大柳塔煤礦厚煤層綜采自動化系統應用

王立強，高小強，任文清，王 飛

(神東煤炭集團大柳塔煤礦，陜西 神木 719315)

0 引言

大柳塔煤礦位于陜西省神木市境內，是神東煤炭集團所屬的年產3 300萬t的特大型現代化安全高效礦井，孵化出了世界上最大的千萬噸礦井群。大柳塔煤礦52603綜采工作面位于大柳塔井5-2煤六盤區大巷東側、5-2煤輔運大巷西側、52604工作面南側、52602采空區北側，工作面儲量617萬t，推進長度3 127 m，切眼寬312 m，煤層厚4.4～5.7 m，平均煤厚5 m，傾角為1°～3°，煤層穩定，周期來壓穩定。自動化割煤是高端采煤機、自動化工作面控制系統需要突破的關鍵技術，其核心在于搖臂的自動調高，根據采煤機實際情況自動調節左右滾筒的高度，前滾筒割頂煤、后滾筒割底煤，保證良好的工程質量[1-4]。建設厚煤層綜采自動化系統，培育厚煤層自動化工作面操作技能，是有效保障煤礦安全生產的必要條件。

1 綜采集控系統的應用

1.1 集控系統現狀及解決方案

1.1.1 現狀描述

52603綜采工作面改造前的電氣設備配置有移動變電站、組合開關、綜保照明系統、變頻器電控系統、泵站電控系統、KTC101通訊控制系統等。操作人員配置分別為KTC101控制系統司機一人，破碎機處一人，馬蒂爾處一人。所有的電氣/電控設備的數據沒有集中進行上傳及顯示，自動化數據集成比較分散，在井下不方便統一管理和監測，人員數量較多，資源上造成一定浪費。

1.1.2 解決方案

在控制臺處安裝隔爆兼本質安全型交換機，并將計算機內磨砂交換機設置好IP，供連通網絡。接著將控制臺處移動變電站、照明綜保、饋電、聯力開關，泵站、三機控制器等設備接入磨砂交換機的RS-485口或者TCP/IP網絡接口。再用一根網線將磨砂交換機與控制臺處4G分站連接起來，將數據傳輸至環網，以方便馬蹄爾處設備可以讀取控制臺設備數據。在馬蹄爾處安裝礦用隔爆兼本安型自動化裝置(附帶硬盤錄像機顯示器和操控臺及計算機)，用于遠程操作設備。用光纜將自動化裝置中設備連接至4G分站，來讀取環網內控制臺設備數據。計算機安裝組態王軟件讀取數據，包括煤機、礦壓數據，并實現控制臺設備實現控制；在硬盤錄像機內設置4個攝像頭(馬蹄爾處、運輸機機頭、工作面機頭、工作面機尾)，方便實時觀察生產情況。

1.2 數據采集及功能

該套集控設備將不同設備、不同接口、不同協議之間的數據通訊接至4G環網，支持多種通訊協議的讀寫功能，實現了綜采工作面采煤機、液壓支架、聯力組合開關、移動變電站、饋電開關、照明綜保、華寧保護裝置等設備集中實時顯示，包括實時模擬數據顯示，開關數據狀態，歷史數據曲線等。實時監測數據，一旦設備發生故障，就會出現報警信息，讓現場人員盡快找到處理故障點，縮短處理故障的時間，提高了生產效率；實現了各設備的遠程啟停，包括單啟/停三機、泵站，也可以一鍵連啟，工作面要生產時，以往都是控制臺處崗位工先將控制臺處移動變電站等設備送點，確保華寧控制器及泵站控制器有電，開啟泵站中乳化液泵和噴霧泵，然后再開轉載機、運輸機與破碎機。設備集中控制后，不需要控制臺處留有崗位工操作設備，只有一人在馬蹄爾處操作設備即可，將所有開關設備合閘，一鍵啟停三機控制系統、泵站控制系統，啟動煤機開始自動割煤，開啟液壓支架跟機自動拉架系統。

2 自動化割煤系統

2.1 采煤機選型

大柳塔煤礦52603綜采面采用艾柯夫(SL900/6839)采煤機，其電控系統由常州聯力廠家改造。該煤機電控控制方式不是傳統的記憶割煤法(完全復制上一循環割煤)，而是煤機每割一刀煤均參與下一刀自動割煤軌跡的數據模型計算。通過煤機機身安裝采高傳感器、位置傳感器和俯仰搖擺傳感器，分別對煤機滾筒高度、定位、限位、位置修訂、機身傾角、俯仰角和滾動角等全方位進行檢測。

2.2 自動割煤原理

自動化割煤運用的是高端采煤機電控系統，其核心技術在搖臂的自動調高[5-7]。根據采煤機實際情況，各傳感器發揮作用，實時監測并主導編碼器對前后滾筒的高度進行調節，前滾筒割頂煤，后滾筒割底煤，分析歷史截割數據，自動識別煤層規律預測下一刀的割煤軌跡，自動調節模型參數，自適應外部條件變化。同時，可靈活選擇對煤機進行人工干預，參與到下一刀的自動割煤，保證良好的工程質量，自動割煤如圖1所示。

