煤礦綜采工作面智能化控制技術應用

高洪強 王楊 卜興昌

摘 要：近年來隨著綜采智能化開采技術在國內(nèi)各大煤炭集團的推廣應用，其在國內(nèi)采煤條件下趨于成熟。同時推進煤礦機械化、自動化、信息化和自動化的“四化”水平也是推進煤礦工業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的根本出路。煤礦綜采工作面采煤工藝環(huán)節(jié)復雜、設備數(shù)量多，設備之間相互制約、相互協(xié)調(diào)， 任何一個設備都無法脫離其他設備獨立完成任務，同時這些設備的動作還受地質(zhì)條件、環(huán)境條件的制約。因此需要通過為這些設備配套“聰明的大腦”（集控中心），實現(xiàn)對工作面各個采煤部件的統(tǒng)一管控。自動化項目通過構建由一個核心控制系統(tǒng)、一個平臺、各子系統(tǒng)組成的智能化控制系統(tǒng)實現(xiàn)協(xié)調(diào)聯(lián)動控制，完成工作面生產(chǎn)過程自動化控制，提高生產(chǎn)效率，通過地面分控中心將數(shù)據(jù)融合到基于物聯(lián)網(wǎng)技術的綜采設備智能化管理系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)共享、遠程管理和深度利用。

關鍵詞：綜采智能化;自動化控制;各子系統(tǒng);數(shù)據(jù)共享

中圖分類號：TD823.97 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）09-0162-02

0 引言

隨著國家“機械化換人、自動化減人”的科技強安專項行動通知的發(fā)布，推進煤礦機械化、自動化、信息化和自動化的“四化”水平是提高煤礦本質(zhì)安全水平，促進煤礦安全發(fā)展的必由之路，也是推進煤礦工業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的根本出路。煤礦加強與裝備提供商的戰(zhàn)略合作，積極引進和共同研發(fā)采煤新技術、新工藝、新裝備，是煤礦安全可靠的生產(chǎn)提供技術支撐[1]。

1 工作面回采工藝闡述

1.1工作面回采工藝概念

工作面回采工藝分為：落煤、裝煤、運煤、支護以及處理采空區(qū)。

落煤：利用采煤機割煤，端部斜切進刀，左滾筒割頂煤，右滾筒割底煤，采用單向割煤，往返一次割一刀。

裝煤：利用采煤機配合刮板運輸機進行裝煤。下行割煤時，采煤機滾筒通過螺旋葉片將煤裝入工作面刮板輸送機內(nèi)。上行空刀清理浮煤時，采煤機滾筒將下行割煤時未完全裝凈的煤裝入刮板輸送機內(nèi)。推移刮板輸送機時，通過鏟煤板將底板浮煤裝入刮板輸送機內(nèi)。

運煤：利用刮板運輸機、轉(zhuǎn)載機、膠帶輸送機等聯(lián)合進行運煤。

支護：使用排頭架、掩護式液壓支架、過渡支架聯(lián)合管理工作面頂板。

處理采空區(qū)：采用全部跨落法處理采空區(qū)。

1.2回采工藝流程

具體流程為：采煤機上端頭斜切進刀→正常下行割煤→移架→采煤機返機上行清浮煤→推刮板輸送機→采煤機上端頭斜切進刀→進入下一循環(huán)。

1.2.1采煤機進刀

工作面采用上端頭斜切進刀自開缺口方式，具體操作如下：

采煤機上行空刀返機清理浮煤，滯后采煤機依次推移刮板輸送機。

采煤機返機至上部刮板機彎曲段，采煤機右滾筒升高割頂煤，左滾筒割底煤，開始斜切進刀，采煤機達到正常截割深度后進刀完畢。推移刮板輸送機至平直狀態(tài)，同時采煤機繼續(xù)上行割透煤壁。

采煤機割透煤壁后，將右滾筒降下割底煤，反向?qū)⒉擅簷C機身部底煤割盡。

采煤機割完三角煤后，將左滾筒升高割頂煤，右滾筒割底煤，進入正常割煤狀態(tài)。

1.2.2下行割煤

采煤機下行割煤，左滾筒（本規(guī)程為人面向煤壁）割頂煤，右滾筒割底煤，超前左滾筒2～3架收護幫板，并滯后采煤機左滾筒1架將支架伸縮梁伸出維護頂板，滯后采煤機右滾筒3架開始順序拉移支架支護頂板及煤壁，采煤機下行至工作面刮板機頭割透煤壁，將左滾筒降下割底煤，反向?qū)⒉擅簷C機身部底煤割盡，空刀上返清理浮煤，返機至上部刮板機彎曲段采煤機斜切進刀，斜切進刀完之后采煤機下行開始下一個循環(huán)割煤[2]。

