前灣煤業2S202-1綜采工作面的智能化升級設計

高建新

（山西鄉寧焦煤集團有限責任公司，山西 鄉寧042100）

0 引言

隨著國家科技水平的不斷發展，將更加先進的智能化、自動化控制技術應用到煤礦開采中，實現整個工作面的全面、自動化無人開采，已成為當前實現工作面提升改造的重要方向[1]。目前，現有的工作面現場，主要以人員操作為主，雖使用了部分自動化設備，但存在設備的智能化程度較低、功能單一等問題，無法有效獲取及遠程控制該些設備的關鍵參數及操作，工作面的全面協調性相對較弱，這給煤礦的開采效率及作業安全性提升造成了重要影響[2]。為此結合鄉寧焦煤集團前灣煤業有限公司2S202-1綜采工作面的特點，開展了該工作面的智能工作面提升改造設計，最終通過實際運行驗證了改造后的智能工作面的可靠性及穩定性，這對提升現場作業安全及企業經濟收入具有重要意義。

1 2S202-1綜采工作面概況分析

鄉寧焦煤集團前灣煤業2S202-1綜采工作面走向長度332 m，傾向長度75 m，主要開采2號煤層，埋藏深度189 m，煤層結構較簡單，煤層厚度2.8～3.38 m，平均為3m，煤層結構簡單，含0～2層夾矸；頂板主要為粉砂巖，局部為泥巖或砂質泥巖，底板多為泥巖，局部為粉砂巖；煤層傾角平均為5°，2號煤層煤質為焦煤，經鑒定煤層有爆炸性為II級自燃煤層。經過對該工作面中礦井瓦斯等級鑒定可知：該工作面的瓦斯涌出量1.79 m3/min，相對瓦斯涌出量1.42 m3/t，采面最大絕對瓦斯涌出量0.79 m3/min，掘進面最大絕對瓦斯涌出量0.16 m3/min，鑒定為低瓦斯礦井。同時，工作面中煤層本井田范圍內為穩定全區可采煤層，該工作面在掘進期間運輸順槽、回風順槽均無斷層和陷落柱等導水構造。

2 智能工作面系統概述

目前，大力發展智能工作面已成為當前煤礦領域重點發展及提升的方向，但對智能化工作的定義卻有所不同[3]。經過行業的一致探討和論證后確定，所謂的智能工作面建設主要是指在工作區域以外的地點實施整個工作面的遠程操作和遠程控制，實現工作面中無人化或較少人員的煤礦開采工作面建設。整個智能工作面的建設是一個大的系統建設，包括了各類煤礦開采設備的遠程控制子系統、工作面監控子系統、工作面集中控制子系統、各工作面之間的通訊系統等，各子系統之間通過以太網、無線網的全面覆蓋，配備相應的硬件、軟件及網絡通信等多塊連接，完成對整個智能工作面的建設[4]。目前，部分煤礦企業所建立的智能工作面相對較為狹窄，僅針對采煤機、液壓支架、刮板輸送機等關鍵設備進行了遠程控制系統的建立，缺乏工作面系統的完整性，其他分塊的建設或規劃較為不明確，這使得整個工作面的建設、運行、維護等方面存在較大困難。

3 智能工作面系統構建

結合前文分析，經過全面研究后，確定了2S202-1綜采工作面在智能工作面建設中所需重點考慮的子系統包括：采煤機智能控制子系統、液壓支架電控子系統、工作面集中控制子系統、通訊網絡子系統、工作面視頻監控子系統、智能集中供液子系統等6大方向，結合該工作面的實際情況，對該些子系統的硬件、軟件、通訊等方面進行具體設計和相互串聯，實現對整個工作面的全面布局及設計研究[5]。下面就該工作面中關鍵子系統進行重點分析。

3.1 采煤機智能控制子系統設計

由于采煤機為一套復雜的煤礦開采設備，在其智能控制子系統設計中，需實現該設備的遠程操作控制、運行參數檢測、故障異常報警、設備自行診斷、數據參數實時顯示等功能，因此，所設計的控制子系統采用了模塊化設計，包括了DSP數據處理器、油溫傳感器、油箱液位傳感器、傾角傳感器、旋轉編碼器、CAN總線通訊、智能顯示儀表、電控箱等部件，其中，DSP數據處理器采用了32位的CAN總線進行通訊連接，可完成采煤機的運行數據采集、計算、分析、判斷、數據記憶及保存等功能，數據響應時間小于22ms；壓力傳感器選用了GYD60-Y2型，液位傳感器選用了GYL60-Y2型，傾角傳感器選用了SST800型。整套控制系統經過CAN通訊后，通訊速率達到了250 kbps。另外，在采煤機的高速和低速轉軸上分別安裝了振動加速傳感器，所采集數據直接傳遞至DMX采集單元后，經過DSP處理器的分析計算，實現對采煤機轉軸運行狀態及壽命的實時監控。采煤機上部分檢測元器件安裝位置示意圖如圖1所示。