圖1 自動割煤流程示意

2.3 自動割煤參數設置

自動割煤運用了基于AI的預測算法，建立了基于運動坐標系的數學模型，把煤層離散化，分成多段小區間。在每個小區間內，假定煤層不變化，是一個矩形進行運算。精準的割煤，對參數的設定有極大的依賴性[8-11]。以52603綜采面自動化工作面為例，要設定好基本參數，重要參數主要有綜采面的長度為312.1 m，最大采高4.9 m，最小采高4.2 m，滾筒直徑2.7 m，該面共有液壓支架183架，每架寬為1.75 m，煤機機身長約13.5架，位置傳感器在工作面機頭處割頭位置設定為7架，工作面機尾處設定為177架，按照作業規程要求，兩端三角煤折返點機頭、機尾設定的位置分別為24.5架、156架，三角煤進煤窩高度值為3 m。如果煤層發生變化，就需要對參數進行微調，利用按壓遙控器組合鍵，輸入密碼后，進入自動化參數配置，對參數進行調整，自動化割煤。

2.4 自動割煤步驟

首先觀察顯示屏各傳感器顯示正常，煤機位置顯示準確，工步顯示正確，手動完成一個完整的示范刀學習。通過人工識別煤巖界限，調整好割煤高度與參數設置后，將手動改為自動，煤機將會依據示范刀一刀的割煤軌跡，預測下一刀割煤高度，并按照自身設定的“十二工步割煤法”進行割煤，如圖2所示。

圖2 十二工步割煤法示意

3 液壓支架自動化跟機系統

3.1 礦壓電控系統的選型

大柳塔煤礦52603綜采面支架控制系統采用德國瑪珂電控系統，該系統能夠準確的通過大數據分析礦壓電控系統存在的問題，迅速處理支架自動化故障，減少處理故障的時間，減員提效；通過對參數設置可以對液壓支架進行自動化控制(收打互幫板、移架、推溜)，識別紅外發射器所在位置，與煤機配合進行跟機自動拉架。在煤機機身安裝紅外發射器，每臺液壓支架上安裝紅外接收器。紅外發射器能夠發射紅外信號與紅外接收器對應使用，紅外接收器能夠準確識別紅外發射器信號，并將信號傳輸至瑪珂主機，確定煤機所在位置(架號)。

3.2 跟機自動拉架原理

借助煤機機身紅外發射器與支架上紅外接收器設備，確定煤機所在位置[12-15]。當紅外接收器收到紅外發射器信號時，將煤機位置信號通過支架控制器及其總線傳遞給礦壓主機。當開啟自動拉架時，支架會按照生產工藝，設定好的參數，進行收/打互幫板、移架、推溜，完成跟機自動拉架，如圖3所示。

圖3 煤機自動化割煤與支架自動化聯動示意

3.3 支架電控系統參數設置與開啟方法

3.3.1 參數設置

工作面全長183架，先將紅外發射器固定在機身，這樣可以通過紅外發射與接收信號來識別煤機所在位置。通過觀察采煤機在機頭、機尾割透時紅外發射器位置(煤機位置)分別為7架、177架。通過采煤機機身長度，可在支架電控系統中設置以下參數，開啟支架自動控制后，當煤機通過時，自動識別紅外信號，并以此判斷煤機割煤位置，進而觸發支架自動跟機程序，實現支架自動移架、成組收打護幫板和自動推溜等功能。為了防止煤機位置不準確，造成設備誤動作，造成不可挽回的損失，可在礦壓電控系統中設置位置跳動及位置不變時，自動停止自動跟機拉架，該面實際生產中設置為5架和10 min，即當煤機位置發生跳動超過5架或者有10 min煤機位置不發生變化，系統會自動停止，確保設備及人身安全。

3.3.2 開啟自動拉架方法

當采煤機設置為自動割煤后，確保煤機位置準確，在集控系統中，打開礦壓主機畫面，選擇啟動支架自動跟機拉架，根據工作面狀況打開推溜、移架、互幫板，合理選擇開啟自動拉架范圍。當工作面有異常時可以隨時壓下急停或者遠程停止自動拉架。

3.4 現場應用成果

綜采自動化系統的運用，生產班每班由原來的11人減少到目前7人，兩班生產年節約人工成本2×4×25=200萬元，減員提效，同時節約了生產成本。大柳塔煤礦52603綜采工作面自動化自2019年投用以來，運行效果良好，實現了對厚煤層自動化開采的探索，發現了困難與不足，為其他礦井厚煤層自動化開采提供了寶貴的實踐經驗。

4 結語

大柳塔煤礦厚煤層綜采自動化系統的實踐是一次大膽的嘗試，也是一個成功的典型應用案例。綜采自動化系統是煤礦生產數字化、智能化、信息化、自動化的發展需求，也是實現減員增效的必經途徑，是實現井下“無人則安”的必要，可以為其他礦井厚煤層綜采工作面提供一定借鑒。