綜放工作面智能化開采工藝研究

李海龍

(山西汾西礦業集團 高陽煤礦,山西 孝義 032306)

煤炭開采時受煤層賦存條件復雜、瓦斯涌出量大、粉塵質量濃度高等多種不利因素影響,采用先進的技術手段提高井下開采設備綜合自動化、智能化水平,降低井下作業人員數量,對提高煤炭安全生產有顯著的促進意義[1-3]。為此,文章在借鑒以往研究成果的基礎上,以1303工作面為工程研究對象,對采面采用的智能化開采工藝進行分析,以期為其他類似采面智能化開采工作提供經驗借鑒。

1 工程概況

1303工作面位于一盤區南部東側,是山西某礦建設的首個自動化工作面,工作面設計走向長度為1 656 m,傾斜長度為260 m.回采的3號煤厚度6.0～5.5 m、平均6.3 m,傾角5°.3號煤層頂底板巖性以粉砂巖、砂質泥巖以及泥巖為主。1303工作面設計采高2.8 m、放煤高3.5 m,該工作面在材料巷內布置供電、供液和集控中心,工作面設備供電電壓1 140 V,由設備列車集中供電,所用乳化液由地面遠程集中供給。

1303工作面內配備的主要開采設備如表1所示。1303工作面從2020年10月24日開始安裝,2021年3月1日開始正式集中調試。截至2021年7月10日,1303自動化工作面在地面集控中心實現一鍵啟停和遠程控制,全工作面實現自動化運行,工作面刮板輸送機、轉載機電機減速器關鍵點實現在線監測。下文重點對采面使用的智能化開采工藝進行分析。

表1 采面設備配備情況

2 1303工作面智能化開采關鍵技術

2.1 液壓支架電液控制系統

2.1.1 液壓支架常規控制功能

系統可實現對本架及鄰架的手動電控,具有單架和成組控制、聲音報警、急停閉鎖、故障自診斷功能。通過每個支架配置1個控制器、24功能電液控換向閥和驅動器實現。

2.1.2 液壓支架自動化功能

支架控制器通過接收集控中心發出的采煤機編碼器位置及運行方向,實現自動跟機拉架、自動伸(收)護幫、自動推溜、自動拉溜。電液控制系統自動完成對液壓支架尾梁和插板的控制,完成自動放煤。

2.1.3 液壓支架的工況監測和姿態調整功能

支架控制器通過采集行程、壓力、傾角傳感器數據進行自動調整支架姿態,并上傳集控中心進行實時工況數據分析處理。

2.1.4 液壓支架礦壓監測及分析功能

通過液壓支架立柱壓力傳感器實現集控中心實時動態顯示監測參數并實時報警、連續監測曲線顯示分析、歷史數據報警記錄、簡單故障自診斷并上傳地面功能。

2.2 采煤機控制系統

2.2.1 工況監測及顯示

采煤機控制系統可實現采煤機的位置、速度,左右滾筒高度,機身仰俯角度,牽引方向,系統電壓,截割電機工作電流、電機溫度,機頭、機尾的采高、臥底,煤機滾筒運行軌跡等的監測。具體實現路徑為[4-8]:

1) 安裝于采煤機右側編碼器1個,與右牽引電機軸相連,用于對采煤機位置、速度的采集計算;

2) 安裝于左右搖臂(靠近搖臂與采煤機連接軸)傾角傳感器2個,測量搖臂傾角;安裝于電控腔內部傾角傳感器1個,測量機身傾角;

3) 安裝于采煤機搖臂振動傳感器2個,監測搖臂振動;安裝于左右牽引電機三級(最大)齒輪邊緣D齒輪傳感器2個,用于采煤機位置、速度的計算;

4) 安裝于采煤機機身中部1個復位傳感器,復位磁鐵分別裝于前刮板機10架和112架支架位置,數量各1個,對采煤機位置進行校正;

5) 安裝于采煤機中部一套FYF5紅外線發射器,通過發射紅外線指示采煤機的位置。具體各監測設備及傳感器布置情況如圖1所示。

圖1 監測設備及傳感器布置示意

2.2.2 遠程控制

通過集控中心操作鍵盤,經過系統內部程序向采煤機發送指令進行遠程控制,控制延時時間不得超過100 ms.具體實現路徑為:安裝于采煤機機身靠支架側無線發射、接收裝置1個;安裝于支架(隔6架或9架)上無線AP共15個,用于數據傳輸,達到遠程控制。

