大傾角放頂煤智能化工作面建設方案與分析

禹明哲

(鶴壁煤業集團有限責任公司，河南 鶴壁 458030)

近年來，從國家到省級層面都在大力倡導推進智能化建設，國家《安全生產“十三五”規劃》中，明確要求在礦山領域實施“機械化換人、自動化減人”[1-2]，國家煤監局召開的全國性會議上，多次強調要積極推進煤礦智能化建設[3-4]。

河南省工業和信息化廳2019年下發了《河南省煤礦智能化建設實施方案(2019—2021年)》[5]，對加快推進全省煤礦智能化建設提出了明確要求，布置了主要任務，制定了建設標準?？傮w目標是到2021年底，全省年產60萬t以上煤礦基本完成智能化升級改造，各生產系統基本實現自動化控制、可視化操作，實現生產自動化、管理信息化、決策智能化；年產60萬t以下的煤礦淘汰炮采工藝，全面實現機械化生產[6]。

2019年6月18日、7月23日，河南省政府2次召開煤礦智能化建設專題會，劉偉副省長就此項工作做了安排部署；8月8日，河南能源化工集團組織召開了煤礦智能化建設專題會，會議傳達了河南省煤礦智能化建設有關精神和政策，對集團公司煤礦智能化建設提出了具體要求和明確部署；8月14日，河南省工業和信息化廳又在鄭州組織省內各煤業公司召開了加快推進煤礦智能化建設工作座談會，對全省下一步工作計劃和要求做了詳細部署。

不難看出，河南省在強力推進煤礦智能化建設工作上的堅定決心和信心，按照政策導向，到2021年底，產能90萬t/a及以上礦井如果未實現自動化或智能化工作面開采，下一步只能面臨政策性退出關閉。因此，智能化工作面建設已經是“時不我待”，必須在理念上認識到位，在戰略上高度重視，堅信智能化是煤礦發展的必由之路，要堅定不移、積極地向前推進。

1 煤礦智能化建設現狀、規劃及目標

1.1 煤礦智能化建設現狀

目前，鶴煤公司所屬7對正常生產礦井的生產能力分別為：鶴煤三礦生產能力135萬t/a，鶴煤六礦生產能力130萬t/a、中泰礦業生產能力150萬t/a、黨家河礦生產能力150萬t/a、蘇家溝礦生產能力150萬t/a、鶴煤八礦生產能力81萬t/a、鶴煤九礦生產能力60萬t/a，均在煤礦智能化建設范圍內。限于地質構造復雜、煤層厚度變化大、煤層傾角大(普遍在20°以上，最高可達30°)、采煤機煤巖識別困難、大傾角設備防倒防滑、頂煤回收及松軟煤層頂板控制等技術難題及資金限制，目前，各礦還沒有完整的智能化采掘工作面投入運行，僅在黨家河礦110工作面安裝了一套電液控系統，已實現液壓支架電液自動化控制。

1.2 煤礦智能化建設規劃

按照河南省委省政府和集團公司對煤礦智能化建設有關要求，鶴煤公司制定了智能化采煤工作面建設三年規劃，編制了鶴煤公司煤礦智能化建設方案。其中，2020年建設智能化采煤工作面4個(鶴煤三礦4101工作面、鶴煤六礦2125工作面、鶴煤八礦3105工作面、黨家河礦202工作面)，總投資約18 250萬元。

鶴壁礦區煤層賦存特殊，地質結構較為復雜，煤層傾角普遍在20°以上，最高可達30°，在25°以上大傾角放頂煤采煤工作面實施智能化建設，在國內尚無先例，存在較高的技術難度。

1.3 煤礦智能化建設目標

通過采煤機智能控制、液壓支架自動跟機、智能記憶放煤、可視化遠程監控等系統，在采煤生產過程中實現前部采煤以記憶截割為主，人工遠程干預為輔；后部放煤以自動記憶放煤為主，人工就近干預為輔；支架前部以跟隨采煤機自動動作為主，人工干預為輔；成套綜采設備以集中自動化控制為主，就地控制為輔；以數據監測為主，視頻監控為輔；即“以工作面自動控制為主，遠程干預控制為輔”的自動化生產模式；實現“智能化作業，有人巡視”，達到工作面少人安全高效開采[7-9]。

2 智能化工作面建設方案

2.1 設備配置

綜放智能化工作面設備主要包括采煤機、液壓支架、過渡支架、端頭支架、轉載機、破碎機、前后部輸送機、配電系統、凈化水裝置、電纜單軌吊、乳化液保障系統，具體型號、數量見表1。

表1 綜放智能化工作面設備配置Tab.1 Equipment configuration of fully-mechanized caving intelligent working face

2.2 綜放工作面智能化控制系統

綜采工作面智能化控制系統是一套完整的工作面自動化解決方案，系統將多種技術(如控制、以太網、無線、視頻、通信、液壓等)應用于綜采工作面，實現在工作面巷道監控中心對綜采設備進行集中自動化控制，確保各設備協調、連續、高效、安全運行，將工人從工作面解放出來，實現工作面少人化。

采煤機通過記憶割煤功能行走割煤；并通過采煤機上安裝的紅外發射器和液壓支架立柱上安裝的紅外接收器，識別采煤機當前位置；采煤機割煤后，控制系統通過電磁閥控制液壓支架走架走架、推刮板輸送機、放煤。其中，液壓支架拉架、推刮板輸送機通過位移傳感器控制行程，升降、后插板放煤等動作均通過提前定量好的動作時間控制行程。其余設備如刮板輸送機、轉載機、破碎機、膠帶機均由自動控制系統實現狀態監測和啟停控制[10]。

