高端綜采工作面成套裝備技術研究

閆葉俊

(兗礦東華重工有限公司，山東 鄒城 273500)

我國預計煤炭儲量為4萬億～5萬億t，2010年查明的可采儲量為15000億t。同時，我國是世界第一產煤大國，2016年我國煤炭總產能超過34.1億t，生產礦井5300多個。經過多年積累，我國煤機行業發展較快，形成了較完整的煤炭裝備制造體系。

采用新技術，進一步提升煤機裝備高可靠性、高產高效，對于推進新舊動能轉化具有重要意義。煤機裝備產品專業性強，其發展直接制約了煤礦高產高效的發展。目前在自動化、智能化方面與先進國家還存在較大差距，產品綜合配套能力不強，特別是在智能開采成套裝備技術方面遠遠不及美國、澳大利亞等國家。進一步落實 “走出去戰略”開拓國外市場，研制1500萬噸級高端綜采工作面成套裝備成為亟待解決的問題。

1 主要研究內容

1.1 綜采工作面設備全三維配套技術

結合先進的計算機輔助選型系統，將綜采工作面各主要裝備三維化建模，自頂向下的對整個工作面進行配套。更直觀地反應出設備配套的不足之處，可以更有效地、有針對性地對綜采工作面的配套裝備進行改進。

1.2 綜采工作面遠程集中控制系統

綜采工作面遠程集中控制系統包括：綜采工作面供電系統、采煤機控制系統、泵站控制系統、液壓支架控制系統、綜采工作面三級通訊控制系統、順槽膠帶機通信控制系統、綜合自動化監測系統、綜合自動化系統等。通過系統集成、信號傳輸，將工作面各種設備的監測結果進行分析和數據整理，確定整個工作面的生產工藝過程，并以形象直觀的數據顯示和三維模擬的方式顯示出來，對生產過程進行及時的調度和管理，最終實現綜采工作面設備遠程集中控制。

1.3 綜采工作面自動化控制系統

綜采工作面自動化控制系統已將多種技術（如控制、以太網、無線、視頻、通信、液壓等）應用于綜采工作面，實現在工作面順槽監控中心對綜采設備進行集中自動化控制。主要功能有以下幾點：

（1）遠程控制功能，地面調度中心可對綜采工作面的設備 “一鍵”啟停；

（2）在順槽監控中心對工作面設備的集中控制（采煤機工況監測與遠程控制功能、液壓支架工況監測遠程控制功能、運輸系統集中自動化控制功能、泵站系統集中自動化控制功能、綜采設備數據集成處理、遠程故障診斷、管理等功能）；

（3）具有工作面工業以太網，在工作面實現數據的高速傳輸，實現數據的井上下傳輸；

（4）工作面視頻監控系統，實現對主要綜采設備進行實時視頻監控；

（5）就地控制功能，當綜采工作面自動化控制系統出現故障時或檢修時，各子系統可就地啟動，不受綜采自動化系統控制，確保生產不受影響。

（6）數據共享功能，根據綜采工作面自動化控制系統及其功能，結合工業以太網技術，將系統收集的信息、數據、視頻等資料進行統一集中存儲、分析、處理、傳輸，通過向第三方提供標準的接口、協議，進行異地信息存儲、分析、處理，進而實現異地控制功能。

1.4 嵌入式3D可視化操控平臺的研究與應用

嵌入式3D可視化操控平臺是數字礦山的重要組成部分，是一個輔助煤礦進行井下實時3D虛擬監控、監控回放的綜合性平臺。它可整合井下綜采機械、破碎機、轉載機、皮帶機等所有大型機械的包括位置、狀態、報警等全部數據信息，同時以三維可視化的形式展現相關信息。以虛擬仿真技術為主要平臺進行開發，采集工作面中相關設備的真實數據，真實再現井上井下設備的操作及控制。替代傳統二維圖片界面控制，提升遠程操作直觀性和準確性

1.5 綜采工作面設備生產工藝記憶功能

通過對綜采工作面設備在不同工況下的運行數據進行整理、分析，對工作面不同生產工藝的設備參數進行優化，實現整個綜采工作面設備的自動控制。

1.6 綜采設備計算機輔助選型系統

計算機輔助選型系統將計算機高速而精確的計算能力、大容量存儲和數據處理能力與設計者的綜合分析和邏輯判斷能力以及創造性思維結合起來，從而大大加快設計過程，縮短設備選型的周期并提高選型質量，為煤礦開采提供安全可靠的工作面綜采設備選型。

1.7 液壓支架及高可靠性電控系統

穩定、高可靠性的電控系統可以將液壓支架的瞬時姿態進行有效記錄、分析，并能夠促使系統做出工作面狀態的有效判斷，對實現少人化、無人化工作面開采有著十分重要的作用。

1.8 采煤機及自動化控制系統

在線監測采煤機運行工況，包括：負荷、速度、轉速、位置、溫度等參數，與液壓支架電控系統通訊進行數據交換；通過連續監測刮板輸送機、轉載機、膠帶機的負荷量，自動調節參數，實現連續采煤。

