煤礦井下智能綜采體系在木瓜礦10-202工作面的應用

杜 輝

（霍州煤電集團呂梁山煤電公司，山西 呂梁 033102）

0 引言

霍州煤電木瓜礦10-202工作面位于南區準備巷道左翼，開采煤層為9+10，平均厚度6.35 m，順槽長度580 m，切巷長度240 m，地質儲量94萬t。煤層上部即為老頂，為石灰巖，平均厚度5.15 m，質地堅硬，但裂隙發育，隨采隨落；直接底為泥巖，老底為鋁質泥巖。為方便超前支架使用，兩巷均已硬化。工作面周圍均為實體煤巖層，相鄰煤層為實體煤層，以北靠近鼎盛陶瓷土礦工業廣場保安煤柱，以南緊鄰南區左翼3條大巷，以西為實體煤，以東為實體煤。在井下綜采面分布著采煤機、液壓支架、刮板輸送機等設備，但各類設備之間的整體智能化程度不足，影響了礦井綜采效益的進一步提升。

因此本文提出了一種新的煤礦井下智能綜采自動控制體系，實現了井下液壓支架自動跟機、采煤機記憶割煤。整個工作面，經過近半年的系統優化、調整及現場應用，已經實現對綜采設備的聯動控制，同時結合設備姿態反饋、工作面視頻監控，實現在順槽集控中心對采煤機、液壓支架、乳化液泵站、工作面運輸三機等自動化設備的“一鍵”啟停、遠程監控功能。通過井下與地面網絡建設，使地面控制中心具備井下集控中心的功能以外，進一步實現了監測數據的儲存處理，可以自動生成礦壓報表、采煤機運行軌跡報表，主要設備電機電流、溫度等各項報表，為工作面設備運行情況分析提供了有力保障。

1 井下智能綜采控制中心

根據10-202工作面的實際情況，木瓜礦建立了一種具有高度集成和智能化的井下智能綜采控制中心[1]，其整體結構如圖1所示。

由圖1可知，該智能控制系統主要包括了地面監控中心和井下綜采控制單元。井下綜采控制單元實現了將采煤機、液壓支架、轉載機、破碎機和刮板輸送機運行狀態的聯合監測和控制。系統首先對采煤機進行自動截割控制，通過監測采煤機的截割狀態，將相關數據信息傳遞給其他綜采設備，根據采煤機的運行情況來控制液壓支架實施自動跟機控制、控制刮板輸送機的自動調直作業、控制轉載機和破碎機的工作效率，滿足物料破碎和轉運需求。

圖1 井下智能綜采控制中心

由于井下各類電磁環境比較復雜，而且控制系統單位時間內的數據通信量極大，因此為了確保數據通信的可靠性，系統采用了鎧裝光纖作為井下綜采面上各類綜采設備數據信息傳遞的線路。在井下設置有數據交換機，用于顯示井下各綜采設備的運行狀態，滿足在井下現場控制的需求，井下交換機和工業網絡之間采用光纖連接[2]，滿足數據高速傳輸需求。地面監控中心主要用于顯示井下綜采面各類設備聯合運行的情況，同時若出現緊急情況，地面監控中心的人員能夠根據實際情況進行遠程調控，確保煤礦井下的綜采作業安全。

在該智能控制系統中，集控倉上面3個顯示屏主要為視頻監控系統，左邊為工作面整體監控視頻，中間為采煤機跟機視頻，右側為各轉載點、關鍵點及泵站的監控視頻。下方3個顯示屏為與其相對應的控制版面組成不同的控制系統。根據圖像顯示，可以直觀的看到左邊為采煤機采高、速度、位置等各項參數，通過控制面板科直接啟停機組。中部主要為液壓支架控制，可以顯示立柱壓力，推移油缸行程，支架姿態，同時也能夠遠程控制支架的拉架、伸縮護幫等各項動作。右側為泵站、三機控制界面，實現了工作面三機逆煤流啟動，泵站的遠程啟動，同時也對設備運行電流、壓力等數據實施監控。

控制系統能夠實現對液壓支架自動跟機、采煤機記憶割煤控制，同時結合設備姿態反饋、工作面視頻監控，實現在順槽集控中心對采煤機、液壓支架、乳化液泵站、工作面運輸三機等自動化設備“一鍵”啟停、遠程監控功能，顯著提升了綜采智能化程度。

2 液壓支架跟機自動控制

10-202工作面切巷全長245 m，共有支架139架，其中端頭架8架，過渡架4架，中間架127架，支架型號為Z Y13000/30/65D。采用電液控制，實現領架、隔架，手動、自動，單架、成組控制。采煤機為MG750/1980WD型，滾筒直徑3 200 mm，截深800 mm，截割功率750 kW。配備傾角傳感器、能夠顯示機組走向、傾向角度，搖臂安裝編碼器，可以顯示截割高度，牽引電機安裝行走編碼器，可以確定機組在工作面的位置。機身內置慣導系統，外部安裝無線基站，配合自動支架動作。同時在每個液壓支架上配備有紅外傳感器、報警器、位移傳感器各1個，立柱壓力傳感器2個，傾角傳感器4個，監測采煤機位置，推移行程及支架姿態，在實現工作面液壓支架自動拉架的同時，保障了安全生產。

