急傾斜特厚煤層綜放工作面綜采自動化控制設計與應用

田 華陳新川羅洪波薛天山馮 旭

(1.神華新疆能源有限責任公司,新疆維吾爾自治區烏魯木齊市,830027; 2.北京天地瑪珂電液控制系統有限公司,北京市朝陽區,100013)

急傾斜特厚煤層綜放工作面綜采自動化控制設計與應用

田 華1陳新川1羅洪波1薛天山1馮 旭2

(1.神華新疆能源有限責任公司,新疆維吾爾自治區烏魯木齊市,830027; 2.北京天地瑪珂電液控制系統有限公司,北京市朝陽區,100013)

針對急傾斜特厚煤層綜放工作面生產效率低和安全風險高的現狀,提出了綜放工作面綜采自動化控制系統,介紹了該自動化控制系統的總體設計,實際應用表明該自動化控制系統能夠有效地減少綜采工作面人員,提高了礦井的生產效率,達到了安全、高產和高效的目的。

急傾斜特厚煤層 綜放工作面 自動化控制 協同控制

烏魯木齊市礦區賦存30多層厚度與間距迥異的急傾斜(45°～87°)煤層,開采技術條件復雜,很難形成較大的生產能力。急傾斜特厚煤層大都采用分層放頂煤開采工藝進行開采,開采厚度大(每一層超過20 m)且開采后都將對工作面造成礦壓沖擊,極易傷害工作面人員。此外,由于煤層厚度大和放煤量大,放煤過程中經常會瞬間釋放大量的有害氣體,嚴重威脅到工作人員的生命安全。因此,為了有效解決沖擊地壓和有害氣體對工作人員造成的人身傷害,減少工作面的人員數量,提高工作面的生產能力,急需開展急傾斜特厚煤層綜放工作面安全高效開采技術的研究。因此,提出了綜放工作面綜采自動化控制系統的設計方案,并在神華新疆能源有限責任公司烏東煤礦475B3＋6綜放工作面進行了應用。

1 開采情況概述

神華新疆能源有限責任公司烏東煤礦井田東西走向長約10.8 km,南北寬約0.7～2.7 km,面積約20.28 km2,礦井設計可采儲量為539.89 Mt。井田含煤地層為中侏羅統的西山窯組,含煤層數多,第四紀的覆蓋物遍布全區。井田內煤層賦存穩定,水文地質條件簡單,屬低瓦斯礦井。煤層粉塵具有爆炸危險,有發火傾向性,屬易自燃煤層。

475B3＋6綜放工作面處于＋475水平東翼采區,開采水平為＋475水平,采面標高為＋475 m,設計走向長度為2520 m,階段高度為25 m,工作面傾向長度為43 m,面積為108360 m2。工作面煤層賦存穩定,為單斜構造且構造簡單。煤層平均厚度為43 m,傾角為87°～89°,平均傾角為88°,走向為N58°～60°之間。煤層主要為弱粘結煤,次為長焰煤,均為很好的動力用煤,煤以光亮煤為主,煤層灰分為15%,水分為8.00%,全硫為0.53%,發熱量為28.50 MJ/kg。475B3＋6工作面可采儲量為281萬t,煤層厚度為25 m,機采高度為3.0 m,放頂煤厚度為22 m,采放比為1∶7.33,采用急傾斜特厚煤層綜合機械化放頂煤采煤方法進行開采。

2 綜放工作面主要設備選型

為了保證生產的穩定性、連續性和遞增性,最大程度地發揮設備效率,根據急傾斜特厚煤層的賦存條件以及烏東煤礦南采區475B3＋6綜放工作面的情況,對主要開采設備進行的選型見表1。

