綜采工作面自動化技術在趙固一礦安全生產中的作用

郅富標，毋虎城，張 軍

( 1.河南理工大學高等職業學院,河南 焦作 454000；2.河南煤化集團焦煤公司趙固一礦，河南 焦作 454000)

河南煤化集團焦煤趙固一礦屬“十一五”重點建設項目，于2009年5月10日竣工投產，該礦設計規模240萬t/a，是目前豫北地區設計生產能力最大的現代化礦井。礦井總資源儲量3.7億t，可采儲量1.6億t，煤種為特低硫、高發熱量的優質無煙煤。項目概算總投資16.85億元，服務年限49年。

礦井設計時，采用最先進自動化設備及技術。該礦的綜采工作面，應用了大功率多電壓輸出的新型移動變電站、隔爆真空智能型高、低壓開關、軟啟動電磁啟動器、隔爆組合開關、電牽引采煤機、液壓支架電液控制系統、計算機安全監控及通訊系統等新型的機電設備。這些新設備的應用，保障了煤礦安全、高產高效、自動化生產。

1 綜采工作面概況及主要機電設備

綜合機械化采煤，是指采煤工作面的破煤、裝煤、運輸、支護等生產環節，全部實現機械化生產。簡單的工作過程是：采煤機在刮板輸送機上，液壓支架下，通過牽引運行中的采煤機旋轉的滾筒破煤，采落的煤炭經刮板輸送機、破碎機、轉載機、皮帶輸送機等設備運送到地面裝車。液壓支架和刮板輸送機互為支點，隨工作面的開采向前推進。綜采工作面機電設備多，電動機容量大，工作面采用移動變電站供電方式。液壓泵站通過液壓管路提供液壓支架的工作液力源。工作面主要機電設備有采煤機、刮板輸送機、轉載機、破碎機、皮帶運輸機、液壓支架、液壓泵站、絞車、通風設備；向上述設備供電的移動變電站、高低壓屏蔽電纜及高低壓控制開關設備，還有工作面的通信及安全監控設備。

2 大功率多電壓輸出的新型移動變電站

工作面采用移動變電站供電方式，由采區變電所經高壓雙屏蔽電纜將 6 kV 或 10kV 三相高壓電源 ,送到工作面的移動變電站。移動變電站將 6 kV或 10 kV 電壓變換為 1.2kV (大容量工作面電壓為 3.3 kV)乃至更高電壓，供工作面機電設備用電。隨著工作面機電設備容量的增大，機電設備使用電壓等級不同，同一臺變電站可輸出不同電壓等級的電壓供電，而且變電站容量也相應提高。

移動變電站設在工作面平巷軌道上的平板車上，隨工作面的開采而移動。這種供電方式把高電壓深入到采煤工作面，以滿足工作面大容量設備的供電需求。為確保工作面的安全供電，供電線路大都采用有專門的保護接地芯線及屏蔽線的電纜。移動變電站的高低壓開關及工作面配電點的低壓饋電開關，其內部主電路的斷路器都采用真空斷路器。控制及保護器件使用單片機綜合保護器、可編程控制器 PLC 及微型計算機。控制方式能就地控制、遠方控制、程序控制及遙控等多種控制;保護功能可實現短路、過載、斷相、低壓、過壓、漏電及漏電閉鎖等保護。能將事故隱患及早發現處理，避免發生嚴重事故，確保安全可靠供電。而且開關整定調整方便，還設有自檢及顯示功能，有些保護及控制電路設計成本質安全型，構成隔爆兼本質安全型設備，極大地提高了設備的安全性能。低壓饋電開關做成隔爆方形結構，使檢修維護方便，確保工作面安全、可靠供電。

3 電牽引采煤機

新技術對采煤機的結構、牽引機構、行走機構、搖臂的性能和可靠性提出很高的要求。應用于超級綜采工作面的采煤機采用交流變頻調速拖動裝置；牽引裝置為帶有鍛造齒條的牽引裝置。采煤機已經實現自動化控制，操作簡單，可實現記憶截煤和液壓支架聯動控制。

采煤機的牽引系統也由液壓牽引改進為電牽引，使得采煤機牽引部機械傳動結構簡單 ，傳動效率提高，工作可靠。電牽引采煤機應用單片機、可編程控制器 PLC 及計算機控制技術，系統具有完善的控制、檢測、診斷、顯示功能。能實現對采煤機的人工控制、遙控及自動控制;對采煤機運行中的各種參數如電流、電壓、速度、溫度、壓力及負載等情況實時監測處理；若某些參數超過允許值時，發出相應的報警信號，并進行保護；還能對采煤機的關鍵部件進行自檢和故障診斷，顯示運行中各種參數的圖形及數據，并可向地面控制中心或調度室傳輸。對采煤機牽引速度的調整采用變頻調速技術，可實現采煤機的軟啟動、恒功率、恒牽引力運行，特殊情況下，還能實現發電反饋制動，向電網回饋電能，實現牽引特性的四象限運行。實現了采煤機的節能、高效工作。

交流變頻調速電動機結構簡單、無刷無載流子的優點，也有直流調速系統調速性能好，控制電路簡單、節約能源、經濟可靠等優勢，而且啟動轉矩大、啟動電流小等特點。這種調速方式，在煤礦井下采掘機械中得到較好的應用。