2 回采自動化系統(tǒng)總體方案設計

2.1系統(tǒng)設計原則

系統(tǒng)主要按照以下幾個原則進行總體設計：

實用性——充分利用成熟的先進技術，避免盲目追求最新技術，同時又要防止系統(tǒng)處理能力不夠。

可靠性——系統(tǒng)建設盡量采用標準化優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

經(jīng)濟性——在充分滿足系統(tǒng)運行技術與性能要求的前提下，盡量采用性能價格比高的產(chǎn)品與技術。

2.2總體設計目標

針對設計單位煤礦綜采工作面煤層賦存特點，從通訊系統(tǒng)、自動控制、協(xié)同運行方式、高效采煤工藝等多個方面進行綜合性考慮設計方案。實現(xiàn)工作面高效自動化連續(xù)開采。實現(xiàn)減員增安高效生產(chǎn)。

2.3設計系統(tǒng)功能

智能化制動控制系統(tǒng)中，通常應該包含以下幾個重要的系統(tǒng)功能，分別簡要闡述如下：

2.3.1綜采工作面自動化集控功能

實現(xiàn)在順槽監(jiān)控中心對綜采工作面各大主要系統(tǒng)在順槽實現(xiàn)遠程控制、工作狀態(tài)遠程監(jiān)控、故障報警、記錄故障。

（1）具備一鍵啟停自動化割煤功能。

（2）具有在順槽監(jiān)控中心對工作面設備的監(jiān)測及集中控制功能。

2.3.2綜采工作面視頻監(jiān)控功能

（1）實現(xiàn)對安裝傳感器無法完成的設備狀態(tài)進行可視化監(jiān)視。

（2）實現(xiàn)工作面的可視化管理。通過在刮板運輸機機頭機尾安裝超級除塵攝像儀、在液壓支架上安裝隔爆兼本安攝像儀、在采煤機上安裝超級除塵攝像儀，實現(xiàn)采煤工藝實時監(jiān)控。

2.3.3綜采工作面采煤機集中控制功能，與采煤機實現(xiàn)通訊

（1）能夠監(jiān)測采煤機的運行狀態(tài)、牽引方向、采高、牽引速度、各電機電流、溫度，各變頻器的電流等各項重要數(shù)據(jù)。

（2）通過監(jiān)測采煤機的傾角和搖臂擺角的大小，計算采煤機的運行姿態(tài)，作為采煤機采高控制的依據(jù)。

（3）通過與采煤機進行無線通信，實現(xiàn)在順槽監(jiān)控中心對采煤機遠程控制[3]。

2.3.4采煤工藝自動化管控功能

（1）采煤機的操控方式根據(jù)控制權限由高到低，采用跟機就地操作、遙控操作和遠程控制以及記憶截割控制模式。

（2）建立采煤機運行工況數(shù)據(jù)監(jiān)測報警、預警體系。

（3）建立采煤機自動化控制策略和保護策略。

2.3.5綜采工作面液壓支架電液控集中控制功能

（1）可遠程對單臺支架實現(xiàn)降—移—升實現(xiàn)控制。

（2）可遠程對液壓支架進行成組自動控制。

2.3.6綜采工作面運輸破碎系統(tǒng)自動化集中控制功能

（1）通過在工作面前刮板機電機、后部刮板機、破碎機、轉(zhuǎn)載機配套無線傳感器，實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)采集。如：高速軸軸溫、低速軸軸溫、繞組溫度、冷卻水壓力、冷卻水溫度、油溫、油位。

（2）通過在工作面配套4G無線系統(tǒng)，實現(xiàn)工作面數(shù)據(jù)無線上傳：電機及減速器傳感器數(shù)據(jù)、自動張緊控制、視頻圖像。

3 各子系統(tǒng)實現(xiàn)、系統(tǒng)配置及關鍵技術

3.1綜采工作面自動化順槽集中控制系統(tǒng)

綜采面自動化集中控制系統(tǒng)是綜采工作面自動化采煤的核心，而集中控制系統(tǒng)則是這臺大型采煤機器人的大腦，是操作人員的人機接口與監(jiān)控平臺，通過建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳輸接口和通訊規(guī)約，滿足生產(chǎn)工藝監(jiān)控要求。