表1 475B3＋6綜放工作主要設備配套選型

3 綜放工作面綜采自動化控制系統總體設計

3.1 系統架構

綜放工作面綜采自動化控制系統是將采煤機控制系統、支架電液控制系統、工作面運輸控制系統、帶式輸送機控制系統、泵站控制系統、供電系統、語音通訊系統以及視頻系統有機結合,實現對綜合機械化采煤工作面設備的協調管理、數據采集與集中控制。系統主要由綜采單機設備層、監控中心和地面監控3部分組成,系統架構如圖1所示。

圖1 綜放工作面綜采自動化控制系統架構

3.2 系統方案設計

3.2.1 監控中心

監控中心是整個急傾斜綜放工作面控制的核心部分,主要由監控主機、操作臺以及交換機等設備組成,實現工作面主要設備(液壓支架、采煤機、三機、泵站、帶式輸送機和組合開關)的數據監測與集中控制功能。

3.2.2 工作面高速工業以太網通信平臺

利用工作面綜合接入器、光電轉換器和交換機,建立一個統一開放的百兆工業以太網工作面,使工作面設備連接到集控中心的監控主機上,實現工作面設備信息匯集。工作面支架每隔一定數量布置1臺綜合接入器,通過連接器進行設備間的連接。

3.2.3 工作面可視化視頻監控

工作面每隔一定數量支架安裝3臺礦用本質安全型攝像儀,1臺照射液壓支架,1臺照射煤壁,1臺照射后部刮板運輸機。此外,在刮板運輸機機頭、機尾、轉載機、帶式輸送機機頭以及監控中心各安裝攝像儀1臺,便于觀察工作面其他關鍵部位運行情況。攝像儀的視頻數據通過工業以太網傳輸到監控中心顯示器顯示,顯示器可以同時顯示4臺攝像儀拍攝的圖像,并可跟隨采煤機位置變化自動切換顯示采煤機附近4臺的視頻圖像。

3.2.4 液壓支架跟機自動化及遠程干預控制

液壓支架配套SAC型電液控制系統,通過在立柱安裝紅外線接收器以及在采煤機機身上安裝紅外線發射裝置,實現液壓支架跟隨采煤機自動化功能。

SAC電液控系統具有遠程控制接口,支架遠程操作臺通過該接口與工作面支架電液控制系統實現控制信號的傳輸,配以電液控數據和工作面視頻畫面為輔助手段,實現對液壓支架的遠程控制,遠程控制功能包括液壓支架單架與成組推溜,降架、拉架、升架、伸收互幫、放煤、噴霧等動作及工作面自動跟機功能的開啟與關閉。液壓支架遠程控制示意圖如圖2所示。

圖2 液壓支架遠程控制示意圖

3.2.5 采煤機記憶割煤及遠程干預控制

采煤機控制系統采用采高傳感器實現采高自主定位,采用位置傳感器實現工作面位置自主定位,具有記憶截割功能與遠程雙向通訊功能。通過與采煤機控制系統雙向通訊,可實現在順槽監控中心對采煤機的數據監測;依靠采煤機數據和工作面視頻畫面為輔助手段,通過采煤機操作臺可實現采煤機的遠程干預及記憶截割(在儲存器截割中已經儲存了人工截割的數據,采煤機根據存儲的數據進行自動割煤),采煤機遠程控制圖如圖3所示。

3.2.6 工作面“一鍵”啟停及順序聯動

在監控中心通過權限驗證后可實現在對綜放工作面設備的“一鍵”啟?？刂啤?/p>

(1)“一鍵”啟動:泵站啟動、一部帶式輸送機啟動、二部帶式輸送機啟動、破碎機啟動、轉載機啟動、刮板輸送機啟動、采煤機記憶割煤程序啟動、液壓支架跟隨采煤機自動化控制程序啟動,全自動化啟動。