4 液壓支架的電液控制系統

液壓支架的遷移控制由單臺手動液壓操縱控制，改進為由PLC與電動液壓閥組相結合，組成的電液控制系統。該系統是液壓支架控制技術的發展方向，由北京天地瑪珂電液控制系統有限公司生產的 PM31型液壓支架電液控制系統，使液壓支架、刮板輸送機的移動操作更加靈活、快捷。電液控制系統一般由主控制臺、支架控制箱、電液控制閥組、壓力及位移傳感器、電源箱、電纜等組成。

各個支架的控制箱與主控制臺連成一個有機整體，以計算機及網絡技術為基礎，以液壓支架電液控制系統為核心。每臺液壓支架配備一臺支架控制箱 ,主要由單片機、觸摸屏控制按鍵及液晶顯示器組成。每臺控制箱都能發出各種控制指令，使對應的電液控制閥組內的電磁先導閥或微電機動作，控制主控閥開啟，向所連接的液壓缸供液，支架作相應的動作。控制方式由機械手柄操縱變為電子觸摸屏按鍵操縱，操縱控制方便、高效。

根據采煤工藝的要求，將液壓支架的動作按預定的程序運行。實現液壓支架的單架控制、成組控制、全工作面自動控制等多種控制功能。使液壓支架的操縱更方便，移動更快捷。這一新技術的應用,確保采煤工作面高產、高效自動化采煤。為實現采煤工作面的自動化、無人化采煤創造了必備的條件。

5 隔爆真空智能型電磁啟動器及隔爆組合開關

隔爆真空智能型電磁啟動器，采用單片機進行控制及保護，并有液晶顯示器，可方便進行保護參數設定、故障查詢和模擬試驗，具有遠控、程序控制及遙控等功能。并有瓦斯監測接口，若外接瓦斯傳感器，可檢測工作面的瓦斯濃度，如瓦斯超限，智能啟動器動作，切斷低壓電源。為解決大功率電動機的啟動控制問題，可選用具有軟啟動功能的電磁起動器。如 QJR -315/1140型軟啟動電磁起動器，該啟動器由單片機組成的智能監測控制電路，控制三組反并聯的單向晶閘管的導通角，調節大功率電動機的啟動電流，實現電動機的軟啟動。

由于設備容量大，電動機臺數多，常采用隔爆組合開關又稱負荷控制中心，對工作面設備進行控制。組合開關是由多個真空接觸器及驅動器組成的多功能開關，新型的組合開關以可編程控制器為控制中心，通過驅動器控制真空接觸器，即可獨立驅動對應的電動機，也可實現多臺驅動器之間的順序控制或連鎖控制，使各對應驅動的電動機按約定的程序工作；并具有完善的保護、試驗監測、狀態顯示及故障查詢系統。全部電氣設備主電路的控制開關，都采用真空接觸器、無觸點繼電器，有些控制及保護電路設計成本質安全型，使得采煤工作面設備工作更安全。

6 計算機安全監控系統

礦井安全監控系統，一般由地面主機計算機 、調制解調器、井下分站單片機 、傳輸接口、傳感器、執行器、聲光報警、斷電 、電源箱、電纜、接線盒等組成。

傳感器將瓦斯、煤塵、溫度、濕度、CO、CO2、風速、風量、頂板壓力等各種環境參數轉換成與之成比例的電信號，此信號經分站處理，就地顯示及地面調度室總機同步顯示各參數。當某參數超限時，由執行器自動聲光報警，嚴重時自動斷電。還可配置工作面設備的開/停傳感器、皮帶跑偏傳感器、超聲波料位計、采煤機位置速度監測儀、風電瓦斯電閉鎖等各種傳感器，將主要設備的工作情況進行井上井下跟蹤監測，地面調度室實時監控，調度員隨時發布調度命令。

7 采用自動化技術后的效果

(1)將采煤工作面的采煤機、液壓支架、破碎機、裝載機、刮板輸送機、液壓泵站、帶式輸送機等設備的控制系統、工作面通信與監控系統及工作面供電系統集成，并接入礦井自動化系統的以太網，實現帶式輸送機及工作面設備的集中控制、保護、故障自檢、閉鎖、沿線通信等功能，達到安全、高產高效進行煤炭開采。

(2)以采煤機位置為依據的液壓支架自動控制系統，實現液壓支架跟隨采煤機自動操作，使得綜采工作面的安全生產有技術的保障，而且極大地提高了采煤工作面的產量和工效，確保礦井的安全生產。

(3)原煤產量、全員效率、回采工效、日產、單產、機械化程度等指標普遍較好 ,工傷率、材料消耗、百萬噸死亡率等指標下降 ,工作面個數減少，每班下井人員大幅減少，創出了當年投產當年采煤300萬t的記錄。

[1] 李江澤.3.3kV礦用隔爆型移動變電站變壓器保護研究[J].煤礦機電,2009(1).

[2] 薛永存.CAN總線技術在煤與瓦斯突出預測系統中的應用[J]. 煤礦機電,2008(1).

[3] 焦保國.MCGS在煤礦安全監控系統中的應用[J].科技咨詢導報,2006(8).

[4] 寧宇.綜采工作面液壓支架電液控制系統設計[J].煤炭科學技術,2009(1).

[5] 張廣義.綜合機械化采煤工藝[J].煤炭技術,2009(3).

[6] 李建林.安全高效工作面設備配套與供電方式分析[J].煤礦機電,2008(1).

[7] 申瑞屏.礦井井下供電綜合自動化的實現[J].山西煤炭,2007(9).

[8] 李德志.木瓜煤礦日產萬噸綜采工作面設備選型[J].煤炭技術,2009(1).