智能化綜放開采控制系統在同忻煤礦中的應用

武 潔

（大同煤礦集團有限責任公司資源籌備處，山西 大同 037003）

隨著我國科學技術水平的不斷提升，加上煤礦行業的快速發展，綜采工作面的自動化、智能化升級改造已成為當前企業考慮的重點方向。單一煤層綜采工作面自動化開采技術在我國得到了廣泛成功應用，但特厚煤層綜放智能工作面尚無成功案例。當前特厚煤層主要采用放頂煤開采工藝，液壓支架控制系統主要以傳統的手動控制方式為主；工作環境惡劣，工人勞動強度大，安全隱患多等問題十分突出[1]。為此，同煤集團結合同忻煤礦8202 工作面的實際工況特點，對同忻煤礦8202 工作面開展了以液壓支架電液控制為基礎的智能化遠程控制技術的實踐與研究，從系統支架電液控制、機組控制等方面，對8202 工作面的智能化綜放開采控制系統進行了系統設計和改造。

1 工作面基本情況分析

同忻礦8202 工作面采用綜采放頂煤開采工藝，煤層厚度平均15.26 m，工作面長度200 m，可采長度2 184.5 m。采用“四六制”作業，三班生產，一班檢修，每天開機約16 h，生產原煤0.033 Mt，小時產煤2 063 t。液壓支架選用型號為ZF15000/27.5/42型支撐掩護式低位放頂煤液壓支架，支架結構高度2 750～4 200 mm； 采煤機選用艾柯夫SL500AC 型采煤機，總裝機功率1 715 kW，電壓3 300 V；前、后部刮板輸送機選用JTAFC1050 型刮板輸送機，總裝機功率均為2×1 050 kW，前部刮板輸送機中部槽槽寬1 m，運輸能力2 500 t/h，后部刮板輸送機中部槽槽寬1.25 m 運輸能力3 000 t/h[2]-[4]。工作面設備綜合開機率90%以上，大修周期3～5年，采用液壓支架電液控制系統、采煤機截割高度記憶系統、綜放工作面自動化監控系統，可通過礦井和工作面網絡系統，實現工作面設備遠程監測監控，通過順槽計算機進行生產過程自動化控制[5]-[6]。

2 工作面智能化綜放開采控制系統設計

2.1 系統總體設計方案

結合同忻礦8202 工作面的實際情況，對其工作面的智能化綜放開采控制系統進行了設計。整套控制系統主要包括工作面運輸控制系統、采煤機控制系統、泵站控制系統、支架電液控制系統等部分組成。通過各分系統的相互協調控制，以及對工作面的相關設備的實時監控，能有效完成對工作面中設備的監控與統一控制，實現整個工作面的智能化綜合控制，其結構框架見圖1。在整套控制系統中，所有的相關系統分為三層，在完成對第一層各分系統信息檢測后，傳輸至第二層的順槽監控中心進行信息的匯總及分析處理；再將匯總信息傳輸至第三層平臺的調度指揮中心。工作人員可通過監控終端平臺對工作面中設備的運行狀態進行實時監控，當出現故障問題時，操作人員可及時采取保護措施，并將故障信息快速反饋給維修人員，實現了整個工作面的遠程監控、大數據處理及信息及時反饋等功能，大大提高了井下工作面開采效率及作業安全。

圖1 綜放開采控制系統結構框架

2.2 關鍵分系統功能介紹

（1）支架電液控制系統

液壓支架控制的傳統方式是用手動操縱閥在被控液壓缸的主液路直接進行通斷切換，具有速度較慢，效率不高，操作勞動量大，本架操作不安全，支架動作控制難以規范等缺點。

為此，設計了一套能適用于8202 工作面綜放開采控制系統的支架電液控制系統。整套系統集成了控制、檢測、液壓等技術，主要包括液壓系統、電控系統等，可全面實現對工作面液壓支架的全面監測與控制。其中，液壓系統部分采用了當前成熟的新型電液閥組控制技術。而電控系統部分則是將不同層次的嵌入控制技術融入于整套控制系統中，可通過多臺設備進行多路網絡的分別控制，且各單元及模塊之間具有相互獨立的功能特點，能獨立完成對設備中各模塊的全面監控及控制。另外，控制器是控制單元的核心，是一臺微型計算機，內部裝有操作軟件，配以人機交互界面，是員工操作的平臺。檢測環節則包括5 類8 種傳感器，分別為前柱壓力傳感器、后柱壓力傳感器、紅外線接收器、推移行程傳感器、護幫接近傳感器、傾角傳感器（主頂梁、掩護梁、尾梁）。

