礦井智能綜采關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用研究

陳 科

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)燕子山礦，山西 大同 037007）

燕子山礦的各類裝備投入時(shí)間不同，在最初規(guī)劃時(shí)沒有考慮各設(shè)備之間的協(xié)同運(yùn)行需求，導(dǎo)致在實(shí)際使用過程中各個(gè)設(shè)備均為獨(dú)立運(yùn)行模式，各設(shè)備之間的協(xié)同主要是靠人工經(jīng)驗(yàn)調(diào)整，效率低、安全性差，限制井下綜采作業(yè)效率進(jìn)一步提升。

結(jié)合井下提效需求，通過井下綜采面智能集成控制系統(tǒng)，將采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架相互連接，對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果實(shí)現(xiàn)了智能聯(lián)動(dòng)控制運(yùn)行。根據(jù)煤礦井下實(shí)際應(yīng)用表明，新的控制系統(tǒng)能夠?qū)⒕戮C采效率提升8.1%，將井下作業(yè)人員數(shù)量降低63.75%，對(duì)于提升井下綜采作業(yè)的效率和安全性具有十分重要的意義。

1 綜采面智能集成控制系統(tǒng)

煤礦井下智能化綜采作業(yè)的核心是實(shí)現(xiàn)對(duì)綜采面采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架運(yùn)行的智能集成控制，改變以往各類設(shè)備獨(dú)立運(yùn)行的模式，實(shí)現(xiàn)各綜采設(shè)備之間的自主耦合聯(lián)動(dòng)運(yùn)行，因此需要建立智能化集成控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)綜采面上各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的集中調(diào)整和控制。

該智能集成控制系統(tǒng)主要包括地面控制中心、井下集控中心和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)三個(gè)部分。地面控制中心主要是控制系統(tǒng)的監(jiān)控終端，對(duì)井下綜采面各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)，確保井下綜采作業(yè)的安全性。井下集控中心主要包括采煤機(jī)遠(yuǎn)程操作臺(tái)、支架遠(yuǎn)程操作臺(tái)、集控操作臺(tái)等，主要控制采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)的協(xié)同運(yùn)行。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)作為“橋梁”溝通井下和地面控制中心，滿足數(shù)據(jù)傳輸安全性和快速性的需求，是確保系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵。

2 采煤機(jī)、液壓支架聯(lián)動(dòng)控制

井下集控中心的主要作用是對(duì)采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)并控制各類設(shè)備的協(xié)同運(yùn)行，特別是采煤機(jī)和液壓支架的協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)，對(duì)確保煤礦井下的綜采作業(yè)安全和效率具有十分重要的意義。

為了滿足智能協(xié)同控制的需求，根據(jù)井下綜采作業(yè)的實(shí)際情況，要求采煤機(jī)能夠自動(dòng)識(shí)別井下巖層狀態(tài)并控制截割機(jī)構(gòu)進(jìn)行自適應(yīng)截割作業(yè)，同時(shí)液壓支架需要根據(jù)采煤機(jī)的實(shí)際運(yùn)行情況跟隨采煤機(jī)完成自主跟機(jī)移架作業(yè)。采煤機(jī)、液壓支架的聯(lián)動(dòng)控制作用原理如圖1[1]。

圖1 采煤機(jī)、液壓支架聯(lián)動(dòng)控制方案

采煤機(jī)采用了人工記憶截割控制模式[2]。在工作過程中，先由人工控制采煤機(jī)根據(jù)井下的實(shí)際情況進(jìn)行一次全周期截割，系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)人工控制模式下采煤機(jī)的截割姿態(tài)、截割參數(shù)進(jìn)行記錄，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到控制中心內(nèi)。當(dāng)采煤機(jī)處于記憶截割的模式下時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)取對(duì)應(yīng)的截割參數(shù)信息，控制采煤機(jī)的自動(dòng)截割作業(yè)。

