大采高智能化綜采工作面的研究與應(yīng)用

張 偉

（霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司方山木瓜煤礦，山西 呂梁 033102）

現(xiàn)如今，我國的煤礦自動化技術(shù)已經(jīng)步入了快速發(fā)展階段，在實際的綜采工作面進行的過程中，各個企業(yè)都大量投入了采煤機、液壓支架以及運輸設(shè)備等重要機械設(shè)備，以實現(xiàn)自動化的控制與運輸。進入21世紀(jì)，我國的高新科技產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，大數(shù)據(jù)智能化與采煤技術(shù)充分融合，成為大采高智能化采煤工作面開采技術(shù)應(yīng)用的大勢所趨。大采高智能化采煤工作面開采技術(shù)應(yīng)用復(fù)雜、設(shè)備種類多，對系統(tǒng)及人員方面提出更高要求。通過各種技術(shù)的應(yīng)用能夠在很大程度上降低采煤工作所需要投入的勞動力，但因綜采工作面的地質(zhì)條件較為復(fù)雜、煤層儲存變化大等特點[1]，在實際的智能化技術(shù)應(yīng)用的過程中，仍然需要安排技術(shù)人員進行技術(shù)干預(yù)與操控。希望本文所研究內(nèi)容能為相關(guān)公司的發(fā)展提供一些可參考的應(yīng)用經(jīng)驗。

1 智能化綜采工作面的基本狀況

此次研究的采煤工作面位于采煤區(qū)域的四盤區(qū)中部，該地區(qū)的大采高工作面具有一定的代表性，并且該采煤區(qū)的東部為14021工作面采空區(qū)，南側(cè)房臨近F18斷層，西部是未計劃開采的區(qū)域，北側(cè)有三大巷的建設(shè)項目。對工作面進行統(tǒng)計得出，該工作面的上順槽長度為2 110 m，下順槽長度為2 300 m，切眼傾斜長度為200 m。在規(guī)劃區(qū)域內(nèi)，該工作面所使用的采煤技術(shù)為走向長壁后退式采煤方法以及一次采全高綜合機械化采煤工藝，沿煤層頂部進行回采工作，采高區(qū)間為4.6～6.2 m，基巖厚度＞53 m的地區(qū)則達到了6.2 m的最大采高，一個循環(huán)推進度為80 cm，頂板作業(yè)時采用液壓支架進行支護。

2 智能化綜采工作面的設(shè)備應(yīng)用情況

2.1 采煤機的選擇

采煤機選擇的是西安煤礦機械有限公司所生產(chǎn)的MG900/2320-GWD型號的采煤機。該種采煤機的功能較多且穩(wěn)定性較好，在國內(nèi)擁有較為廣泛的適用范圍，自身具有位置姿態(tài)自動定位、數(shù)據(jù)收集與長傳、拓展性自動化接口平臺、自身精準(zhǔn)定位、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、工作面設(shè)備自動調(diào)直等功能。該采煤機能夠進行遠程遙控與調(diào)試，可實時運行并將采集的數(shù)據(jù)及時上傳，可通過CAN總線的設(shè)計與應(yīng)用，將采煤機自身所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)向第三方設(shè)備進行信號與數(shù)據(jù)傳輸。因此，該采煤機能夠滿足礦井智能管控平臺建設(shè)的需求。

2.2 刮板運輸機的選擇

刮板運輸機的選擇同樣需要滿足智能化的應(yīng)用，公司選用寧夏天地重型裝備科技有限公司所生產(chǎn)的中雙鏈刮板運輸機。該種運輸機能夠根據(jù)生產(chǎn)的需求進行變速，通過遠程遙控就能完成速度的調(diào)試，并且有變頻啟動以及定頻啟動兩種設(shè)計。在該運輸機的內(nèi)部還設(shè)置了設(shè)備健康管理系統(tǒng)，能夠?qū)伟暹\輸機運行過程中出現(xiàn)的故障以及隱患及時進行診斷，從而方便技術(shù)人員進行故障的排查工作，提高設(shè)備維護與檢修效率。

2.3 液壓支架的選擇

在該工作面建設(shè)的過程中，因需要滿足自動跟機的設(shè)計要求，該公司選用鄭州煤礦機械股份有限公司所生產(chǎn)的ZY18000/30/65D型液壓支架。該種支架的綜合性能較好，并且能夠與周圍其他型號支架構(gòu)成自動控制系統(tǒng)，具備急停閉鎖、工作面壓力檢測、自動補壓、跟機自動移動、跟機噴霧、數(shù)據(jù)實時上傳等功能。

3 智能化綜采工作面技術(shù)所具備的主要功能

3.1 液壓支架自動跟機

在液壓支架系統(tǒng)建設(shè)時，所有支架均選用ZE0704型電液控制系統(tǒng)，各個支架都安裝了立體壓力傳感器、推移形成傳感器、4個傾角傳感器、紅外接收器和電控先導(dǎo)閥[2]。通過應(yīng)用CAN總線通訊來進行信息傳輸系統(tǒng)的搭建，以電壓控制系統(tǒng)為核心進行整機系統(tǒng)的建設(shè)。為保證系統(tǒng)建設(shè)的拓展性，通過采煤機自帶的紅外線位置檢測、視頻檢測以及各種檢測功能的應(yīng)用，實現(xiàn)液壓支架防傾倒、防片幫、防冒落，做到自動收護幫板、跟機噴霧、自動推溜、移架和補壓，從而全面實現(xiàn)液壓支柱自動跟機作業(yè)，以及對機械狀態(tài)數(shù)據(jù)信息和產(chǎn)品信息的實時跟蹤和監(jiān)測。

