煤礦自動化安全綜采技術的研究

張 磊

（山西霍爾辛赫煤業有限責任公司， 山西 長子 046600）

引言

隨著以采煤機為代表的自動化綜采設備的不斷投入使用，極大提升了煤礦井下的綜采作業效率，但由于煤礦井下地質條件和綜采作業環境相對復雜，因此目前采煤機的截割作業主要依靠人工控制，容易出現因人工操作失誤而導致的采煤機截割故障。同時在井下綜采作業過程中液壓支架需要根據采煤機的綜采作業進度來不斷地調整支護姿態，人工調節存在著效率低、精度差、安全性不足的難題，因此也在一定程度上限制了采煤機的綜采作業效率[1]。

結合自動化控制技術的發展，本文提出了一種新的煤礦自動化安全綜采技術，該技術的核心是在實現采煤機自動綜采作業控制的基礎上再建立一套采煤機、液壓支架、刮板輸送機自動化聯合控制系統，以采煤機為自動控制的參考對象，實現液壓支架、刮板輸送機隨著采煤機的綜采不斷調整工作狀態，實現“三機”的自動化聯動運行。根據實際應用表明，該自動化安全綜采技術，將井下綜采效率提升了17.3%，將作業面人為安全事故數量降低了88.3%，極大地提升了煤礦井下綜采作業的經濟性和安全性。

1 采煤機記憶截割控制

煤礦井下地質條件較為復雜，因此要實現采煤機的自動截割控制，最重要的是要搭建采煤機的自動識別和路徑規劃控制邏輯，在對視頻遠程控制、記憶截割控制等方案進行分析后，最終確定采用記憶截割控制的方式來實現采煤機的自動綜采作業。該控制方式首先由人工控制采煤機進行截割，由存儲系統對截割作業過程中采煤機的截割軌跡和參數進行記錄，當進入自動截割控制模式后，系統自動調取存儲的截割參數，控制采煤機進行自動截割作業，該記憶截割控制系統結構如圖1 所示[2]。

圖1 采煤機記憶截割控制系統示意圖

由圖1 可知，該控制系統主要包括檢測單元、控制單元、執行單元三個部分，模塊化程度高。檢測單元主要是由分布在采煤機上的各類傳感器構成，主要用于對采煤機的截割參數、采煤機截割姿態進行監控，通過各個油缸的伸縮量獲取采煤機在截割作業時的截割高度、截割軌跡。對截割作業時截割電流的監控可以對煤巖的硬度變化情況進行監測，從而能夠自動調整采煤機截割時的截割轉速、進給速度，在保證截割安全的前提下提升采煤機的截割效率。

在掘進作業過程中，首先由人工控制采煤機進行綜采作業，在截割的過程中檢測單元對采煤機的截割姿態和參數進行標定并存儲，當開始進行自動截割作業時，系統調取存儲的截割參數信息，經比例放大器進行信號放大后向采煤機的執行單元發出調節控制信號，進而控制采煤機的搖臂和截割機構進行自動截割運行，并在截割作業過程中及時對截割姿態進行修正，提升采煤機綜采作業的精度。

2 “三機”聯動運行控制系統

采煤機、液壓支架、刮板輸送機是煤礦井下綜采作業的“三機”[3]，在綜采作業過程中采煤機不斷向前進行截割作業，液壓支架需要根據采煤機的不同位置進行跟機支護作業，采煤機截割下來的煤炭需要通過刮板輸送機進行運輸。由此可知，液壓支架、刮板輸送機的運行均是以采煤機的運動狀態為參考的，因此“三機”聯動運行控制的基本原理也是通過對采煤機運行狀態的監測，來發出調控信號，實現對液壓支架、刮板輸送機的控制，滿足綜采“一個流”的連續作業模式，該“三機”聯動運行控制系統的總體結構如圖2 所示[4]。

圖2 “三機”聯動控制系統結構示意圖

由圖2 可知，該聯動控制系統主要包括地面管理層、巷道監控層以及設備層三個部分，地面管理層主要是數據控制中心，用于顯示井下“三機”的運行狀態，同時控制人員能夠在操作臺前進行遠程調控，滿足不同情況下的遠程調控需求。

巷道監控層，該層是監控系統的核心，主要包括井下監控中心、聯動控制器、不間斷電源等，在該處能夠實現對井下綜采現場的可視化監測，對各監控傳感器的監測數據進行匯總和分析，對綜采作業面的實際情況進行判斷，并發出調控指令，聯動控制器接收到調節控制指令后將數據信息發送給各支架控制器、采煤機及刮板輸送機，進而實現對“三機”運行狀態的實時調控。

設備層，是整個控制系統的基礎層，主要是包括各類傳感器設備及支架控制器，主要用于對采煤機、液壓支架、刮板輸送機的運行狀態進行監控，并將數據傳輸給聯動控制器，為系統的決策提供基礎數據信息。

3 液壓支架聯動控制

液壓支架是煤礦井下支護作業的核心，該自動化安全綜采系統中，對液壓支架組支護狀態和安全的控制主要是由支架控制系統來完成的，用于實現液壓支架的跟機自動運行，保證液壓支架支護時的支護穩定性。該支架控制系統主要包括傳感器、支架控制器等，該系統采用模塊化的結構設計，不同的支架控制器之間采用隔離耦合器進行連接，滿足不同支護情況下的使用需求，該液壓支架聯動控制系統結構如圖3 所示[5]。

由圖3 可知，該控制系統的核心為支架控制器[6]，不同的支架控制器之間通過總線連接，由分布在液壓支架、采煤機上的紅外傳感器對支架、采煤機的相對位置進行判斷，然后根據系統預設的控制邏輯發出調節控制信號，由電磁閥驅動器來驅動電磁閥組的動作，控制對應的液壓支架進行調整，滿足液壓支架的跟機自動運行的控制需求。在液壓支架的支護過程中，壓力傳感器對液壓支架的支護壓力進行及時調整，保持支護壓力的穩定性，避免液壓支架因漏油或者礦壓波動而導致的支護失穩現象，有效提升液壓支架組在整個支護過程中的支護穩定性和可靠性。

圖3 液壓支架聯動控制系統結構示意圖

4 應用可靠性分析

該自動化安全綜采技術應用后，對應用前后的綜采狀況進行對比，結果表明，優化后井下的綜采作業效率由最初的4.4 m/d，提升到了目前的5.16 m/d，綜采作業效率平均提升了17.3%，井下綜采面由于人工操作不規范導致的安全事故數量由最初的1.37 次/d，降低到了目前的0.16 次/d，降低了88.3%，對提升煤礦井下綜采作業效率和安全性具有十分重要的意義，該自動化安全綜采系統界面如圖4 所示。

圖4 自動化安全綜采系統界面示意圖

5 結論

針對煤礦井下自動化綜采程度低、綜采經濟性和安全性低的問題，提出了一種煤礦自動化安全綜采技術，對煤礦井下采煤機自動截割控制及“三機”聯動控制方案進行了研究，結果表明：

1）記憶截割控制系統，主要包括檢測單元、控制單元、執行單元三個部分，模塊化程度高，能夠實現采煤機在井下的自主截割作業；

2）“三機”聯動運行控制是通過對采煤機運行狀態的監測來發出調控信號，實現對液壓支架、刮板輸送機的控制，滿足綜采“一個流”的連續作業模式，提高了井下綜采作業的自動化程度；

3）新的控制系統，將井下綜采效率提升了17.3%，將作業面人為安全事故數量降低了88.3%，對提升綜采作業安全性具有十分重要的意義。