為了保證液壓支架和采煤機(jī)相對(duì)位置定位的準(zhǔn)確性，在采煤機(jī)上設(shè)置了紅外線定位發(fā)射裝置[3]，在液壓支架上設(shè)置了紅外線定位接收裝置。采煤機(jī)在運(yùn)行過程中連續(xù)發(fā)出紅外線信號(hào)，液壓支架接收到信號(hào)后即可判斷出和采煤機(jī)的相對(duì)位置，然后將相關(guān)信息傳遞到集控中心內(nèi)，通過支架控制器來控制支架組的跟機(jī)、推移、護(hù)幫等動(dòng)作，確保液壓支架和采煤機(jī)動(dòng)作的協(xié)調(diào)性。

根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)，采用采煤機(jī)、液壓支架協(xié)同運(yùn)行控制后，采煤的效率由最初的873 噸/工，提高到了目前的944 噸/工，效率提升了8.1%，有效地降低了井下綜采作業(yè)時(shí)的勞動(dòng)強(qiáng)度和設(shè)備協(xié)同失效導(dǎo)致的停機(jī)事故。

3 綜采面智能支護(hù)控制

液壓支架在井下支護(hù)的過程中，不同階段的支護(hù)狀態(tài)需求不同，其支護(hù)的核心要求是支架支護(hù)強(qiáng)度需要和適應(yīng)圍巖的變化狀態(tài)，從而降低巷道頂板的下沉量。但在實(shí)際使用過程中由于受泄漏或者其他因素影響，液壓支架支護(hù)時(shí)的支撐力會(huì)逐漸降低，影響支護(hù)安全性。目前主要通過人工排查的方法進(jìn)行調(diào)整，保持支撐力，但由于支架數(shù)量多、地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，人工調(diào)節(jié)方案存在效率低、調(diào)節(jié)精確性差的不足。

為了保證信息采集的準(zhǔn)確性，在液壓支架的一級(jí)護(hù)幫板上設(shè)置了行程傳感器和壓力傳感器。工作時(shí)壓力傳感器將數(shù)據(jù)信息傳遞給智能控制系統(tǒng)，系統(tǒng)同步對(duì)圍巖的變形情況和礦壓情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，若系統(tǒng)判定需要對(duì)液壓支架進(jìn)行補(bǔ)壓，則控制液壓系統(tǒng)工作，為指定的液壓支架進(jìn)行補(bǔ)壓。補(bǔ)壓控制模式如圖2。

圖2 智能補(bǔ)壓控制邏輯

以常用的GYZ4 型液壓支架為例，其工作時(shí)的設(shè)定壓力為30 MPa，在井下支護(hù)過程中所設(shè)定的補(bǔ)壓下限值P1=26 MPa，P0=20 MPa。在補(bǔ)壓時(shí)為了確保支護(hù)的穩(wěn)定性，可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定補(bǔ)壓延時(shí)時(shí)間T0、T1和T2。支架工作過程中，當(dāng)由于頂板松動(dòng)或者其他原因?qū)е乱簤褐Ъ艿闹螇毫π∮谠O(shè)定值后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)識(shí)別并進(jìn)行補(bǔ)壓，保持液壓支架在整個(gè)支護(hù)過程中壓力的穩(wěn)定性，提高對(duì)不同地質(zhì)條件支護(hù)的靈活性。

根據(jù)在井下的實(shí)際應(yīng)用，該液壓支架智能支護(hù)調(diào)節(jié)模塊能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)井下液壓支架組的集中控制，對(duì)支護(hù)壓力的調(diào)節(jié)精度可達(dá)0.01 MPa，能夠有效地確保井下支架的支護(hù)可靠性。