在實際使用過程中系統最大的特點是采用了“雙點定位”的模式[3]，通過紅外線定位裝置和行走編碼器定位裝置，實現對采煤機和液壓支架位置的精確確定，解決了傳統的單編碼器定位在井下惡劣環境中可靠性低、偏差大的不足。結合井下綜采作業的工藝流程，經過多次驗證，最終確認了最佳的液壓支架和采煤機聯動工藝流程[4]。當采煤機運行時，采煤機截割作業方向上從第7組液壓支架開始同時進行收護幫板作業，防止截割作業時發生碰板，在采煤機截割作業方向的后側，從第7組液壓支架開始進行移架，從第13組支架開始進行打護幫板、從第18組液壓支架開始進行推溜，從而實現液壓支架的跟機自動運行（見圖2）。該跟機自動控制系統具有定位精度高、可靠性好的優點，定位精度達到±10 mm，同時將跟機控制效率提升72.6%。

圖2 液壓支架跟機自動控制流程

3 采煤機記憶截割控制系統

結合煤礦井下自動截割控制技術的發展，考慮各類技術的實際應用成熟度和應用效果，本文提出了采用記憶截割控制的方案。該控制系統將采煤機位姿監測、采煤機截割控制、進給控制、姿態修正等系統集于一體，實現對采煤機整個運行過程的集中控制和反饋。

在運行控制過程中分為截割姿態和數據記憶階段、采煤機自動跟蹤記憶路徑階段以及自適應修正截割路徑階段。在控制時，首先人工控制采煤機進行截割作業，在截割過程中各類檢測傳感器將采煤機的運行狀態信號和姿態信號傳遞給控制中心，控制中心對數據進行分析后存儲，作為采煤機自動跟機作業時的跟蹤控制標準。采煤機進入到自動控制階段后，首先調取存儲庫內的記憶截割路徑和采煤機運行狀態信號，進行記憶截割控制，同時對下一階段的運行情況進行預判，提前調取對應的記憶截割路徑，確保自動截割的連續性和穩定性[5]。

由于煤礦井下地質條件變化度較大，為了避免傳統記憶截割靈活性差的不足，在該控制系統中增加了自適應修正截割路徑的階段，通過截割阻力的變化，預測當前煤層的截割硬度，根據不同的硬度自動匹配最佳的截割轉速、進給速度等，降低在遇到頂板、底板、硬巖層時的截割沖擊力，提升采煤機截割穩定性和截割效率，提升采煤機自動截割對井下復雜地形環境的適應性。霍州煤電木瓜礦采煤機記憶截割控制界面如圖3所示[6]。

圖3 采煤機記憶截割控制系統界面示意圖

4 乳化液配比及自動控制系統

木瓜礦泵站配備了浙江中煤生產BP W630/37.5高端智能乳化液泵3臺，FR X630/70不銹鋼乳化液配比箱2臺，乳化液泵流量為630 L/min，公稱壓力37.5 MPa，配備油壓、油溫、油位傳感器，變頻電機配軸承溫度及繞組溫度傳感器。乳化液箱可同時容納14 000 L乳化液，配備液位傳感器。現有乳化液配比需要人工進行投料和控制配比數據，而且其控制系統只能進行簡單的就地控制，無法進行聯動控制也無法進行遠程控制。因此木瓜礦開發了一種新的乳化液配比及自動控制系統，滿足智能化控制需求[7]。

乳化液泵站采用主從控制系統，實現了本地、遠控控制，同時配合工作面智能化系統實現了井下集控中心、地面分控中心的啟停、閉鎖功能；實現了乳化液泵壓力自動卸載，電機自動調速，失壓停機等功能，保證了工作面液壓支架安全、高效供液。

乳化液配比系統采用了R P Z型高端乳化液自動配比裝置，主要由KX J P型控制箱、乳化液濃度檢測箱及循環系統組成。能夠實現乳化液濃度、液位時時檢測，乳化液、純水自動抽取配置。同時顯示乳化液濃度、液位高低，當液位不足時，自動停機。

乳化液配比和自動控制系統界面如圖4所示[8]。

圖4 木瓜礦乳化液配比及自動控制系統

5 應用情況分析

目前木瓜礦以基本建成了以井下智能綜合控制系統為核心的智能綜采體系，自2020年投入應用以來，整個系統表現出了極高的穩定性，根據對2020年4月—12月的井下綜采數據進行統計，新的控制系統將井下綜采面作業人員數量降低了76.3%，將井下綜采作業效率提升了79.5%，對提升煤礦井下綜采經濟性和安全性具有十分重要的意義。

6 結論

為了進一步提升霍州煤電木瓜礦井下10-202工作面綜采的智能化程度，提出了新的煤礦井下智能綜采體系，通過對采煤機截割作業方案、支架跟機自動控制方案的優化，實現了井下液壓支架自動跟機、采煤機記憶割煤，根據實際應用表明：

1）木瓜礦智能控制系統優化后，實現了對自動化設備的“一鍵”啟停、遠程監控功能，顯著提升了煤礦井下綜采智能化程度。

2）液壓支架跟機自動控制系統，采用了“雙點定位”的模式，定位精度高，提升了跟機效率。

3）采煤機記憶截割控制系統，將采煤機整個運行過程的控制集于一體，實現集中控制和反饋。

4）乳化液配比及自動控制系統，能夠實現乳化液泵壓力自動卸載，電機自動調速，失壓停機等功能，保證了工作面液壓支架安全、高效供液。

5）新的控制系統節省了人力，提高了井下綜采作業效率，具有十分重要的意義。