綜采工作面智能化控制系統(tǒng)研究

郗少偉

（山西焦煤汾西礦業(yè)柳灣煤礦，山西 孝義 032300）

引言

礦井綜合機械化水平的提升顯著提升了煤炭開采效率，但是井下采掘以及運輸?shù)拳h(huán)節(jié)仍需要大量的工作人員，同時作業(yè)人員勞動強度較高[1-3]。智能化是現(xiàn)階段礦井發(fā)展的主要方向，通過構(gòu)建智能化開采工作面不僅可將提高煤炭開采效率，而且可顯著減少作業(yè)人員數(shù)量以及勞動強度[4-5]。

1 3609 工作面工程概況

山西某礦3609 工作面設(shè)計開采長度950 m、切眼斜長270m，回采的6 號煤層厚度3.7m、埋深390m、傾角5°。受到區(qū)域褶曲構(gòu)造影響，局部位置煤層傾角可達到10°。3 號煤層在現(xiàn)開采水平無煤與瓦斯突出危險性，瓦斯原始含量為5.6 m3/t。3609 工作面設(shè)計采用傳統(tǒng)的U 型通風方式，供風量為2 058 m3/t。工作面采用綜合機械化開采工藝開采，具體涉及到的主要綜采設(shè)備分別為：MG300/700-WD 采煤機、SGZ-830/800 刮 板 機、ZY5600/21/46D 支 架、DSJ1200/150/2×250 皮帶機。為了提高采面煤炭開采效果，提出應(yīng)用智能化系統(tǒng)控制綜采設(shè)備。

2 智能化控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 總體結(jié)構(gòu)

依據(jù)3609 工作面開采的煤層賦存情況以及綜采設(shè)備配備情況，提出一種智能化控制系統(tǒng)，具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1 所示[6]。該智能化控制系統(tǒng)具體子系統(tǒng)包括采煤機、液壓支架、刮板機以及皮帶機控制系統(tǒng)。構(gòu)建的智能化控制系統(tǒng)通過控制平臺實現(xiàn)可視化操控、控制指令高速傳輸。具體智能控制系統(tǒng)具備的功能為：綜采設(shè)備智能化控制、采煤機記憶（自動）割煤、綜采設(shè)備協(xié)調(diào)運行、刮板機運輸量自動監(jiān)控等。

圖1 工作面智能化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 采煤機智能控制子系統(tǒng)

為了適應(yīng)智慧工作面建設(shè)需要，在滿足采煤機智能化控制功能基礎(chǔ)上，確定了采煤機控制系統(tǒng)框架，具體見圖2。

圖2 采煤機控制系統(tǒng)框架

具體構(gòu)建的采煤機智能控制子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有PLC、傳感器、監(jiān)視器以及各類傳感器。在PLC 內(nèi)嵌入有控制采煤機割煤的截割記憶程序，可實現(xiàn)采煤機記憶截割，同時現(xiàn)場控制人員可根據(jù)回采煤層變化情況對采煤機割煤參數(shù)進行調(diào)整，以便提高采煤機割煤效率。在采煤機上隨機布置有監(jiān)測傾角、高度的紅外激光等傳感器，可實現(xiàn)對采煤機搖臂狀態(tài)、采煤機傾角以及回采位置的實時監(jiān)測。同時運用智能控制子程序內(nèi)的LASC 系統(tǒng)再構(gòu)建采煤機三維姿態(tài)模型，以便操作人員能夠直觀地掌握采煤機運行情況。

2.3 刮板機智能控制子系統(tǒng)

采面內(nèi)布置的刮板輸送機驅(qū)動裝置機構(gòu)為減速器、電動機、聯(lián)軸器，并通過移動電源、變頻器等提供動力。刮板輸送機控制子系統(tǒng)是實現(xiàn)工作面智能化控制的重要組成單元，通過該子程序可實現(xiàn)刮板輸送機運輸煤量、載荷的監(jiān)測以及智能控制。具體刮板機智能控制子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)單元包括有智能控制箱、煤量掃描裝置、智能調(diào)速軟件等。通過煤量掃描裝置即可對刮板機輸送煤量進行實時監(jiān)測、智能控制箱以及調(diào)速軟件通過調(diào)整刮板機運輸速度，實現(xiàn)煤炭運輸量的智能調(diào)整，具體智能調(diào)速原理見圖3 所示。

圖3 刮板機智能調(diào)速原理圖

2.4 液壓支架智能控制子系統(tǒng)

在采面回采巷道安全位置布置液壓支架控制平臺，實現(xiàn)液壓支架智能控制，具體控制平臺結(jié)構(gòu)包括有防爆主機、電源箱、交換箱等。防爆主機內(nèi)部嵌入有視頻主機、操作臺、電液控制主機等，其中視頻主機用處理以及顯示液壓支架上高清攝像頭監(jiān)測畫面；操作臺與液壓支架上機在控制器通過CAN 總線連接，用以對液壓支架運行狀態(tài)進行控制，實現(xiàn)液壓支架跟機動作；電源箱則為智能控制子系統(tǒng)提供連續(xù)電源。

3 智能控制系統(tǒng)應(yīng)用效果分析

3609 工作面完成綜采設(shè)備智能化控制改造后，為了掌握該智能控制子系統(tǒng)應(yīng)用效果，對個綜采設(shè)備運行情況進行監(jiān)測。現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，該智能控制系統(tǒng)可實現(xiàn)采煤機運行姿態(tài)、截割的智能化控制、液壓支架可及時隨著采煤機截割移架，刮板輸送機以及液壓支架平直度可滿足采面生產(chǎn)需要。采煤機割煤時，操作人員在回采巷道內(nèi)進行遠程操控，在割煤現(xiàn)場僅保留2～3 名巡檢人員即可。

采面在實現(xiàn)智能化改造后，刮板輸送機在滿足煤炭運輸前提下通過智能控制系統(tǒng)對運行速度進行調(diào)節(jié)，預(yù)計年可降低電能消耗約360 萬元。

對3609 工作面完成智能化改造后，現(xiàn)場作業(yè)人員數(shù)量由以往的25 名減少至15 名，不僅減少了井下作業(yè)人員數(shù)量，而且顯著降低了作業(yè)人員勞動強度以及礦井人力資源投入。礦井采煤工作面通過智能化建設(shè)取得了較好的應(yīng)用成果。

4 結(jié)語

隨著礦井開采深度增加，煤炭開采時面臨地質(zhì)構(gòu)造、瓦斯、水害等影響更為突出，煤炭開采成本不斷增加。作業(yè)人員在采掘工作面現(xiàn)場，傳統(tǒng)的煤炭開采方式不僅勞動強度高，而且安全風險較大。對采煤工作面進行智能化改造后，不僅可減少采煤工作面現(xiàn)場人員數(shù)量，而且大部分工作人員在回采巷道安全位置對采煤設(shè)備進行遠程操作，現(xiàn)場僅保留少許巡檢人員即可滿足生產(chǎn)要求。