3.2 采煤機自動機記憶截割

通過應(yīng)用采煤機自動記憶截割功能，可實現(xiàn)自動化割煤。采煤機控制系統(tǒng)主要使用過移型調(diào)高油缸，油缸的高低變化能檢測出工作面的狀態(tài)，從而實現(xiàn)對整個采高面的自主定位工作。此外，通過軸編碼器的應(yīng)用可對工作面所處的位置進行自動化定位。在完成數(shù)據(jù)收集的基礎(chǔ)上應(yīng)用采煤機自動跟機視頻監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控室中的技術(shù)人員就能通過采煤機所提供的數(shù)據(jù)來判斷出煤層的變化情況、滾筒截割狀況、支架狀態(tài)等。如果工作面頂板出現(xiàn)故障，也可通過采煤機的應(yīng)用進行遠程干預(yù)工作，從而及時調(diào)整工作面的工程質(zhì)量，保證整個工作面都能夠保持正常生產(chǎn)的狀態(tài)。

3.3 視頻監(jiān)測系統(tǒng)以及語音通訊系統(tǒng)的應(yīng)用

通過以上兩項技術(shù)的應(yīng)用可以有效幫助地面技術(shù)人員了解到工作面的狀況，并且對可能出現(xiàn)的故障進行應(yīng)急處理。在實際的視頻監(jiān)測以及語音通訊功能建設(shè)的過程中，需要對工作面以及重要的區(qū)域進行云臺攝像儀的搭建，并與控制室進行傳輸線路的建設(shè)，以達到360°無死角監(jiān)測的目的，從而實現(xiàn)對整個綜采作業(yè)區(qū)設(shè)備的全程實時監(jiān)控以及視頻信息共享[3]。在順槽帶式運輸機及工作面安裝通訊系統(tǒng)，可保障全線通訊暢通，方便工作人員進行實時交流。

4 大采高智能化綜采工作面的工程應(yīng)用

4.1 工程概況

大采高智能化綜采工程為7 m的大高采工程，系統(tǒng)復(fù)雜、所用到的設(shè)備種類多、關(guān)鍵控制技術(shù)難度大，大采高智能化綜采系統(tǒng)如圖1所示。初期每年投產(chǎn)10 Mt。礦井為斜井開拓，通風(fēng)方式為分區(qū)法，屬低瓦斯礦井之列。試驗中，其工作面為此礦的15205大采高綜工作面，煤層厚度為1.2～9.3 m，采高平均值約6.8 m，工作面總長度是3 030 m，其傾向長度為354 m，對其進行雙向采割，機械作業(yè)速度為7 m/min，調(diào)度速度是10 m/min，執(zhí)行方式為2.5班生產(chǎn)，0.5班檢修的“三八”作業(yè)制。

圖1 大采高智能化綜采系統(tǒng)

4.2 關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用

在大采高智能化綜采工作面應(yīng)用中，關(guān)鍵技術(shù)控制有工作面總控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、圍巖支架耦合控制技術(shù)、高清可視化技術(shù)、快速移架控制技術(shù)和設(shè)備三維虛擬現(xiàn)實技術(shù)等[4]。自系統(tǒng)運行以來性能穩(wěn)定，大采高智能化綜采工作面控制的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 為大采高智能化綜采工作面控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

從圖2可知，利用工作面總控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)建了一個統(tǒng)一開放的具有100 Mbps工業(yè)以太網(wǎng)的工作面控制平臺。利用工作面圍巖支架耦合控制技術(shù)完成支架姿態(tài)監(jiān)測、頂板圍巖耦合、幫部圍巖耦合及支架傾倒控制，有效控制了開采過程中安全事故的發(fā)生?？紤]到煤礦綜采工作面的復(fù)雜性，本工程中選用了一款礦用本安型高清云臺攝像儀，鏡頭為720P高清攝像頭，該鏡頭可隨意實現(xiàn)色彩切換，旋轉(zhuǎn)精度達1°，特別是在低照度作業(yè)中，也能清晰顯示現(xiàn)場情況，為遠程人員干預(yù)創(chuàng)造了更好的作業(yè)條件。由于大采高智能綜采工作面作業(yè)會產(chǎn)生強地壓，因此，本工程中選用了快速移架控制技術(shù)，并利用三維動畫技術(shù)建模，以模擬解決開采中可能遇到的實際問題。

5 應(yīng)用效果

經(jīng)開采實踐證明，大采高智能化綜采會給圍巖帶來極大破壞，支撐壓力和峰值都變大，但通過大采高智能化綜采技術(shù)的應(yīng)用，煤壁在礦壓下易產(chǎn)生的片幫、冒頂?shù)葐栴}得到了及時發(fā)現(xiàn)和有效解決。因此，這次工程實踐是對智能化工作面大采的有益嘗試。此外，通過深入到基層進行考察發(fā)現(xiàn)，智能化綜采工作面的建設(shè)，原本需要30人投入工作的生產(chǎn)區(qū)域現(xiàn)如今僅僅只需8人，減少了人工成本投入，改善了工作的環(huán)境狀況，真正顯示了智能化生產(chǎn)的效果。