4 刮板輸送機(jī)調(diào)直控制

刮板輸送機(jī)不僅是井下物料運(yùn)輸?shù)暮诵脑O(shè)備，還是采煤機(jī)和液壓支架進(jìn)行移動(dòng)的支點(diǎn)。由于井下地質(zhì)條件較為復(fù)雜，采煤機(jī)、液壓支架在運(yùn)行過程中需要保持一定的運(yùn)行直線度，否則會(huì)影響井下的綜采作業(yè)。目前主要采用人工校正調(diào)直的方案，效率低且精度差，難以滿足井下自動(dòng)化綜采作業(yè)的控制需求。因此本文提出了一種新的刮板輸送機(jī)自動(dòng)調(diào)直控制方案，通過對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行軌跡的監(jiān)測(cè)，判斷出刮板輸送機(jī)的偏移量，然后通過控制液壓支架每次調(diào)整時(shí)的位移量，來實(shí)現(xiàn)對(duì)刮板輸送機(jī)直線度的調(diào)整。

由于井下綜采面較長(zhǎng)，因此為了保證監(jiān)測(cè)信號(hào)傳輸?shù)木_性，沿著綜采面設(shè)置了無線傳輸基站。基站的距離根據(jù)井下實(shí)際情況確定，一般不超過100 m。各個(gè)基站和集控中心之間采用高速光纖網(wǎng)絡(luò)相連接，確保井下數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

在實(shí)際工作過程中，在采煤機(jī)上設(shè)置慣性導(dǎo)航定位裝置[4]，對(duì)采煤機(jī)在井下的運(yùn)行軌跡進(jìn)行精確監(jiān)測(cè)，然后自動(dòng)解算出對(duì)應(yīng)的刮板輸送機(jī)的軌跡，進(jìn)而判斷出刮板輸送機(jī)的彎曲度。由于采用了組合式導(dǎo)航模式，因此在系統(tǒng)內(nèi)只需要確定采煤機(jī)的行走距離，導(dǎo)航定位系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)對(duì)物體的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)算，將測(cè)算結(jié)果和理論坐標(biāo)對(duì)比，即可判斷出運(yùn)行軌跡的精度。當(dāng)出現(xiàn)偏差后系統(tǒng)進(jìn)行慣性導(dǎo)航修正，滿足運(yùn)行精確性的需求。實(shí)際應(yīng)用表明，該自動(dòng)定位裝置的監(jiān)測(cè)精度達(dá)到了±0.1 m，完全滿足對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行軌跡的精確監(jiān)測(cè)需求。其監(jiān)測(cè)原理如圖3。

圖3 采煤機(jī)運(yùn)行軌跡監(jiān)測(cè)原理圖

根據(jù)在燕子山煤礦井下的實(shí)際應(yīng)用表明，該智能綜采集控系統(tǒng)能夠?qū)⒕戮C采作業(yè)人員數(shù)量由160 人降低到58 人，人員減少了63.75%，極大地提升了煤礦井下綜采作業(yè)的自動(dòng)化程度和安全性。

5 結(jié)論

針對(duì)煤礦井下綜采面智能化程度低、綜采作業(yè)人員多、效率低的不足，針對(duì)性地對(duì)智能化綜采的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，提出一種新的綜采面智能集成控制系統(tǒng)，對(duì)該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用情況進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：

（1）智能集成控制系統(tǒng)主要包括地面控制中心、井下集控中心和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)三個(gè)部分，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)綜采面上各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的集中調(diào)整和控制。

（2）采用采煤機(jī)、液壓支架協(xié)同運(yùn)行控制后，采煤效率提升了8.1%，有效地降低了井下綜采作業(yè)時(shí)的勞動(dòng)強(qiáng)度和設(shè)備協(xié)同失效導(dǎo)致的停機(jī)事故。

（3）井下液壓支架支護(hù)智能調(diào)節(jié)模塊能夠?qū)⒁簤褐Ъ芄ぷ鲿r(shí)的支護(hù)壓力維持在0.01 MPa 范圍內(nèi)，能夠有效提升液壓支架的支護(hù)穩(wěn)定性。

（4）新的智能綜采集控系統(tǒng)能夠?qū)⒕戮C采作業(yè)人員數(shù)量減少63.75%，極大地提升了煤礦井下綜采作業(yè)的自動(dòng)化程度和安全性。