綜采工作面自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用與展望

任彥峰

（山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司屯蘭礦，山西 古交 030206）

引言

由于煤礦行業(yè)工作勞動(dòng)強(qiáng)度大、危險(xiǎn)性高，煤礦在科技日益進(jìn)步的今天依舊是危險(xiǎn)和落后的代名詞，為了減少煤礦職工的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低人員作業(yè)危險(xiǎn)，將職工將從井下現(xiàn)場(chǎng)解放出來(lái)，自動(dòng)化無(wú)人開(kāi)采成為煤礦開(kāi)采的必然發(fā)展方向。因此，針對(duì)綜采工作面自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用展開(kāi)分析。

1 自動(dòng)化工作面的發(fā)展背景

隨著陜煤黃陵煤礦第一個(gè)國(guó)產(chǎn)自動(dòng)化工作面的回采，掀起了國(guó)產(chǎn)自動(dòng)化工作面的建設(shè)高潮，淮南張集、陽(yáng)煤新元、神東石圪臺(tái)等為代表的一大批自動(dòng)化工作面相繼建成，推動(dòng)著煤炭礦井開(kāi)采方式的變革。

2 自動(dòng)化工作面的組成

自動(dòng)化綜采工作面主要由液壓支架電液控系統(tǒng)、自動(dòng)集成供液系統(tǒng)、遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)、綜采自動(dòng)化控制系統(tǒng)等功能融合而成。

2.1 電液控系統(tǒng)

電液控系統(tǒng)主要包括支架控制器、支架服務(wù)器、本質(zhì)安全供電電源、各類(lèi)傳感器、耦合器、線纜等組成。

電液控制系統(tǒng)通過(guò)采煤機(jī)機(jī)身安裝的紅外發(fā)射器和液壓支架安裝的紅外接收器互相配合，可以實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)位置的準(zhǔn)確定位，傳感器利用通訊網(wǎng)絡(luò)將獲取的位置數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器，服務(wù)器通過(guò)預(yù)設(shè)的程序?qū)Σ擅簷C(jī)運(yùn)行軌跡進(jìn)行邏輯判斷后，對(duì)工作面電液控系統(tǒng)發(fā)送控制指令，電液控利用先導(dǎo)回路控制主閥組實(shí)現(xiàn)支架護(hù)幫、立柱、移架千斤的動(dòng)作。

三角煤區(qū)段的自動(dòng)跟機(jī)是電液控控制的重點(diǎn)和難點(diǎn)，三角煤跟機(jī)工藝分7個(gè)工藝段設(shè)計(jì)[1]。工藝1，接續(xù)中部跟機(jī)，自動(dòng)跟機(jī)采煤至機(jī)頭/機(jī)尾；工藝2，返刀割底煤至機(jī)頭/機(jī)尾；工藝3，掃底煤；工藝4，斜切進(jìn)刀；工藝5，返向上刀至機(jī)頭或機(jī)尾位置；工藝6，第二刀掃底煤；工藝7，三角煤結(jié)束，煤機(jī)從機(jī)頭位置正常割煤至中部位置，完成三角煤跟機(jī)和中部跟機(jī)的銜接。

智能集中供液系統(tǒng)是為工作面電液控系統(tǒng)提供完整的供液方案，為工作面提供恒壓、清潔、配比穩(wěn)定的高質(zhì)量乳化液，是電液控系統(tǒng)乃至自動(dòng)化綜采工作面穩(wěn)定運(yùn)行的有力保證。智能集中供液系統(tǒng)包括水凈化系統(tǒng)、廢水回收利用系統(tǒng)、自動(dòng)配液系統(tǒng)、高壓過(guò)濾及回液過(guò)濾系統(tǒng)、泵站系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、乳化液箱等組成[2-3]。

2.2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

自動(dòng)化工作面根據(jù)實(shí)際需要在液壓支架、運(yùn)輸機(jī)及皮帶機(jī)頭尾、各轉(zhuǎn)載點(diǎn)安裝帶自清潔功能的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系列車(chē)控制中心和地面遠(yuǎn)程指揮控制中心對(duì)整個(gè)綜采工作面關(guān)鍵部位的視頻監(jiān)控。工作面攝像儀采集的視頻畫(huà)面實(shí)時(shí)上傳至監(jiān)控中心，紅外線傳感器獲得采煤機(jī)位置，通過(guò)軟件處理后顯示畫(huà)面跟隨采煤機(jī)無(wú)縫切換。

2.3 自動(dòng)化集中控制系統(tǒng)

集中控制中心利用組態(tài)軟件合理編排綜采工作面設(shè)備的邏輯動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備的一鍵啟停和自動(dòng)集中控制。集中控制中心基于工作面覆蓋的工業(yè)以太網(wǎng)及現(xiàn)場(chǎng)總線，實(shí)現(xiàn)對(duì)綜采設(shè)備一鍵邏輯啟停、單設(shè)備啟停的功能，并具有啟動(dòng)前的設(shè)備保護(hù)狀態(tài)檢測(cè)以及過(guò)程中的保護(hù)狀態(tài)檢測(cè)功能。設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中可以根據(jù)視頻圖像及顯示參數(shù)對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)整，綜采工作面設(shè)備之間嚴(yán)密的連鎖關(guān)系，保證了系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