1.9 刮板輸送機及自動化控制系統

在線監測刮板輸送機運行工況，包括：負荷、速度、轉速、運量、溫度等參數，將數據上傳至工作面集中控制系統，通過數據分析，實現對采煤機、轉載機、膠帶機等設備的運行情況的干預。

1.10 轉載機、破碎機及自動化控制系統

在線監測轉載機、破碎機運行工況，包括：負荷、速度、轉速、運量、溫度等參數，將數據上傳至工作面集中控制系統，通過數據分析，實現對采煤機、刮板輸送機、膠帶機等設備的運行情況的干預。

1.11 膠帶機及自動化控制系統

在線監測膠帶機運行工況，包括：負荷、速度、轉速、運量、溫度等參數，將數據上傳至工作面集中控制系統，通過數據分析，實現對采煤機、刮板輸送機、轉載機、破碎機等設備的運行情況的干預。

同時，煤礦井下帶式輸送機應用智能技術，可為井下煤礦營造一種安全運行環境，可對井下情況進行實時巡視、控制，實現煤礦井下作業體系逐漸系統化的目標。運用智能系統除了能保證系統運行的可靠性，還能有效排查故障，從而提高運輸系統效率。

1.12 綜采工作面供電系統及自動化控制系統

綜采工作面供電系統主要包括監控設備和控制系統。通過監控采煤機開關、運輸機開關、破碎機開關、轉載機開關、乳化泵開關、噴霧泵開關等，調用各個組合開關的運行參數、整定參數、故障參數，對供電系統實現遠距離控制，并與工作面設備綜合自動化系統的其他子系統聯網，根據工作面不同工況設定不同參數，實現自動化控制。

1.13 乳化液濃度在線監測及自動配比系統

煤礦用乳化液配比濃度在線監測及自動配比系統主要功能包括：井上計算機動態顯示監測參數，報警；井下現場顯示數據和報警；根據監測參數實現乳化液濃度自動配比；乳化液壓力、流量在線監測。

乳化液泵站濃度在線監測及配比系統裝置能夠實現乳化液濃度自動校正，當系統內乳化液濃度超出設定值時，會自動加水或加油來校正系統的乳化液濃度值。裝置具備液位實時監測和乳化液自動補液功能，當乳化油箱液位偏低時，進行低液位報警，乳化液濃度低時提示補充乳化油并自動加油。

1.14 綜采工作面主煤流智能噴霧除塵系統

依靠綜采工作面自動化生產的理念，實現超大采高綜采工作面刮板輸送機、轉載機及破碎機對煤塵的有效控制。主要通過在刮板輸送機、工作面機頭、破碎機處設置能夠智能操作的噴霧系統，通過電液控制實現對各噴霧裝置的程序化控制，使每一個噴霧點均可以根據煤流的狀態智能噴霧。

1.15 采煤機慣導定位導航與工作面自動取直算法

針對煤礦綜采工作面生產設備、開采工藝及現場環境進行充分調研、分析、科學論證，通過對煤礦綜采自動化和智能化技術的科學研究，研發高精度慣導定位導航算法，實現采煤機的精確定位與自主運行；通過研發工作面自動取直算法實現對三機狀態檢測及智能遠程聯控的對接融合，實現工作面自主取直。

2 主要目標或技術經濟指標

智能化綜采裝備技術在應用過程中，提升了生產效率，減少了人工作業和多工種之間的交叉作業，降低了職工勞動強度，提高了生產效率，節約了人工成本；同時，智能化無人綜采技術的應用，對煤礦來說，還提升了綜合管理水平，提升了員工素質，提升了礦工和煤礦社會地位，提升了相關技術水平，提升了安全生產保障能力，提升了國產裝備制造水平，該項目主要目標如下：

（1）建立、建成高產高效示范性工作面，實現單工作面年產1500萬t，各設備運轉正常性能可靠，生產效率平均提升30%以上，綜采工作面單班作業人員減至2～3人；

（2）支護設備大修周期≥5年，刮板運輸機過煤量≥2000萬t，實現綜采工作面設備計算機輔助選型及全三維配套；

（3）智能化綜采成套裝備國產化率為100%，完全替代進口技術和設備，實現綜采工作面遠程集中控制、地面集中控制，實現綜采工作面地面3D虛擬可視化實時在線監控，實現工作面視頻全景拼接及工作面人員設備的精確定位；

（4）實現多系統的數據整合統一化管理，為后期設備選型及工作面控制提供數據支持，實現乳化液的自動添加及配比，控制綜采工作面的乳化液使用效率，實現綜采工作面設備生產工藝記憶輸出功能。

3 預期成果

發展高端煤機裝備制造業是基于當前我國煤炭產業所面臨的經濟形式的準確判斷，是實現“創新驅動”和“新舊動能轉換”的重要舉措。通過1500萬噸級成套裝備技術研究及應用，在煤礦綜采工作面中全面實現高可靠性、少人化、無人化值守作業，實現智能化的多級綜采設備的集中控制。提升各主要設備的使用效率，降低各設備的維修及保養費用。高端千萬噸級開采成套裝備技術研究與應用的研制成功，將引領我國煤炭開采模式向自動化、智能化、無人化轉變，實現煤機企業產業升級，實現礦井安全生產的高產高效，提高煤機企業產品附加值，提高礦井的開采效率。