老母坡煤業薄煤綜采工作面智能化控制系統研究與應用

徐川

（冀中能源邢臺礦業集團有限責任公司，河北 邢臺 054000）

0 引 言

我國煤炭企業以及相關研究機構對如何推動綜采工作面智能化做了大量探索和實踐，但這些探索大都集中在“三機配套”裝備實現單機智能化的基礎上。在采煤智能化的應用方面，主要朝著綜合利用多種實用性技術的方向發展，如信息網絡傳輸、音視頻、通訊技術以及綜合控制、自動化技術等。綜采工作面采煤作業的智能化主要表現在3 個方面：人工遠程輔助采煤機的記憶割煤作業；實現運輸設備的集中化控制，輔以人工現場控制；實現工作面設備的自動化作業，輔以人工遠程視頻監控。其目的在于減少工作人員的工作面作業，降低人工作業費用，杜絕采煤安全事故，尤其是威脅作業人員生命安全的隱患。

煤礦的開采過程具有復雜性，從作業裝備的功能方面來說，存在控制方式分散等問題，作業裝備之間較難實現準確、快速協同配合，影響了煤礦開采效率，且各作業裝備自身的性能價值也難以得到充分的發揮，造成大量資源浪費。此外，現有設備較難實現作業環境參數的精準采集，仍需工作人員利用自身工作經驗進行合理化判斷，增加了作業的風險系數、資源損耗以及安全隱患。因此，應將自動化技術與智能化控制技術緊密結合，實現各類作業裝備、設備之間的協同作業，打造“集中化、智能化、人性化”礦區。

1 綜采工作面智能化控制系統設計方法研究

1.1 設計目的及存在的問題

控制系統實現了對采煤機、電液控支架、刮板輸送機、皮帶輸送機、乳化液泵站、破碎機、轉載機等相關作業設備的參數監控及信息處理。其需要實現作業面監控點與集控中心的有效對接，呈現出作業設備的各項實時參數，并分析相關設備是否存在異常情況，相關作業面是否存在事故風險等，一旦發現風險點，實時報警，并儲存、上傳相關信息參數，以便技術人員在處理完相關風險后，能夠進一步分析和研究，最大程度上杜絕相關事件的再次發生。

通過在綜采工作面配置采煤機、破碎機、刮板輸送機、皮帶機、轉載機、破碎機、電液控支架以及乳化液泵站等設備的實際生產運行自動化集中控制部件與工作狀態智能化監測監控，以及與工業視頻信號監控技術無縫聯合，實現上述裝備自動操作/就地手動、工作面順槽視頻信號集中控制與遠程網絡監控，并結合工作面現場煤層地質條件，形成全系統智能化綜采工作面裝備的設計、制造、安裝及聯合工業試驗，實現綜采工作面裝備的少人、無人化操作。將工作現場所有關鍵裝備信息傳輸到工作面順槽集控中心，實現工作面順槽遠程網絡控制。

系統設計過程中面臨各個系統層級的技術難點，見表1。

表1 智能化控制系統設計的技術難點Table 1 Technical difficulties in intelligent control system design

1.2 研究方法

通過聯網遠程控制技術、采煤機記憶截割、電液控支架自動跟機、工作面裝備集中控制和視頻語音通信技術的發展現狀和對比，從視頻傳輸方面、遠程控制和綜采工作面設備自動化設計方面進行研究。系統功能設計要點見表2。

表2 系統功能設計要點Table 2 Key points of system function design

在實現表2 所呈現的系統功能設計要點后，通過配置相配套的視頻監測監控系統，實現綜采工作面的可視化管理，建立起綜采工作面高速、穩定的通訊網絡，實現綜采工作面裝備與采煤工藝相結合的聯動協調操控，以及工作面裝備數據監測監控、故障報警、故障保護等功能，達成工作面環境數據動態監測、報警及對各類作業裝備的聯動控制。

2 綜采工作面智能化控制系統的應用

2.1 工作面情況

老母坡煤業3112 綜采工作面順槽長度750 m，切眼長度140 m，煤層厚度最大2.0 m，平均1.8 m，煤質為主焦煤，工作面內煤層賦存穩定，3112工作面回采至395 m 處揭露F102 斷層，巷道局部會出現煤層起伏變化情況。工作面主要設備配套：采煤機MG200/456-WD1 型，總裝機功率456 kW；支架ZY3200/12/22 型液壓支架；支架電控系統ZE07-04 型電液控系統；刮板輸送機SG730/320型，裝機功率2×160 kW；裝載機SZZ730/132 型，裝機功率132 kW；破碎機PLM1500 型，裝機功率132 kW；泵站WRB400/31.5 型乳化液泵站。