集中控制中心能夠?qū)Σ擅簷C(jī)的運(yùn)行電流、速度、方向、溫度、搖臂高度等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。在此基礎(chǔ)上，可以通過(guò)集控中心操作臺(tái)對(duì)采煤機(jī)油泵電機(jī)、截割電機(jī)、牽引電機(jī)啟停以及變換牽引方向、調(diào)節(jié)牽引速度、搖臂高度等，并通過(guò)集控中心顯示器顯示采煤機(jī)的各種狀態(tài)。

2.4 采煤機(jī)記憶截割控制系統(tǒng)

工作面回采作業(yè)時(shí)，人工進(jìn)行示范刀作業(yè)，采煤機(jī)內(nèi)置編碼器記錄采煤機(jī)位置曲線及左右搖臂位置。記憶截割時(shí)編碼器將采煤機(jī)位置數(shù)據(jù)傳入采煤機(jī)主控器，主控器根據(jù)采煤機(jī)位置記錄和分析，不斷修正采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)記憶截割功能。采煤機(jī)截割過(guò)程可以實(shí)時(shí)打至學(xué)習(xí)模式，實(shí)現(xiàn)邊截割、邊學(xué)習(xí)。

2.5 供配電系統(tǒng)

集中控制利用移變、組合開(kāi)關(guān)、變頻器的通訊模塊與集控中心的上位機(jī)實(shí)現(xiàn)通訊，達(dá)到供配電系統(tǒng)集中監(jiān)測(cè)、控制的功能。

3 自動(dòng)化工作面目前存在的問(wèn)題

目前，大多數(shù)自動(dòng)化工作面采用記憶割煤+視頻遠(yuǎn)程調(diào)整運(yùn)行模式，現(xiàn)階段記憶割煤不能適用于煤層傾角較大、地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜的條件，導(dǎo)致回采過(guò)程缺乏有力指導(dǎo)，而遠(yuǎn)程視頻人工調(diào)整過(guò)程受攝像儀清晰度、位置等影響，且受遠(yuǎn)程操作人員經(jīng)驗(yàn)與主觀判斷要求較高，其次慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、煤巖識(shí)別系統(tǒng)投入費(fèi)用較高。但是目前也并無(wú)成熟的應(yīng)用，因此采煤機(jī)常態(tài)化的自動(dòng)割煤在煤層地質(zhì)條件復(fù)雜條件下并未常態(tài)話(huà)運(yùn)行。盡管煤礦行業(yè)的機(jī)電設(shè)備安全可靠性得到了極大提升，但是液壓系統(tǒng)跑冒滴漏等設(shè)備故障還時(shí)有發(fā)生，兩順槽超前段頂板的支護(hù)、工作面浮煤清理、自移機(jī)尾的拉移等沒(méi)有完全實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。工作面煤層起伏、頂板破碎、斷層變化等特殊條件下的特殊回采工作，導(dǎo)致現(xiàn)階段自動(dòng)化綜采工作面可以減輕職工勞動(dòng)強(qiáng)度，但是并不能大規(guī)模減少作業(yè)人員、提升生產(chǎn)效率。

目前，記憶割煤、遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控割煤、煤巖識(shí)別割煤等方式均還不成熟，均有一定的局限性，而具有數(shù)字礦山的自動(dòng)化割煤方式，還需要基于GIS三維仿真技術(shù)的發(fā)展，逐漸實(shí)現(xiàn)工作面地質(zhì)環(huán)境的全透明，包括煤層厚度、傾角、硬度、瓦斯含量、頂板巖性等。透明工作面是實(shí)現(xiàn)采煤工藝常態(tài)化運(yùn)行的基礎(chǔ)。自動(dòng)化工作面存在的問(wèn)題主要為：一是自動(dòng)化工作面發(fā)展還處在初級(jí)階段，設(shè)備、人員、資金投入還不夠多，自動(dòng)化采煤技術(shù)還不完善；其次各自動(dòng)化廠家研發(fā)人員大多遠(yuǎn)離生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的情況及需求了解不夠，現(xiàn)場(chǎng)的問(wèn)題不能及時(shí)反饋。

4 綜采工作面自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展方向

機(jī)械化方面，依托我國(guó)機(jī)械行業(yè)、材料行業(yè)等基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展，提升機(jī)械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)的安全可靠性，減少人工維護(hù)工作，對(duì)綜采全過(guò)程采用標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)械作業(yè)，減少人工作業(yè)環(huán)節(jié)。

采煤機(jī)自動(dòng)割煤方面可以利用三維地震、瞬變電磁儀、地質(zhì)雷達(dá)、鉆探等手段相結(jié)合，對(duì)工作面地質(zhì)狀況進(jìn)行綜合探測(cè)，并應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工自動(dòng)技術(shù)為依托，應(yīng)用GIS、遠(yuǎn)程控制、三維仿真技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)透明化工作面，回采過(guò)程中以煤巖識(shí)別技術(shù)實(shí)時(shí)修正地質(zhì)模型，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的智能截割。

5 結(jié)語(yǔ)

綜采工作面自動(dòng)化回采技術(shù)目前仍處在初級(jí)階段，其發(fā)展是一個(gè)大學(xué)科的系統(tǒng)工程，需要多學(xué)科研究人員共同努力推進(jìn)。隨著機(jī)械化、自動(dòng)化以及工作面透明技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化、智能化工作面將是煤礦企業(yè)發(fā)展的必由之路。