成套智能化綜采裝備在斜溝煤礦的應用

衛華軍，王 剛

(山西西山晉興能源有限責任公司 斜溝煤礦，山西 呂梁 033601)

長期以來，煤礦井下生產人員密集、工作條件艱苦、勞動強度大、人員效率較低，因此，提高煤礦自動化生產水平，尤其是在高危險性的采煤工作面，大幅提升采煤機、液壓支架和運輸系統自動化水平對煤炭生產具有重要的意義。目前，我國的煤礦綜采工作面以人工操作為主，操作模式為采煤機司機通過手持遙控器操作采煤機的行走、停止和搖臂的升降，移架操作司機通過電液控制裝置控制液壓支架的動作。采煤機司機通過判斷煤炭和巖石的界面調節截割滾筒的高度，采煤機和支架之間的工作需要操作員的相互協調。由于現場人員一般根據觀察和經驗工作，面對煤礦井下十分復雜的情況，無法實現協調有序的工作。因此，為了提高煤礦生產的安全運行和自動化水平，國內外不少企業進行了技術革新，主要包括采煤機自動調高、采煤機自主定位與導航系統、煤巖界面自動識別、井上與井下雙向通訊、采煤工藝智能化等技術。

1 智能化工作面的系統概述

工作面集中控制系統與視頻監控系統是整個煤炭綜采成套裝備智能系統的核心，是操作人員的人機接口與監控平臺，通過建立統一的接口和通訊規約，實現與各個系統的數據通訊，通訊網絡將各個相關設備聯系在一起，滿足生產工藝監控要求。

通過構建由井下控制中心、綜采工作面有線/無線全覆蓋網絡、設備遠程控制與語音通訊系統、工作面視頻監控系統、數據分析與診斷預警、工作面設備姿態檢測系統、轉載機、破碎機、泵站以及膠帶輸送機的連鎖控制等組成的自動控制平臺，實現工作面液壓支架、采煤機、刮板輸送機的協調控制，完成綜采工作面生產過程自動化控制功能，提高生產效率；并對主要生產設備工況實時在線監測，及時發現故障隱患，提高設備開機率；對工作面的相關信息分類整理，通過環網將數據上傳地面調度中心，通過地面調度中心將數據融合到基于物聯網技術的綜采設備智能化管理系統，實現數據共享與遠程管理。

工作面的采煤機、支架(包括端頭架、過渡架、中間架)、刮板輸送機(變頻驅動控制)、轉載機、破碎機、自移機尾、負荷中心、泵站均實現了遠程單控控制。

2 智能化工作面的總體框架

2.1 主控設備列車部分

主控設備列車部分由計算機、視頻監控終端、PLC邏輯控制裝置、不間斷供電電源、本安型操作臺組成，集控平臺硬件結構圖見圖1，PLC控制系統圖見圖2.

圖1 集控平臺硬件結構圖

圖2 PLC控制系統圖

2.2 網絡通訊部分

網絡通訊部分是由工業實時以太網通訊網絡、無線網絡覆蓋通訊網絡、采煤機專用通訊網絡組成。

2.3 視頻部分

視頻部分由無線攝像頭和有線攝像頭組成。

2.4 刮板機姿態檢測部分

刮板機姿態檢測部分由刮板機姿態傳感器裝置總成組成。

2.5 工作面語音對講及閉鎖部分

工作面語音對講及閉鎖部分由KDW101型電源箱、KTC101-Z型主控制器控制、KTK101-1-IC啟停組合擴音電話、KTK101-1型帶閉鎖組合擴音電話、KFD101多功能終端組成。

3 智能化工作面的功能簡介

1) 通過采煤機上的傳感器提前識別煤巖數據，并且實時監測前端液壓支架護幫板的收回情況，控制采煤機的采高和速度，實現三機的配合運轉。

2) 通過在刮板機上安裝曲直度檢測傳感器，并對相關數據進行采集和分析，判斷整個工作面目前的彎曲狀態，將相關數據發送給支架電液控制系統，通過控制每次推移的步距，實現液壓支架的自動調直。

3) 結合斜溝煤礦的現有采煤工藝，進行參數的設置，通過對采煤機位置的監測，由支架電液控進行配合，在斜切進刀時由控制臺操作人員進行采煤機速度及支架的配合操作，確保斜切進刀的完成，工作面集中控制系統根據各設備的返回狀態信息和工藝要求發出啟停指令，接到動作信號后各設備自動完成每個控制循環周期并實時返回當前狀態標志信號，通訊網絡結構圖見圖3.