2.2 系統綜述

綜采自動化系統能夠實現人工遠程輔助采煤機的記憶割煤作業、運輸設備的集中化控制，輔以人工現場控制、工作面設備自動化作業，輔以人工遠程視頻監控。主要包含：采煤機視頻信號系統、三機乳化液泵站集控系統、電液控支架系統、視頻監測監控系統、工作面順槽集中控制系統。

2.3 系統的整體智能化技術

該系統可以通過工作面的網絡傳輸實現遠程監測監控與自動化控制系統的協同作業，實現多作業設備、系統之間的有機融合，確保對于工作面作業裝備的集中控制和管理。一旦設備出現參數異常情況，系統會定位相關異常點，并在井下調度點以及集控中心進行報警，方便技術人員排查異常問題，降低事故發生幾率，提升采煤作業效率。

2.3.1 采煤機記憶截割技術

采煤機記憶截割功能主要是通過智能記憶技術的應用來實現自動化割煤，能夠記憶采煤機傳感器的作業位置、速度以及高度等參數信息，并存儲到系統數據庫，通過對多次作業參數的學習，實現自動化記憶割煤作業。通過采煤機記憶截割功能，準確辨別采煤區域，提前設置水平面。另外，需注重優秀數據記錄，結合反饋信息，有序落實采煤工作，提高開采效率。

2.3.2 電液控支架跟機自動化與遠程干預技術

電液控系統是綜采液壓支架的附加品，需要把支架機械結構、傳感器及控制器進行有機結合，實現結構一體化。在自動化跟機功能裝載后，通過傳感器電液控支架系統可以將作業參數與相關視頻信號進行結合處理，并上傳集控中心，方便技術人員根據相關作業環境進行遠程人工干預，確保不同作業環境下各采煤設備自動化作業功能的實現。支架電控系統與順槽主機連接如圖1 所示。

圖1 支架電控系統與順槽主機連接示意Fig.1 Connection of support electrical control system with main machine in the roadway

2.3.3 工作面實景成像技術

工作面實景成像技術可真正實現采煤工作面無人化，將采煤機、電液控支架、刮板輸送機等工作面設備實景影像與系統模型相結合，建立3D 模型。通過檢測前探梁、底座、四連桿的傾角即可確定工作面支架姿態，以及通過推移千斤頂伸縮量，可以建立工作面三機相對位置關系。通過監測三機姿態以確定其相對空間關系，實現遠程操控采煤機采高調整。在支架實景成像中，在操作系統加入邊界輔助線，遠程操作人員可借助輔助線確定工作面設備間及設備與煤壁間距離，保證遠程操控安全性。在采煤機和支架前探梁安裝攝像頭，替代人眼跟隨采煤機完成遠程控制割煤過程，并實時觀察工作面煤壁狀況。

2.3.4 綜采智能化遠程集控技術

實現綜采工作面遠程集控的關鍵是采煤機自主導航、數據分析策、采煤工藝自動檢測、電液控支架、視頻監控等技術的相互聯合，保證采煤工作面實現無人值守。其重點是視頻信號動態監控、數據傳輸自動控制采煤設備、數據存儲設置。采煤作業的各類設備可通過本系統實現協同合作，在人工遠程操控的基礎上，實現一鍵啟停及順序啟停功能，滿足不同作業環境需求。

2.3.5 工作面自動找直技術

保持采煤工作面的平直是安全質量標準化的重要指標，也是保證智能化工作面正常連續推進的重要保障。利用導航技術和長臂自動化系統，實時檢測采煤機三維空間內的位置變化，俯仰角度控制采煤機搖臂采高，水平位移控制支架推移行程，根據工作面直度要求，控制程序計算出每臺支架推移量，精準控制推移行程，保證支架整齊推移，使工作面三機實現自動校直及操控功能。

2.3.6 信息存儲及發布技術

在本系統中，作業面各類作業設備、裝備的數據和參數等都可以通過WEB 底層平臺上傳到相應數據庫進行數據存儲。WEB 系統應用于集中控制軟件，集控軟件將綜采工作面的數據傳輸到WEB系統中進行處理。WEB 系統模塊包含電控監測系統、采煤機監測系統、供液監測系統、歷史查詢系統、開發API。

3 結 語

老母坡煤業3112 智能化綜采工作面智能化控制系統實現了對采煤機、電液控支架、運輸設備、乳化液泵站控制系統的遠程操控，通過觀察作業現場的實時超清視頻監控畫面，及時調整作業次序，以應對作業環境的變化、設備異常等問題。同時，信息處理系統可及時歸類出異常信息，如作業環境參數變化、作業設備存在異常點等，并進行報警，方便技術人員對各類作業設備、裝備的遠程人為控制，降低安全事故的發生率。該系統的應用為其他礦井自動化工作面的建設提供現場經驗，具有推廣意義。