(2)運行過程:操作人員實時監控工作面綜采設備運行工況,當設備運行異常,可通過人工干預手段對設備進行遠程干預。如對采煤機的搖臂、液壓支架的動作進行調整等。

(3)“一鍵”停機:液壓支架跟機動作停止、采煤機停機、刮板輸送機停機、轉載機停機、破碎機停機,二部帶式輸送機停止、一部帶式輸送機停止、全自動化停止。

圖3 采煤機遠程控制圖

(4)急停:按下工作面“急?！卑粹o,工作面所有設備停機。

3.2.7 工作面協同控制

在液壓支架護幫板處安裝壓力傳感器,用來感知液壓支架護幫板對煤壁的支護效果,并將數據反饋給支架控制器,如發現本架護幫板支護壓力沒有達到規定壓力則自動進行護幫板動作,保證護幫板對煤壁的支護完好,能夠有效防止大塊煤垮落對生產設備和人員產生危害。

在液壓支架護幫板處安裝接近傳感器,在支架動作過程中,通過接近傳感器檢測采煤機運行前方護幫板收回狀態并反饋給控制器,如接近傳感器未檢測到護幫有效收回信號,綜采自動化會系統發出報警信號并降低采煤機的速度或停止采煤機,以便操作人員能夠及時做出響應。

通過監測刮板輸送機的電流值,可以反映刮板運輸機的負荷情況,當刮板運輸機的負荷過大時,可控制采煤機降低速度或停機,并停止推溜、拉架以及放煤等支架動作。當負荷較小時,可控制采煤機提高速度以提升產量,負荷控制曲線圖如圖4所示,在t1階段運輸機處在低負荷階段,這時可以控制采煤機提高速度;在t2階段運輸機達到額定負荷時,采煤機速度也達到恒速段并正常運行;當在t3階段運輸機超負荷運行時,這時控制采煤機速度降低,必要時停機,以保證運輸機不被煤塊壓死;在t4階段,當運輸機處在低負荷的時候,提高采煤機速度,以提升工作效率。

圖4 負荷控制曲線圖

3.2.8 工作面設備三維仿真

綜采工作面三維虛擬現實系統采用了先進的虛擬現實技術構建出高仿真度的虛擬礦井作業場景。通過讀取綜采自動化控制系統的實時數據,同步的顯示在虛擬礦井作業對應的場景,實現數據三維可視化的目的。利用開發平臺的優質效果,使用戶在使用系統時有身臨實境的感覺。用戶可通過系統中報警狀況的提示、設備屬性的顯示、自主或智能自動漫游以及歷史數據的回放等功能,充分了解整個作業面中各設備的實時運行狀況,達到監測、協助和分析等目的。

4 結論

該急傾斜特厚煤層綜放工作面自動化控制系統于2014年10月開始井下安裝調試,12月下旬開始投產。經過4個月的使用,系統運行穩定,具有以下優點:

(1)在監控中心通過網絡傳輸視頻信號,實時監控工作面情況。

(2)采煤機記憶割煤,支架跟隨采煤機自動控制,監控中心一鍵啟停控制,實現工作面少人化作業,將工作面的工作人員由原來的17人減少至8人,提高采煤效率,人員配置見表2。

Design and application on automation control of fully mechanized mining in fully mechanized caving face in steeply inclined and extremely thick coal seam

Tian Hua1,Chen Xinchuan1,Luo Hongbo1,Xue Tianshan1,Feng Xu2
(1．Shenhua Xinjiang Energy Co．,Ltd．,Wulumuqi,Xinjiang 830027,China; 2．Beijing Tiandi-Marco Electro-Hydraulic Control System Company Ltd．,Chaoyang,Beijing 100013,China)

Aiming at the current situation of low efficiency and high safety risk in fully mechanized caving face in steeply inclined and extremely thick coal seam,automation control system of fully mechanized mining was put forward,and the overall design of the automation control system was introduced．The practical application showed that the system could decrease the workers in fully mechanized mining face,improve the mine production efficiency and achieve the purposes of safety,high yield and high-efficiency.

steeply inclined and extremely thick coal seam,fully mechanized caving face, automation control,cooperative control

TD823.97

A