高河礦智能化工作面建設(shè)探索與實(shí)踐

郭志林，郭金科

(潞安環(huán)能股份公司 生產(chǎn)辦，山西 長治 046204)

面對(duì)自動(dòng)化、信息化、智能化發(fā)展的歷史潮流，煤礦要實(shí)現(xiàn)安全高效發(fā)展，必須以高質(zhì)量、高效益為核心，以安全、智能、創(chuàng)新為主攻方向，加快推進(jìn)開采技術(shù)智能化創(chuàng)新，為礦井可持續(xù)發(fā)展注入強(qiáng)勁動(dòng)力。高河礦在綜采工作面單機(jī)設(shè)備自動(dòng)化基礎(chǔ)上，配套智能控制成套裝備，利用工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)絡(luò)通訊平臺(tái)建立一套以監(jiān)控中心為核心，實(shí)現(xiàn)以采煤機(jī)位置為坐標(biāo)，對(duì)相關(guān)設(shè)備姿態(tài)進(jìn)行識(shí)別，故障提前預(yù)警的就地/集中/遠(yuǎn)程三級(jí)可視化網(wǎng)絡(luò)管理，完成整個(gè)工作面設(shè)備的協(xié)調(diào)、安全、可靠生產(chǎn)。

1 工作面概況

高河礦E2308智能化綜采工作面為高河礦東二盤區(qū)工作面，北面為E2309工作面，南面臨E2307工作面采空區(qū)，西面接+450 m水平北翼大巷，所采的3號(hào)煤層賦存于二疊系山西組地層中，為陸相湖泊型沉積，煤層傾角為1～7°，平均3°，埋深416.3～485.8 m。工作面切眼長335 m，巷道長1 255 m，可采長度655 m，煤層平均厚度6.8 m，容重為1.4 t/m3，可采儲(chǔ)量219.5萬t，工作面沿煤層走向布置，分別掘進(jìn)兩進(jìn)一回+高抽巷，從南向北依次為進(jìn)風(fēng)巷道、回風(fēng)巷道、高抽巷、膠帶巷道，高抽巷抽采頂板裂隙瓦斯。

2 智能化建設(shè)總體方案

智能化綜采工作面集控平臺(tái)主要由采煤機(jī)、液壓支架、乳化液泵站、刮板輸送機(jī)、破碎機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、膠帶輸送機(jī)等設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測與自動(dòng)化生產(chǎn)運(yùn)行集中控制系統(tǒng)、井下綜采工作面巷道控制中心與地面操作平臺(tái)、通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、視頻圖像監(jiān)控系統(tǒng)組成。通過相關(guān)設(shè)備的數(shù)據(jù)通訊規(guī)約及數(shù)據(jù)采集分析軟件，實(shí)現(xiàn)綜采工作面視頻監(jiān)控、采煤機(jī)自動(dòng)化集中控制、液壓支架電液控、運(yùn)煤系統(tǒng)自動(dòng)化集中控制、供電系統(tǒng)集中控制、遠(yuǎn)距離水處理和集中供液控制等功能。智能化工作面控制系統(tǒng)見圖1。

圖1 智能化工作面控制系統(tǒng)框

2.1 高河礦智能化工作面設(shè)備配套

高河礦智能化工作面設(shè)備配套見表1。

表1 高河礦智能化工作面設(shè)備配套

2.2 基于三維數(shù)字化GIS模型與慣性導(dǎo)航的采煤機(jī)截割規(guī)劃

2.2.1 建立三維數(shù)字化GIS模型

實(shí)測出工作面三維數(shù)值，結(jié)合礦井地震波CT探測方法，探明工作面內(nèi)煤層厚度變化、煤層頂?shù)装迤鸱?，?biāo)注明陷落柱、斷層等地質(zhì)異常范圍及位置，建立起詳細(xì)描述工作面煤層賦存情況的三維GIS數(shù)字模型。

2.2.2 慣性導(dǎo)航定位與截割路徑規(guī)劃

利用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)采煤機(jī)在工作面所處的三維坐標(biāo)位置進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)取GIS三維數(shù)字化模型中采煤機(jī)前進(jìn)方向的煤層賦存信息，結(jié)合采煤機(jī)前后滾筒搖臂的抬高角度，精確定位采煤機(jī)正在割煤時(shí)前后兩個(gè)滾筒在GIS數(shù)字模型中與煤層頂?shù)装逑嗷リP(guān)系，用記憶截割功能記錄下的截割模型對(duì)比糾錯(cuò)規(guī)劃出采煤機(jī)行走路線及搖臂升降動(dòng)作，使?jié)L筒恰好截割工作面煤層。