4 智能化工作面采煤工藝

斜溝煤礦18201智能化工作面液壓支架布置情況為：端頭架、過渡架、中間架總計174架。端頭架機頭側為3架，機尾側為4架；長頂梁過渡架機頭側、機尾側各1架；短頂梁過渡架，機頭側為3架，機尾側為2架；中間架為160架。液壓支架中心距為1.75 m，采煤機約占9個液壓支架寬度。

圖3 通訊網絡結構圖

支架編號定義：頭端1、頭端2、頭端3、支架1、支架2、支架3……支架165、支架166、支架167、尾端1、尾端2、尾端3、尾端4.

采煤機從工作面頭端往尾端采煤運行定義為下行采煤，采煤機從工作面尾端往頭端采煤運行定義為上行采煤。

正常采煤情況下，采煤機和液壓支架的動作狀態為：采煤機從刮板機機頭處下行采煤，運行到刮板機尾完成掃底后折返；在機尾處進行斜切進刀及割三角煤作業，完成后進行上行采煤；直至返回到刮板機頭割透煤壁完成掃底刀作業；在機頭處進行斜切進刀及割三角煤作業，最終停止于初始狀態。該過程認為是自動化采煤作業的一個完成周期。

4.1 下行初始狀態

機頭處3臺端頭架，機尾處4臺端頭架為拉架到位狀態，其余過渡架和中間架均處于推溜到位狀態。

過渡架和中間架兩級護幫支護到位：頂向煤壁；采煤機區域按規則支護：支架1、支架2、支架3、支架4、支架5、支架6、支架7、支架8、支架9為支護收起狀態，支架10—167為支護到位狀態。

工作面所有液壓支架前梁為收回狀態：采煤機區域按規則支護：支架1、支架2、支架3、支架4、支架5、支架6、支架7、支架8、支架9為前梁伸出狀態。

采煤機位于工作面左端頭(面向煤壁)，左截割滾筒左邊緣與1#支架左邊緣對齊：左滾筒對應支架1位置，右滾筒對應支架9位置。

采煤機位于工作面左端頭：機身對應支架區域為：支架1、支架2、支架3、支架4、支架5、支架6、支架7、支架8、支架9，準備下行采煤，左右截割滾筒的狀態為：右高左低(兩只滾筒分別與支架1、支架9底座平齊)，采煤機下行初始狀態圖見圖4.

圖4 采煤機下行初始狀態圖

4.2 采煤機準備下行采煤

采煤機啟動，兩只截割滾筒由停止進入旋轉狀態。收回“支架8”、“支架9”伸縮梁。收起“支架10”、“支架11”兩級護幫。

升高采煤機右截割滾筒，高度與“支架9”頂梁高度相當。此時采煤機右截割滾筒仍為割底狀態，與“支架1”底座平齊,采煤機準備下行采煤狀態圖見圖5.

圖5 采煤機準備下行采煤狀態圖

4.3 采煤機下行采煤

提前一架(間隔1架)依次收回兩級護幫。滯后右截割滾筒一架(間隔1架)開始伸出前梁。滯后左截割滾筒兩架(間隔2架)開始拉架并收回前梁。滯后左截割滾筒三架(間隔3架)開始支護兩級護幫。滯后左截割滾筒四架(間隔4架)開始推溜,采煤機下行割中間煤狀態圖見圖6.

