薄煤層綜采工作面智能化控制技術應用

楊燕敏

（晉能控股裝備制造集團寺河二號井，山西 晉城 048000）

如何提高薄煤層機械化開采水平是困擾我國煤炭工業健康持續發展的薄弱環節。現階段薄煤層工作面仍以炮采作業為主，輔以單體支柱、鉸接頂梁等簡易設備。受制于薄煤層作業空間狹小，不利于裝備大型設備，采煤智能化程度低、經濟效益差、安全事故多發，無法滿足現階段煤炭企業對薄煤層綜采設備的需求。基于此，許多礦區先后開展薄煤層智能化成套設備研發項目，對薄煤層智能化開采技術進行深入研究［1-2］。

1 薄煤層賦存特征

寺河礦二號井94316 工作面煤層傾角2°～15°，平均5°，煤層平均厚度1.1 m，可采儲量0.33 Mt。煤層直接頂為3.9 m 厚粉砂巖，抗壓強度31.3 MPa，屬中等穩定頂板； 基本頂為5.3 m厚細砂巖，抗壓強度28.8 MPa，屬穩定頂板。直接底為3.5 m 厚砂質泥巖，抗壓強度25.2 MPa，屬較穩定巖層。94316 工作面綜合柱狀圖如圖1 所示。

2 薄煤層智能化項目的目標

1）改善薄煤層工作面作業環境，實現薄煤層綜采工作面智能化、無人化、高效化作業。受限于采煤空間，留給現場作業人員活動空間異常狹小，工作面內人員往往需長時間彎腰甚至爬行作業，勞動強度大，安全系數低，因此，提高薄煤層綜采裝備智能化程度是未來發展的方向。

2）改善薄煤層綜采工作面裝備匹配特性，實現薄煤層綜采裝備之間的良好配套。受限于作業空間，采煤機“大功率”與“小機身”之間的問題較為突出。通過記憶切割技術、采煤機定姿定位、改進液壓支架智能控制系統等多重措施，提高采煤機輸出功率，優化其外形尺寸，實現薄煤層綜采智能化控制。

3）延長關鍵設備使用壽命，降低設備故障率。針對薄煤層工作面空間狹小、維修工作困難等諸多問題，從現場實踐、理論分析等多角度對薄煤層綜采工作面配套設備可靠性進行分析，提高遠程控制系統的可靠性。

3 系統設計

3.1 采煤機記憶截割

目前，記憶切割技術是薄煤層智能化綜采工作面核心技術。該技術是預先由人工操縱采煤機沿工作面割煤進行示范操作，集控中心將采煤機運行軌跡及巷道頂底板情況等相關參數進行存儲與分析，在隨后的正常割煤環節，由集控中心提供指令控制采煤機的運行。當遭遇煤巖界面突變時，采煤機司機優先根據工作面監控信息進行煤巖界面識別，對采煤機運行參數進行修正，采煤機進入下一個正常作業循環，如圖2 所示。

圖2 采煤機記憶截割技術

圖3 采煤機紅外發射器的連接

寺河二號井9#煤層下部為700～800 mm 的煤，上部為500～600 mm 的矸石，在回采過程中，采煤機需經常性割頂作業，采煤機截齒磨損及損壞程度加大。

綜合各類因素后選用MG210/485-WD 型采煤機，其擁有成熟的自動化控制系統及慣性導航系統，具有功率大、長度適中、機面高度適宜、可靠性高等諸多優勢，有助于實現記憶割煤功能。

3.2 紅外定位方式

紅外線定位技術作為薄煤層智能化工作面關鍵技術中的重要一環, 在94316 工作面得到成功應用。液壓支架紅外線定位技術主要通過紅外線發射器和接收器實現.紅外線發射器安置于采煤機靠近液壓支架一側，接收器安裝于液壓支架控制器內，與原支架控制器整合到一起，安置于液壓支架上。紅外線發射器發出的紅外線呈30°的發射角，覆蓋范圍廣，無論液壓支架處于傾倒、升架、降架等狀態，均能接收紅外線信號，及時跟機移架。

3.3 液壓支架多方位信號采集與多網融合技術

采煤作業中實時掌握液壓支架工作狀態至關重要，包含液壓支架位置、載荷、姿態等諸多信息，進而對工作面各相關設備運行狀態進行判斷，如刮板輸送機是否呈直線狀態、頂板來壓是否正常、采煤機臥底量等相關信息，為安全生產提供技術支撐。為了全面收集支架狀態信息，在其不同位置安裝不同類型傳感器，每架頂梁安裝1 臺pm 32/sg/age 型控制器、1 臺液壓主閥和1 臺反沖洗閥，每架立柱單向鎖安裝1 臺壓力傳感器，每架推移油缸內安裝1 個推移行程傳感器，如圖4 所示。

圖4 單架液壓支架電液控制系統

液壓支架存在照明線路、通信線路、傳感器采集、主閥控制網絡等諸多相關線路，為了降低故障率，將其融合在液壓支架控制器中，控制器之間通過電纜連接，實現多信號傳輸。

支架電液控制系統需實時顯示液壓支架運行狀態，包括支架立柱壓力、推移行程、煤機位置、正在運行動作等關鍵信息。數據分析結果以圖像的形式在順槽集控中心與地面調度指揮中心同步展示出來，包括立柱壓力曲線、工作面高度分布曲線、工作面礦壓分析曲線等相關內容，由當班監控人員負責信息收集與處理。

為保證液壓支架安全運行，其電液控制系統設置為非主- 從機型，在與主機斷開的情況下，仍能完成各種常規操作［3-6］。

3.4 綜采自動化地面遠程控制系統

通過以太網實現采面關鍵設備數據上傳，通過礦井網絡上傳至地面調度指揮中心，實現工作面設備信息匯集，滿足工作面視頻與監控設備數據的實時傳輸； 實現對采面綜采設備運行數據的收集、處理功能，具備自動分析功能；實現故障自動報警功能，包括采煤機、液壓支架、刮板輸送機等關鍵設備的故障類型顯示、管理等諸多功能.工控平臺采用vistwo 軟件平臺，實現對現場設備的“一鍵”啟停控制和遠程干預操控功能，地面遠程控制中心結構如圖5 所示。

圖5 地面遠程控制中心結構

4 現場應用

薄煤層綜采智能化控制系統經地面調試正常后，于2020 年1 月完成井下所有設備的安裝、單機調試和聯合試運轉并進行工業性試驗。全方位的視頻監測實現了皮帶集控與順槽集控中心的連鎖控制，皮帶司機由3 人減少為1 人；支架沿程布置低照度視頻監測攝像頭，紅外線定位技術使得液壓支架自動跟機功能得到充分實現，在順槽集控中心即可實現液壓支架的操作。寺河二號井94316 工作面薄煤層智能化控制達到預期設想，初步實現薄煤層綜采智能化，達到減員增效的目的。

5 結語

結合寺河二號井94316 工作面煤層賦存特征，分析薄煤層煤機裝備存在的弊端，通過對現有煤機裝備進行優選與升級，實現采煤機記憶截割、液壓支架紅外定位、液壓支架多方位信號采集與多網融合功能等諸多功能，實現了薄煤層條件下薄煤層綜采工作面智能化開采，改善工作面作業環境，降低作業人員勞動強度，現場應用效果良好。