2.3 基于電液控制的液壓支架姿態(tài)調(diào)整與壓力自動(dòng)補(bǔ)償功能

1) 自動(dòng)決策的液壓支架追蹤采煤機(jī)位置及方向，顯示立柱工作壓力、推移行程，判斷工作面煤層厚度、支架姿態(tài)和護(hù)幫板狀態(tài)。依據(jù)工作面頂板壓力、傾角，液壓支架自動(dòng)進(jìn)行姿態(tài)檢測，實(shí)時(shí)監(jiān)測工作面礦壓，保證頂梁和頂板平行，保障頂支護(hù)質(zhì)量。

2) 支架具備初撐力自動(dòng)連續(xù)補(bǔ)償功能，通過紅處線檢測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)跟機(jī)自動(dòng)化，根據(jù)采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)等信息，將整個(gè)生產(chǎn)過程劃分為不同階段，單架支架可實(shí)現(xiàn)“降、移、升”自動(dòng)控制，自動(dòng)決策并控制液壓支架與采煤機(jī)相互配合斜切進(jìn)刀、中部跟機(jī)等動(dòng)作，在兩端頭推溜清理浮煤，實(shí)現(xiàn)工作面自動(dòng)連續(xù)生產(chǎn)。

2.4 基于故障自診斷與煤流檢測的輸送機(jī)軟啟動(dòng)及智能負(fù)荷調(diào)速功能

1) 刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)及破碎機(jī)啟動(dòng)時(shí)，控制系統(tǒng)首先對(duì)關(guān)鍵部位運(yùn)行時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行記錄，對(duì)關(guān)鍵部位壽命進(jìn)行預(yù)判，自動(dòng)生成可運(yùn)行報(bào)告。驅(qū)動(dòng)部判斷是否帶載啟動(dòng)，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)平滑啟動(dòng)。

2) ABB智能煤流控制系統(tǒng)采集采煤機(jī)、輸送機(jī)、泵站電機(jī)電流、溫度等數(shù)據(jù)，結(jié)合AI智能識(shí)別高速攝像儀配合專用激光燈實(shí)時(shí)掃描測量渡過的煤量體積大小等煤流量信息，智能分析煤量負(fù)荷，將信息傳輸至控制箱，控制箱根據(jù)掃描儀傳遞的信息進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，反過來控制采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、巷道膠帶的運(yùn)行速度，實(shí)現(xiàn)綜采配套設(shè)備的協(xié)同控制。

2.5 變頻控制、自動(dòng)配比的智能集成供液系統(tǒng)

集電機(jī)變頻控制、水凈化軟化處理、多級(jí)過濾、乳化液濃度自動(dòng)配比及泵站系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)記錄與上傳為一體的智能集成供液系統(tǒng)，為綜采工作面液壓設(shè)備提供壓力恒定、干凈清潔、濃度穩(wěn)定的高質(zhì)量乳化液。泵站采用電控、液控雙卸荷冗余系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換、動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)濃度配比的優(yōu)點(diǎn)，大幅提高乳化液配比的穩(wěn)定性。

2.6 可視化與遠(yuǎn)程控制的通信平臺(tái)

智能化工作面基礎(chǔ)平臺(tái)由工作面的通信平臺(tái)、可視頻化平臺(tái)和集中遠(yuǎn)程控制平臺(tái)組成，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)智能傳輸?shù)墓δ堋Ｔ谥Ъ?、刮板機(jī)機(jī)頭機(jī)尾分別安裝一定數(shù)量本安型攝像儀，攝像儀可根據(jù)采煤機(jī)位置進(jìn)行視頻自動(dòng)切換。工作面視頻監(jiān)控系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)通過光電轉(zhuǎn)換器及綜合接入器、工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)傳輸?shù)郊刂行姆?wù)器。控制指令由操作平臺(tái)發(fā)向各主機(jī)，分別控制采煤機(jī)、三機(jī)及泵站動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)工作面視頻、語音、聯(lián)絡(luò)、遠(yuǎn)程控制功能。

3 結(jié) 語

高河礦智能化工作面利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將各個(gè)相關(guān)設(shè)備聯(lián)系在一起，在監(jiān)控中心對(duì)每個(gè)設(shè)備的工況數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、顯示、報(bào)警，將工作面視頻、語音、數(shù)據(jù)三網(wǎng)合一，對(duì)液壓支架、采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、巷道膠帶機(jī)、泵站、開關(guān)等綜采設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，實(shí)現(xiàn)割煤過程自動(dòng)跟蹤監(jiān)控，降低了煤礦工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了煤礦開采安全條件，提高了煤礦綜采自動(dòng)化水平和煤礦生產(chǎn)效率，必將實(shí)現(xiàn)“裝備優(yōu)、用人少、效率高、效益好、安全有保障”的煤礦安全生產(chǎn)目標(biāo)。