系統主要由3部分組成，分別是工作面部分、巷道監控中心、地面部分。綜采智能化控制系統結構如圖1所示。

圖1 綜采智能化控制系統結構Fig.1 Structure of intelligent control system for fully-mechanized mining

2.3 液壓支架電液控制系統

通過在液壓支架安裝電液控系統，實現具備雙向鄰架或隔架單動作、雙向鄰架自動順序動作、雙向成組自動控制、初撐力自動保持及帶壓移架、設備信息數據上傳及存儲功能。系統具備聲音報警、急停、本架閉鎖及故障自診斷顯示功能，并能方便地進行人工手動操作。工作面電控系統包括單個支架控制單元系統及將所有支架上的單元系統通過必要的共用或附加設備聯接起來的控制網絡，實現對液壓支架動作的控制和狀態的監測。電液控單架配置如圖2所示。

圖2 電液控制系統單架配置Fig.2 Single frame configuration of electro-hydraulic control system

2.4 工作面視頻系統

每6架支架安裝1臺云臺攝像儀，用于三機狀態監控，視頻系統通過通信獲取采煤機運行位置和方向，實現在視頻顯示器上跟隨采煤機自動切換視頻畫面。監控中心安裝1臺云臺攝像儀，實現地面調度中心對監控中心的監測，每3個支架配備1臺礦用隔爆巷道燈，安裝于支架的頂梁上。在刮板輸送機機頭和機尾、轉載點、膠帶機頭處各安裝1臺礦用本質安全型攝像儀，進行實時監控。

2.5 巷道集控中心

監控中心主要用于集中安放自動化控制系統項目的相關設備，在巷道列車上打造一個“井下中控室”。操作者只需坐在監控中心即可通過顯示器觀察到工作面各設備運行工況，并可通過語音通信進行調度、聯絡，通過操作臺遠程操控工作面各設備，系統還具備故障診斷報警功能。

2.6 工作面原煤破碎運輸集中控制系統

工作面語音通信系統和巷道膠帶系統具備數據傳輸功能，綜采自動化與此2套系統進行通信，實現對工作面“三機”、巷道膠帶機的狀態監測及集中控制功能。

該系統實現了對前后刮板輸送機、轉載機、破碎機及帶式輸送機的單設備遠程啟停控制及順序遠程啟?？刂啤禹樞颍簬捷斔蜋C→破碎機→轉載機→前后刮板輸送機；停止順序：前后刮板輸運機→轉載機→破碎機→帶式輸送機，具體如圖3所示。

圖3 破碎機、轉載機、刮板機、帶式輸送機集中控制Fig.3 Centralized control diagram of crusher，transfer machine，plate scraper and belt conveyor

2.7 乳化液保障系統

通過安裝乳化液泵站、乳化液自動配比系統、遠距離供液管路，通過與巷道集控中心數據通信，實現乳化液泵站的遠程控制、狀態監測、自動供液功能。

泵站集中控制系統具有泵站出口壓力、泵站油溫、泵站油位狀態、泵站電磁閥動作情況、液箱液位、乳化油油箱油位檢測功能，實現對泵站的單設備啟?？刂埔约岸嗯_泵站的聯動控制。

2.8 地面監控中心

采用以太網實現綜采設備數據上傳，通過礦井自動化網絡，將綜采設備的數據傳到井上，實現地面調度指揮中心對綜采設備的監測、顯示；實現綜采設備(液壓支架、采煤機、刮板輸送機、轉載機、破碎機、負荷開關、泵站)數據的集成，在地面調度中心對綜采設備的遠程監測、顯示。實現“三機”聯動，巷道膠帶集中控制，地面“一鍵啟動”，智能化操作。地面監控中心系統組成如圖4所示。

圖4 地面監控視頻示意Fig.4 Ground surveillance video

3 難點分析與對策

鶴煤公司本部礦井均為20世紀50年代建設、60年代投產的老礦井，現大部分礦井已進入衰老期，系統復雜，環節多、線路長，且井田內斷層、褶曲發育、煤層傾角較大，巷道動壓大，對推廣使用自動化、智能化裝備有很大制約。

礦井采用綜采放頂煤開采工藝，存在傾斜角度25°以上的煤層實施智能化工作面建設，在國內無先例，對于支架放倒及輸送機防滑都有較為嚴格的要求，存在一定技術難度[11-14]。

當前煤巖識別技術尚未成熟和普及，放頂煤工作面后部放煤仍只能通過電磁閥開閉時間來控制，無法準確識別是否已經放完，仍需輔以人工干預，無法實現完全自動化[15]。

鶴煤公司下一步需加強與行內業內先進單位交流學習，吸取先進經驗，不斷優化采煤工藝，同時要加強與研發企業和高校的技術攻關合作，通過優化智能化控制程序，達到逐步提升智能化工作面控制精度和智能程度的目的。

4 結語

目前，國家能源戰略和煤炭產業政策正在發生深刻變化，煤炭供給側結構性改革正在穩步推進，內蒙古、陜西、山西等省(自治區)煤礦優質產能正在逐步釋放，河南、山東等中東部省份煤炭產能逐年降低，蒙華鐵路、青電入豫、疆電入豫等大型項目逐步建成，面對復雜多變的外部環境，省內煤炭企業需要認真研究出路。

當前，推進煤礦智能化建設，是國家推進企業智能化發展的需要，歸根結底也是企業生存和發展的需要，在面臨著極大的發展機遇和挑戰面前，煤炭應緊追趨勢，因地制宜，加快推進煤礦智能化建設。