圖1 采煤機上部分檢測元器件安裝位置示意圖

3.2 液壓支架電控子系統

液壓支架電控子系統主要負責對整個液壓支架的作業姿態、工作參數、操作動作等進行遠程監測及控制，系統結構主要由若干個控制單元組成，其中硬件部分設計了PLC控制器、壓力傳感器、傾角傳感器、行程傳感器、紅外線接收器、驅動器、CAN總線通訊電纜等組成，各檢測元件在采集到液壓支架相關參數后，傳輸至PLC控制器進行計算、判斷處理，并將計算結果傳輸至計算機中，實時掌握并控制液壓支架的工作狀態，系統的通訊傳輸速率達到了260 kbps[6]，液壓支架上部位元器件安裝位置示意圖如圖2所示。在此系統中，通過所安裝的傾角傳感器的相互串聯，可實現對設備中掩護梁、頂梁、前連桿等部件的作業姿態進行監測，當檢測到傾角超過設置的閥值時，系統中控制器則會自動執行傾角角度的調整，使液壓支架保存最佳的作業，若傾角無法準確調整時，則會發出相應的報警，由控制中心的操作人員進行人工操作調整。

圖2 液壓支架上部位元器件安裝位置示意圖

3.3 工作面集中控制子系統

此工作面中的集中控制子系統主要安裝在工作面的順槽中，設計了控制器車廂及人員操作車廂，其中，人員操作車廂中設計了4臺計算及顯示器，可實現對整個工作面中相關設備的遠程監測與控制，實現對工作面中的集體調度。控制器車廂中設置了3臺PLC控制器、交換機、后備電源等，數據信號的傳遞主要通過RS485進行傳輸，其中，PLC可有效協調各子系統的運行情況，保證各設備之間能實現有效的作業協調。工作面的集中控制系統框架圖如圖3所示。另外，通過此子系統，可將整個工作面的相關數據進行存儲，并通過物聯網技術，實現數據信息的資源傳輸與共享。

圖3 工作面的集中控制系統框架圖

4 工作面可靠性評價指標確定

4.1 采煤機智能控制子系統評價指標確定

結合前文所設計的采煤機智能控制子系統，為掌握其系統運行的可靠性及穩定性，對其運行時的6個評價指標進行了設計，主要包括采煤機狀態識別、GIS定位與煤巖識別、采煤機滾筒高度調節等指標，具體框架如圖4所示。其中，采煤機狀態識別指標的實現則融合了多種智能化傳感技術，通過檢測采煤機上電機、搖臂等多個部件的參數，經過CAN總線的信號傳輸和處理器的計算，完成對該指標的計算評價。

圖4 采煤機智能控制子系統評價指標框架圖

4.2 液壓支架控制子系統評價指標

液壓支架作為一套復雜的作業設備，其作業過程中所涉及到的動作相對較多，為掌握液壓支架作業過程的可靠性，確定了其系統運行的評價指標，包括：支架護幫與智能預警系統、支架姿態識別控制系統等，具體框架如圖5所示。通過對此些分系統的獨立評價，實現對整個液壓支架運行狀態的綜合評估。

圖5 液壓支架控制子系統評價指標框架圖

4.3 工作面集中控制子系統評價指標

根據2S202-1綜采工作面特點，為掌握該工作面中控制子系統的綜合性能，確定了此工作面中集中控制子系統的評價指標，包括：一鍵啟停、人員監測系統、工作面設備人員干預控制系統等，具體如圖6所示。通過對各指標系統運行情況的評價，全面掌握整套集中控制子系統的綜合性能。

圖6 工作面集中控制子系統評價指標圖

5 工作面系統應用評價效果分析

結合前文建立的各分系統及系統運行評價指標情況，通過將近6個月運行測試，得到了各子系統的運行結果，結果顯示：采煤機、液壓支架、工作面集中控制等子系統的運行均較為良好，能通過控制中心對各設備進行遠程操作與控制，并在顯示器中實時顯示設備的運行狀態，此過程，設備作業現場幾乎實現了無人化操作，人員只需根據顯示界面發出的異常情況進行有針對性的處理。由于井下環境的惡劣性及特殊性，系統中部分元器件出現了異常問題，此時，系統則及時通過顯示器進行了故障異常報警提示，實現了整個工作面的智能化監測與控制。據該工作面負責人介紹，所建立的智能工作面與同類相比，具有更高的智能化控制程度，控制全面性更廣。預估在設備維修費用、人工成本、產能提升等方面，每年可為企業帶來將近100萬元以上經濟效益，得到了一致好評，驗證了系統的可靠性及可行性。

6 結論

將當前更加成熟的智能化控制技術應用到工作面的建設及操作中，實現整個工作面的全面協調控制，已成為當前提示工作面作業安全性的重要方向。為此，結合2S202-1綜采工作面的特點，開展了該工作面的智能工作面建設，通過確定各子系統的運行評價指標和實際運行測試，得出：該工作面中各子系統運行良好，具有更加智能的遠程操作控制性能，工作面的系統完整性更加全面，提高了工作面的作業安全性及可靠性，也將給企業帶來較大的經濟效益，具有重要的實際應用價值。