對工作面設備的遠程單機控制，被控設備包括：采煤機、支架（包括端頭架、過渡架、中間架）、刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機、破碎機、自移機尾、負荷中心、泵站。

3.2綜采工作面采煤機自動化集中控制系統(tǒng)

采煤機集中控制系統(tǒng)由采煤機控制臺、視頻監(jiān)控、上位機控制系統(tǒng)組成;配置一臺高性能PLC，通過配套相關邏輯程序、采集變量，根據(jù)不同控制模式由控制軟件與操作人員協(xié)調(diào)配合完成采煤機自動化控制。

采煤機采煤機自動化集中控制系統(tǒng)按照控制權限和功能分為三級控制：

第一級為：本地跟機操作，采用遙控器或采用機身開關操作在采煤機的可視范圍內(nèi)遙控器進行相關操作，對采煤機的手動控制，控制權限最高。

第二級為：遠程可視化操作，工作人員在順槽集中控制操作中心，通過人機界面或者本安操作臺結合采煤機數(shù)據(jù)信息和視頻監(jiān)控系統(tǒng)，完成對采煤機的遠程可視化操作，控制權限僅次于本地跟機操作。

第三級為：自動化智能控制，順槽集中控制系統(tǒng)結合采煤工藝段、智能傳感網(wǎng)絡將電液控系統(tǒng)等其他幾個子系統(tǒng)共同聯(lián)合調(diào)度運行，實現(xiàn)采煤機自動化智能采煤[4]。

4 紅陽三礦在設備安裝期間出現(xiàn)的問題及以后需要解決的方向

（1）自動化安裝調(diào)試期間，廠家按照設備清單提供物資，未考慮安裝時損壞的配件，影響安裝調(diào)試進度，廠家應提供足夠數(shù)量的配件。

（2）自動化物資到礦驗收后直接入井安裝（三機集控箱、采煤機遠控箱、遠程控制臺、反沖洗過濾器、電磁閥），未在地面試驗完好，井下安裝時三機集控箱通訊故障、采煤機數(shù)據(jù)無法采集、遠程控制臺無法控制設備、反沖洗過濾器漏液、電磁閥堵塞，影響系統(tǒng)的調(diào)試進度，應在地面進行試驗合格后入井安裝。

（3）工作面視頻監(jiān)控系統(tǒng)連接線纜和電液控連接線纜外觀相識，現(xiàn)場施工人員辨識不清，導致安裝時系統(tǒng)通訊故障。廠家在視頻監(jiān)控系統(tǒng)線纜接頭處增加線纜標識區(qū)分。

（4）西二1208順槽沿線距離700多米，導致工作面沿線電話供電不足，影響沿線語音通話功能。轉(zhuǎn)載機頭增加一臺18V隔爆兼本安型直流穩(wěn)壓電源，解決沿線語音電話供電不足的問題，使沿線語音電話恢復正常使用。

5 結語

自動化工作面系統(tǒng)配套，需要從整體出發(fā)，以集控的思維去統(tǒng)一考慮整個系統(tǒng)的建設，需要在三機配套期間，聯(lián)合工作面設備配套廠家進行整體項目設計。設備生產(chǎn)期間提前預留定制安裝孔位、掛鉤、連接機構。（1）提前考慮乳化液供液方案乳化液管理制度，保證乳化液的清潔度，如：更換管路、加液、泵站維護等環(huán)節(jié)的管理制度;（2）項目設計初期，需要確定將來接管部門，并全程參與項目設計，能夠快速接管和深入了解系統(tǒng);（3）泵站進水增加過濾凈化裝置，必要時還需增加水軟化處理裝置。

參考文獻

[1] 王金華，黃樂亭，李首濱，等.綜采工作面智能化技術與裝備的發(fā)展[J].煤炭學報，2014，39（8）：1418-1423.

[2] 王虹.綜采工作面智能化關鍵技術研究現(xiàn)狀與發(fā)展方向[J].煤炭科學技術，2014，42（1）：60-64.

[3] 王國法，劉峰，孟祥軍，等.煤礦智能化（初級階段）研究與實踐[J].煤炭科學技術，2019，47（8）：1-36.

[4] 田成金.可視化遠程干預型智能化采煤關鍵控制技術研究[J].煤炭科學技術，2016，44（7）：97-102.