圖6 采煤機下行割中間煤狀態圖

4.4 割透右端頭煤壁，掃底刀

采煤機向右行走采煤(右高左低)，直至割透右端頭煤壁，停止行走。

采煤機割透右端頭煤壁，牽停后，降低右臂高度升高左臂高度(右低左高)，準備折返進行掃底刀作業。

右臂高度降低后，伸出支架165、支架166、支架167伸縮梁。

在升高左臂高度之前，收回支架157、支架158、支架159、支架160的伸縮梁,然后升高左臂高度。

滯后采煤機的支架不進行推溜動作，待完成斜切進刀再進行推溜。

支架拉架動作后，要保證所有支架在同一條直線上,采煤機機尾準備掃底刀圖見圖7.

圖7 采煤機機尾準備掃底刀圖

4.5 采煤機上行斜切進刀

采煤機沿溜槽彎曲段，斜切進刀。向左行走斜切進刀時，左截割滾筒高，右截割滾筒低。采煤機向左行走斜切進刀，至132架停止(采煤機對應區域為支架132—140，之前彎曲段為支架142—154)，完成斜切進刀。

斜切進刀過程，超前采煤機兩架收護幫板，滯后采煤機前滾筒一架升出前梁；滯后采煤機的支架按原規則先拉架到位(所有支架為直線)、支護到位，但不進行推溜動作,采煤機斜切進刀圖見圖8.

圖8 采煤機斜切進刀圖

4.6 向右行走割三角煤

采煤機停于132架，待端頭架成組推溜和依次拉架動作完成后，開始下行割三角煤。

行走前需要調整臂高，調整支架狀態。降低左臂高度，同時伸出左滾筒對應伸縮梁(支架132、支架133).然后，收回右滾筒對應伸縮梁(支架139、支架140、支架141).升高右滾筒。

向右行走時，采煤機右高左低(同時完成掃底刀作業)。采煤機向右行走，液壓支架超前煤機，收起護幫。滯后前滾筒，伸出前梁；滯后左滾筒的兩架完成拉架收前梁；滯后左滾筒的三架完成護幫支護動作，但不進行推溜動作。采煤機準備下行割三角煤圖見圖9.

圖9 采煤機準備下行割三角煤圖

4.7 采煤機運行速度及支架的配合操作

集控系統工作時，兩名集控作業人員一人進行采煤機運行系統的監控及操作，一人負責支架智能系統的監控及操作(同時負責三機運行狀況的監控)，采煤機運行操作人員要注意采煤機各監測裝置反饋回的狀態信息，及時掌握采煤機的滾筒高度及牽引速度(結合截割負載、牽引負載、運輸機負載、工作面瓦斯濃度等的變化)，并詢問支架監控人員采煤機運行前后支架姿態是否滿足要求(支架監控人員通過手動切換視頻圖像，監視工作面從機頭至機尾液壓支架姿態，主要觀察液壓支架護幫姿態、液壓支架伸縮梁姿態、液壓支架拉架推溜狀態，確保采煤機運行期間各支架的配合)。

在集控系統工作期間，采煤機及支架巡視工要隨時跟機巡視，并聯系集控中心確認狀態是否正確。

1) 巡視超前于采煤機前滾筒的液壓支架收護幫動作是否存在不到位或不動作狀態。

2) 巡視滯后于采煤機前滾筒伸縮梁狀態。

3) 巡視滯后于采煤機后滾筒拉架狀態。

4) 巡視滯后于采煤機后滾筒推溜狀態。

5) 巡視采煤機行走至工作面兩個端頭時滾筒與設備的干涉狀態。

6) 巡視工通過采煤機的震動，聲音的變化判斷上、下滾筒截割情況，是否下滾筒割到巖石，根據采煤機割煤速度判斷下滾筒下探割巖石厚度情況。

5 智能化工作面人員配置

根據高產高效的原則和生產隊組的實際情況：生產班(甲、乙、丙)定員均為12人，檢修班(丁)定員為24人，生產班組比以往工作面縮減了4人，且減少了運行期間的工作量。

6 結 語

1) 綜采裝備的成套智能化及自動化投運可實現工作面的減人增效，對無人智能化采煤提供了很好的研究方向。

2) 對采煤工藝進行優化，控制采煤機的運行速度，調整前端支架的動作，可以實現三機的配套運行。

3) 可以對各設備進行動態監測，進行故障診斷和報警。