綜采工作面自動(dòng)化技術(shù)研究與應(yīng)用

周永盛

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)能源投資開發(fā)有限公司， 山西 古交 030200）

引言

我國能源儲(chǔ)量豐富，煤炭資源儲(chǔ)量更是位居世界第一，考慮到煤炭資源屬于不可再生資源，所以隨著開采年限的不斷增加，煤炭資源的儲(chǔ)量日益降低。為避免煤炭資源開采過量，我國提出利用清潔能源（風(fēng)能、水能、太陽能等）代替化石能源，但由于清潔能源工業(yè)仍處于起步階段，能源產(chǎn)量在我國整體能源消耗中占比較小，所以煤炭資源的開采仍是支撐我國工業(yè)化發(fā)展的重要保證。傳統(tǒng)機(jī)械化采煤工作面環(huán)境差、作業(yè)人員多，礦井生產(chǎn)安全難以保障，極大地限制了煤礦開采效率及綜采設(shè)備效能，所以研究自動(dòng)化工作面是十分有必要的[1-2]。現(xiàn)階段國內(nèi)外許多大型煤礦均已轉(zhuǎn)型為自動(dòng)化采煤，且未來煤礦開采逐漸朝著智能化、自動(dòng)化的方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)工作面“人少則安，無人則安”安全理念更是煤炭行業(yè)發(fā)展的目標(biāo)[3-4]，所以本文以鉑龍煤業(yè)為研究背景，對(duì)工作面自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)行研究，對(duì)綜采自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用及推廣作出一定的貢獻(xiàn)。

1 礦井概況

鉑龍煤業(yè)井田內(nèi)02 號(hào)、2 號(hào)、4 號(hào)、8 號(hào)、9 號(hào)煤層地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，局部簡(jiǎn)單偏中等，煤層平均厚度分別為1.36 m、2.15 m、0.86 m、3.99 m、1.62 m。根據(jù)已批復(fù)的地質(zhì)報(bào)告，礦井保有資源儲(chǔ)量51.61 Mt，設(shè)計(jì)可采儲(chǔ)量29.14 Mt。礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力1.2 Mt/年，礦井服務(wù)年限17.3 年。3108 工作面設(shè)計(jì)時(shí)將進(jìn)風(fēng)順槽、輔運(yùn)大巷布置在同一水平，同時(shí)作為進(jìn)風(fēng)、行人和運(yùn)輸通道，破碎機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、皮帶機(jī)布置于進(jìn)風(fēng)順槽，在輔助進(jìn)風(fēng)布置設(shè)備列車，回風(fēng)順槽同樣與輔運(yùn)大巷處于同一水平，承擔(dān)運(yùn)料、回風(fēng)、行人任務(wù)。

綜采工作面自動(dòng)化系統(tǒng)是一種綜合計(jì)算機(jī)、機(jī)電、自動(dòng)控制等機(jī)械化技術(shù)于一體的綜合機(jī)械化采煤技術(shù)，在進(jìn)行工作過程中，為保證運(yùn)行效率及提升運(yùn)行安全性，本文以3108 工作面為研究背景對(duì)綜采工作面自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)行研究。

2 自動(dòng)化工作面設(shè)計(jì)

2.1 液壓支架電液控制

首先對(duì)液壓支架電液控制進(jìn)行研究，鉑龍煤業(yè)3108 工作面采用SAC 電液控制系統(tǒng)對(duì)工作面液壓支架進(jìn)行控制，電液系統(tǒng)主要包括壓力傳感器、行程傳感器、支架控制器、電液換向閥、電源箱等，通過監(jiān)控系統(tǒng)與顯示裝置進(jìn)行連接，實(shí)時(shí)反映液壓支架整體工作情況。在每臺(tái)液壓支架上配合支架控制器，通過順序連接將液壓支架形成整體信號(hào)網(wǎng)絡(luò)，通過數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸，將工作面整體礦壓信息進(jìn)行集中匯總、集中監(jiān)控。工作面電液控制系統(tǒng)配置連接如圖1所示。

圖1 工作面電液控制系統(tǒng)配置連接圖

設(shè)定的SAC 液壓控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)工作面的液壓支架參數(shù)修改，支架立柱與推移行程的顯示與監(jiān)測(cè)，同時(shí)對(duì)采煤機(jī)的行走位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)，計(jì)算工作面推進(jìn)距離等工作，最為重要的是實(shí)現(xiàn)液壓支架數(shù)據(jù)與采煤機(jī)數(shù)據(jù)的交互，從而實(shí)現(xiàn)綜采面自動(dòng)化控制。

2.2 總線系統(tǒng)

綜采面選用新型CAN 總線系統(tǒng)采煤機(jī)，采煤機(jī)支持多種外接接口如485 現(xiàn)場(chǎng)總線、CAN 現(xiàn)場(chǎng)總線等，同時(shí)通過多線協(xié)議確保控制精度。通過采用CAN 總線可以有效地提升采煤機(jī)的實(shí)時(shí)性及運(yùn)行穩(wěn)定性，提升采煤機(jī)數(shù)據(jù)的傳輸速度及數(shù)據(jù)處理速度，通過ifix 組態(tài)編程對(duì)其進(jìn)行集中控制。CAN 總線系統(tǒng)可以避免由于工作面與順槽位置較遠(yuǎn)及工作面環(huán)境惡劣等特點(diǎn)，通過載波通信提升通信穩(wěn)定性，同時(shí)總線系統(tǒng)包含自動(dòng)割煤及回采三角煤功能，通過對(duì)不同運(yùn)行程序的切換，達(dá)到中部、兩端端頭的全自動(dòng)化割煤任務(wù)。