2.2.3 瓦斯預警功能

采煤機配備機載瓦檢儀,當瓦斯超限時采煤機具備報警、減速、斷電停機等功能。

2.2.4 負載聯運控制功能

集控中心實時監測刮板運輸機工作電流狀況和轉載機處安裝的煤流、煤量傳感器提供的參數,當負荷較大時,集控系統減慢牽引速度。

2.2.5 慣導系統功能

采煤機內部安裝慣導系統,通過實時采集采煤機的運行軌跡獲得刮板輸送機曲線,通過集控中心數據處理分析和支架配備的精準推溜系統,最終實現工作面三直兩平管理。

2.3 運輸系統

2.3.1 運輸系統的工況監測及故障報警停車功能

1) 通過與膠帶變頻器通訊,采集運行的電壓、電流、軸承溫度繞阻溫度、膠帶帶速、運行頻率傳入集控中心,在綜合監控界面上集中顯示,并對異常數據報警停車。

2) 通過采集刮板運輸機減速器上安裝的油溫、油位、軸承溫度傳感器等,采集變頻器電壓、電流、頻率等數據傳入集控中心,在綜合界面上集中顯示,并對異常數據報警。

2.3.2 運輸系統的控制功能

控制模式包括就地控制、遠程控制及自動控制等,通過工作面及巷道膠帶機集控語音通訊實現三機的就地、遠程、自動控制,啟停預警,沿線閉鎖,急停控制,自動模式下優先就地停車控制。冷卻水自動控制:根據三機啟停狀態,自動控制冷卻水的電磁閥,實現自動控制。

2.4 巷道集控

2.4.1 一鍵啟停功能

在巷道集控中心對設備進行“一鍵”啟停操作,實現乳化液泵站、除鐵器、膠帶機、破碎機、轉載機、后/前刮板輸送機、噴霧泵站、采煤機設備的啟停操作。

2.4.2 集中、遠程控制

集中、遠程控制的主要功能為:實現對液壓支架的遠程控制、工作面運輸設備的集中控制、對工作面泵站的集中控制。具體實現路徑為:通過工作面控制中心鍵盤實現設備的啟停操作; 通過通訊協議及CAN總線通訊完成各設備的運行數據采集、集中控制。

2.4.3 監測功能

綜采工作面設備工況的監測。實現運輸設備的啟停狀態、工作電流、功率等工況顯示;液壓支架的姿態、壓力值、推移行程、各電磁閥的工作狀態、通訊狀態等工況顯示;泵站系統的出口壓力、油溫油位狀態、液箱液位等工況顯示。具體實現路徑為:集控中心通過與工作面液壓支架的CAN總線通訊,實現對液壓支架的工況監測。通過采集變頻器與組合開關的485通訊,實現對運輸設備的工況監測。通過與乳化液泵站系統的電控箱485通訊,高壓反沖洗、回液反沖洗壓力傳感器及乳化液箱濃度傳感器的反饋通訊,來實現對泵站和反沖洗系統的工況檢測。

在工作面布置68臺千兆網絡交換機,通過萬兆網線和光纖進行連接,實現數據的高速傳輸。

2.4.4 視頻功能

在工作面端頭、工作面端尾各配備1臺本質安全型綜合接入器,礦用光纜連接,通過網絡攝像儀,采用以太網進行視頻信息及數據信息傳輸,接入到集控中心視頻服務器,通過6臺防爆顯示器對工作面所有視頻及數據進行顯示(含跟機視頻、轉載點視頻、防誤入視頻)。監控顯示巷道、支架和采煤機的網絡攝像頭視頻畫面。

2.5 設備列車、泵站及過濾系統、供電系統

設備列車上通過安裝支架控制器、電磁閥驅動器、無線遙控等設備,實現就地及無線控制,拉移之前聲光報警。

2.5.1 泵站及過濾系統

1) 監測監控:采集乳化液泵安裝的油溫、油位、液位、壓力、乳化液濃度傳感器數據,通過泵站的集控箱傳入集控中心,在綜合監控界面上集中顯示,油溫、油位、壓力異常時保護停車,液位低于設定值時自動補液,采集噴霧泵出口安裝的壓力傳感器數據,傳入集控中心顯示,并實現壓力異常報警。