（2）機組控制系統

8202 工作面機組控制系統采用了德國艾柯夫公司生產的SL500 采煤機，供電電壓為3 300 V，最大采高5 240 mm，臥底量370 mm，過煤口高度760 mm，截割深度達800 mm，滾筒直徑2 300 mm，最大牽引速度可達30.9 m/min，總裝機功率為1 715 kW，其中截割功率為2×750 kW，牽引功率為2×90 kW，調度泵電機功率為35 kW。同時，在整套機組控制系統中，要求放頂煤液壓支架能遠程成組協同控制，且采煤機必須具備的自動化功能有：

①采煤機有傾角調整功能，以防止采煤機與支架干涉；并可顯示傾角值，當傾角超過設定值時可報警。

②采煤機應有定位系統功能，數據傳輸裝置要與支架的接收裝置相匹配，實現采煤機和支架的聯動。

③采煤機應配備四個視頻攝像系統，遠程監視滾筒截割情況，便于操作人員遠程監視和操作，并提供不同位置的安裝方案。

（3）泵站控制系統

8202 工作面的泵站控制系統主要包括噴霧泵、乳化液泵等部位。其中，噴霧泵站由5 臺噴霧泵和3個水箱組成，單臺泵的額定流量為320 L/min，功率為132 kW，公稱壓力12.5 MPa，柱塞數目為3 個，配套的清水箱單個有效容積為4 000 L。乳化液泵站則主要由4 臺乳化液泵和2 個乳化液箱組成，單臺泵的額定流量為400 L/min，功率為250 kW，公稱壓力31.5 MPa，柱塞數目為5 個，配套的乳化液箱單個有效容積為4 000 L。另外，工作面泵站采用集中自動化控制，泵站系統能對泵站出口壓力、泵站油溫、泵站油位狀態、泵站電磁閥動作情況、液箱液位、乳化油油箱油位等信息進行實時顯示，實現了整個泵站系統的智能化全面監測和控制。其整體結構框架見圖2。

圖2 泵站控制系統結構框架

3 現場應用評價

為進一步驗證所設計的8202 工作面智能化綜放開采控制系統的綜合性能及實際效果，在完成地面調試和井下調試基礎上，進行了將近2年的投產運行，工作面移架噴霧系統現場見圖5。在運行過程中，整個工作面累計推進2 083.55 m，安全生產521 天，生產原煤15.65 Mt，平均日產30 000 t，日推進度4.0 m，每米產量7 500 t。各設備工況良好，設備損壞率低，應用效果較好。綜放工作面遠程成組協同控制技術的工業性試驗證明，控制系統整體設計合理，控制系統各個子系統設計合理，控制系統功能滿足了綜放工作面自動化采煤的要求。同時，該系統的應用，也使得人員的勞動強度大大降低，采煤效率和作業安全性大大提升，為8202 工作面高產、高效提供了有力支撐和保證。

4 結語

將當前先進的智能化控制技術應用到煤礦工作面的智能化改造中，以“物聯網整合、互聯網傳輸、數字化集成、可視化保障、程序化操作”為技術核心，實現智能化綜放開采控制系統在工作面的成功應用，是當前煤礦企業智能化技術改造的重要方向。為此，以同煤集團同忻煤礦8202 工作面為研究對象，開展了該工作面的智能化綜放開采控制系統的總體方案及關鍵分系統設計研究，并對該控制系統進行了實際應用驗證。結果顯示，該工作面中安裝此控制系統后，整個工作面的煤炭開采效率及設備運行狀態得到顯著提升，降低了人員的勞動強度和井下事故發生概率，給企業帶來了巨大的經濟效益，也受到了該工作面相關人員的一致好評。社會效益良好，值得在其他同類礦井工作面中推廣應用。