2.3 監(jiān)控系統(tǒng)

采煤機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，采用快速通信網(wǎng)絡(luò)及穩(wěn)定工作環(huán)網(wǎng)進(jìn)行傳輸，通過編寫遠(yuǎn)程監(jiān)控程序及組態(tài)化畫面設(shè)計(jì)，達(dá)到工作面設(shè)備的在線遠(yuǎn)程監(jiān)控。通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、作業(yè)環(huán)境、運(yùn)行狀態(tài)等進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，為管理人員決策提供依據(jù)。通過動(dòng)力載波技術(shù)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)地面及順槽的遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)由隔爆計(jì)算機(jī)、視頻客戶端、組態(tài)客戶端及操作臺(tái)等組成，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控液壓支架、采煤機(jī)運(yùn)行視頻畫面的操作。為了保證采煤機(jī)運(yùn)行安全性，在采煤機(jī)的機(jī)尾布置瓦斯傳感器，將瓦斯傳感器的數(shù)據(jù)傳輸至順槽監(jiān)控主機(jī)，達(dá)到采煤機(jī)運(yùn)行同瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)的聯(lián)動(dòng)，采煤機(jī)牽引雙速度及瓦斯?jié)舛嚷?lián)動(dòng)系統(tǒng)如圖2 所示。

圖2 采煤機(jī)牽引雙速度及瓦斯?jié)舛嚷?lián)動(dòng)系統(tǒng)圖

在綜采工作面輔助運(yùn)輸巷布置列車設(shè)備，系統(tǒng)采用KTC101 控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)為雙系統(tǒng)控制，其中一套為皮帶控制系統(tǒng)，另一套為工作面控制系統(tǒng)，兩套系統(tǒng)通過KFD101-A 智能終端進(jìn)行耦合連接，雙系統(tǒng)通過工業(yè)環(huán)網(wǎng)將系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至地面數(shù)據(jù)服務(wù)器上，通過ifix 進(jìn)行組態(tài)編程，實(shí)現(xiàn)一鍵啟停控制。工作面控制系統(tǒng)在轉(zhuǎn)載機(jī)機(jī)頭位置布置KTC101-IC 擴(kuò)音器，用于控制破碎機(jī)及轉(zhuǎn)載機(jī)，同時(shí)沿工作面走向每15 m 間隔位置布置KTK101-1 電話，電話間用25 m 的電纜進(jìn)行連接，在末端電話位置安裝終端。皮帶控制系統(tǒng)在沿線位置布置本質(zhì)安全型閉鎖開關(guān)及KTK101-2-HA 組合擴(kuò)音器，同時(shí)在皮帶機(jī)頭布置KJS101-8（12）下機(jī)位，保護(hù)機(jī)頭檢測(cè)。

2.4 視頻系統(tǒng)

視頻系統(tǒng)是管理人員清楚檢測(cè)采煤現(xiàn)場(chǎng)及運(yùn)行設(shè)備的重要保證，通過在液壓支架上部安裝視頻監(jiān)控儀，并將連接器與綜合接入器進(jìn)行相連，實(shí)時(shí)將工作面視頻信號(hào)通過以太網(wǎng)傳輸至順槽監(jiān)測(cè)中心計(jì)算機(jī)端，實(shí)現(xiàn)工作面工況的監(jiān)測(cè)，同時(shí)濃度傳感器同樣將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至順槽監(jiān)控中心端，完成數(shù)據(jù)的集中控制。工作面視頻監(jiān)控系統(tǒng)單元配置如圖3所示。

圖3 工作面視頻監(jiān)控系統(tǒng)單元配置

在實(shí)際工作工程中，發(fā)現(xiàn)工作面壓力機(jī)流量不足，需要調(diào)節(jié)乳化液泵的數(shù)量，從而滿足生產(chǎn)需求。最終確定，通過供液泵直接輸送至液箱，通過加壓后輸送至工作面，泵站裝有乳化箱、水箱、軟化水凈化裝置，泵站設(shè)備通過PLC 控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。

對(duì)綜采面自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用研究，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)如下效果：

1）液壓支架支護(hù)質(zhì)量明顯提升，瓦斯?jié)舛燃皾L幫現(xiàn)象得到有效控制。

2）液壓支架實(shí)現(xiàn)電液控制，監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)時(shí)顯示液壓支架支撐力，保證了支護(hù)質(zhì)量。

3）實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸系統(tǒng)、支架及工作面的“三集中”控制，提升工作效率。

4）頂板壓力實(shí)時(shí)顯示，為礦壓控制提供一定的依據(jù)。

5）提升了工作面自動(dòng)化程度，減少工作面人員，提升工作面人員安全程度，同時(shí)優(yōu)化工藝環(huán)節(jié)。

在3 個(gè)月的使用過程中，未有設(shè)備出現(xiàn)故障及大型零件更換，提升了設(shè)備運(yùn)行效率。

3 結(jié)語

本文以鉑龍煤業(yè)為研究背景，對(duì)工作面自動(dòng)化進(jìn)行研究，重點(diǎn)對(duì)工作面液壓支架電液控制、采煤機(jī)自動(dòng)化控制、運(yùn)輸系統(tǒng)集中控制、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等進(jìn)行研究分析，給出了綜采工作面自動(dòng)化控制方案。通過應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)該方案有效提升了工作面自動(dòng)化程度，減少工作面人員，提升了工作面人員安全，為礦井自動(dòng)化開采提供一定的參考。