程干預(yù)，及時(shí)調(diào)整工作面工程質(zhì)量，保證工作面正常生產(chǎn)。

4.3 集控中心控制功能。實(shí)現(xiàn)綜采設(shè)備（液壓支架、采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、電氣開關(guān)、泵站）數(shù)據(jù)的集成及遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、顯示;具備對(duì)綜采工作面設(shè)備按照煤流順序“一鍵”啟停功能,具備單設(shè)備遠(yuǎn)程啟停功能和工作面設(shè)備的集中控制功能;實(shí)現(xiàn)集控中心操作臺(tái)對(duì)采煤機(jī)、液壓支架、泵站系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制功能;實(shí)現(xiàn)對(duì)綜采設(shè)備數(shù)據(jù)集成、處理、故障診斷等功能。

4.4 視頻監(jiān)測(cè)和語音通訊功能。在工作面及重要固定地點(diǎn)加裝360 度云臺(tái)攝像儀，實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)綜采作業(yè)區(qū)設(shè)備的全程實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控、視頻信息共享。順槽帶式輸送機(jī)和工作面安裝KTC101 型通訊系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了全線通訊暢通，方便人員實(shí)時(shí)對(duì)講聯(lián)系。

4.5 采場(chǎng)礦壓大數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與來壓預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)。通過對(duì)礦壓大數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)、過濾、診斷，挖掘出數(shù)據(jù)背后隱藏的信息，為工作面安全生產(chǎn)保駕護(hù)航。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析巖層賦存、支架壓力、推進(jìn)速度等信息，判斷當(dāng)前頂板是否來壓，預(yù)測(cè)頂板何時(shí)來壓，并及時(shí)發(fā)布預(yù)警信息。根據(jù)預(yù)警信息，礦井超前制定支護(hù)方案并及時(shí)優(yōu)化生產(chǎn)組織，保證頂板來壓期間的安全生產(chǎn)。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)初撐力達(dá)標(biāo)率、安全閥開啟率、支架阻力富余量、頂板破碎度等指標(biāo)，為班組考核、精準(zhǔn)干預(yù)等提供輔助決策。對(duì)支架各種壓力指標(biāo)的大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，為支架在阻力合理性、架型合理性以及可靠性方面提供定量化分析，為我們后續(xù)設(shè)備選型提供更加科學(xué)、客觀的決策依據(jù)。

5 智能化綜采工作面運(yùn)行存在問題與解決方案

5.1 工作面自動(dòng)跟機(jī)移架過程中，頂板、煤壁條件較好時(shí)，可收回伸縮梁，條件不好時(shí)，伸縮梁收回可能造成冒頂。目前程序固定，只能選擇開啟或關(guān)閉，不能智能化調(diào)整。與鄭煤機(jī)結(jié)合，可以通過在伸縮梁油缸加位移和壓力傳感器方法來判斷是否需要伸縮梁動(dòng)作。

5.2 工作面自動(dòng)跟機(jī)移架過程中，頂板破碎時(shí)自動(dòng)升架（按時(shí)間控制）可能造成支架錯(cuò)差超標(biāo)，甚至導(dǎo)致支架倒架。考慮合理利用每臺(tái)支架的傾角傳感器數(shù)據(jù)，合理調(diào)整支架姿態(tài)防止鄰架錯(cuò)差。目前正在進(jìn)行系統(tǒng)軟件研發(fā)升級(jí)，升級(jí)完成后持續(xù)跟進(jìn)使用效果。

5.3 工作面集控中心集成采煤機(jī)、液壓支架電控、工作面視頻監(jiān)控、工作面語音通信與設(shè)備控制數(shù)據(jù)，不是同一廠家，采用通訊協(xié)議與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)不同，系統(tǒng)比較復(fù)雜，前期調(diào)試工作量大，后期不便于維護(hù)。建立專業(yè)化維保隊(duì)伍，服務(wù)礦井智能化建設(shè)。

6 結(jié)論

通過對(duì)河南能源焦煤公司首個(gè)大采高智能化綜采工作面建設(shè)情況、系統(tǒng)裝備及實(shí)現(xiàn)的主要功能的介紹，說明了整個(gè)智能化工作面各系統(tǒng)的相互配合關(guān)系，同時(shí)對(duì)智能化工作面實(shí)際運(yùn)行中存在的問題提出了解決方案。通過智能化綜采工作面建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)期間作業(yè)區(qū)域由原來28 人減至9 人，達(dá)到了“智能化減人”的效果，提高了礦井智能化管理水平，確保了礦井安全生產(chǎn)，同時(shí)降低了職工勞動(dòng)強(qiáng)度、改善了作業(yè)環(huán)境。