采集高壓反沖洗過濾站、回液過濾站安裝的進出口壓力傳感器數據,通過分站傳入集控中心,在綜合監控界面上集中顯示,并實現超壓報警。

2) 乳化泵聯動控制:通過泵站集控箱與巷道集控中心,可實現對泵站的單設備啟停控制,以及實現多臺泵站的聯動控制。

3) 噴霧泵就地遠程控制:通過工作面及巷道膠帶機集控語音通訊和巷道集控中心實現就地遠程控制。

2.5.2 供電系統

1) 遠程監測及控制:通過485通信接口采集移動變電站、組合開關、照明綜保的電壓、電流等數據,傳入集控中心顯示運行參數和故障報警,集控中心通過485通信接口遠程控制。

2) 井下集控中心安裝UPS備用電源,保障集控中心供電可靠性。

2.6 煤流、煤量監測系統

實時監控轉載機上的順煤流煤量大小,綜合分析當前煤流量等級,得出結論來控制采煤機牽引速度和截割煤量,使設備實現降低能耗,綠色運輸的功能。具體實現路徑為:通過采集轉載機上瞬時煤量的高度來分析當前煤量,通過對前后刮板輸送機負荷電流大小做出判斷,實現對采煤機減速控制或停止液壓支架自動放煤動作。

2.7 人員防誤入系統

防誤入系統由視屏采集、智能視覺算法和控制程序組成。 防誤入的預警、停機是通過在前溜機頭劃定危險區域,當智能系統檢測到此危險區域內有人員誤入時,發出語音預警,并將前后溜及轉載機急停,實現了對井下危險區域的智能實時監控。

3 現場應用情況分析

3.1 現場應用存在問題分析及解決措施

1) 自動拉架過程中,支架放煤口由于存在矸石別卡情況,部分放煤口不能充分關閉。采取的措施:優化支架程序,拉架過程中再次自動伸插板,保證放煤口充分關閉。

2) 液壓支架前伸縮梁、尾梁行程傳感器出現設計不合理,致使行程傳感器和電纜損壞情況嚴重。采取的措施:前梁伸縮行程傳感器重新設計,更改行程傳感器尺寸;尾梁行程傳感器在插板油缸耳子上加裝鋼筋,用U型環與傳感器連接。

3) 工作面及巷道語音集控通訊系統的主機控制系統為單片機,抗變頻器諧波等外界干擾能力差,易發生運行過程中通訊不穩定情況。采取的措施:主機外殼設置獨立接地線,主機內加裝3塊光電輸入隔離模塊,避免了外界干擾。

3.2 現場應用效果

1303工作面為礦井首個智能化開采工藝面,鄰近的1301工作面采用傳統的綜放開采工藝。兩個采面位于同一個采區且位置鄰近,采面回采區域內煤層賦存參數基本一致,為此統計兩個采面生產期間煤炭開采情況,人員使用情況以及推進速度、產量等,用以分析智能化開采應用效果。兩個采面人員使用情況比對如表2所示。從表2看出,采用智能化開采工藝,在減員增效方面表現出顯著優勢。

表2 采面人員使用情況比對結果

兩個采面開采統計結果如圖2所示。

圖2 采面煤炭回采統計圖

從圖2看出,采用智能化開采工藝后,采面單刀煤炭產量穩定在1 625 t,煤炭產出率約為92%.而采用傳統的綜放工藝時采面單刀產量穩定在1 470 t,煤炭產出率約為75%.12308綜放工作面采用智能化開采方案后,采面煤炭產率由75%提升至92%,在一定程度上提升了煤炭開采效率。

4 結 語

智能化開采是提高井下煤炭產量、減少井下人員數量以及提升煤炭開采效益的主要途徑之一。文中以1303工作面為工程背景,對采面使用的智能化開采工藝及設備進行分析,智能化開采工藝在減少井下作業人員數量、提高安全生產保障能力以及降低勞動強度等方面有顯著的促進意義。