大采高智能化采煤控制技術(shù)在黃陵二號煤礦的發(fā)展

吳 寧，楊 波

（陜西黃陵二號煤礦有限公司，陜西 黃陵 727306）

0 引言

大采高綜采是一種煤礦開采的技術(shù)，我國綜采工作面發(fā)展迅猛，但是卻遠(yuǎn)落后于國外的發(fā)展腳步，尤其是在智能化方面還處在起步階段。在新技術(shù)不斷涌現(xiàn)的大背景下，各行業(yè)的發(fā)展和變革都受到了巨大的沖擊，智能化、高度自動化和無人化成為工業(yè)設(shè)備發(fā)展的主流方向［1-3］。近年來，我國煤炭開采技術(shù)及工作面裝備水平取得重大進(jìn)步，推動了煤礦開采向著安全、綠色、高效的方向發(fā)展，全國各地區(qū)結(jié)合自身礦井環(huán)境，搭建起大批量高自動化程度和綜合性機(jī)械化裝備的現(xiàn)代化礦井。2017年陜西黃陵二號煤礦有限公司根據(jù)416工作面的實際情況，與北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司在大采高工作面的自動化開采問題上作出重大突破，經(jīng)過深入探討論證，搭建起大采高智能化綜采工作面控制系統(tǒng)方案，并成功應(yīng)用。

煤炭的開采需要面對極為復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境，傳統(tǒng)的煤炭開采方式面臨著巨大的潛在風(fēng)險，對于安全生產(chǎn)產(chǎn)生不利的影響，對于生產(chǎn)效益的提高形成了制約。而智能化綜采工作面的成功應(yīng)用，尤其是在大采高環(huán)境下的實踐有著極其重要的意義［4-6］，為此，對大采高智能化采煤控制技術(shù)在黃陵二號煤礦的應(yīng)用發(fā)展進(jìn)行探討。

1 大采高智能化開采技術(shù)

綜采工作面是礦井生產(chǎn)的核心，對綜采工作面進(jìn)行自動化控制是現(xiàn)代化礦井實現(xiàn)生產(chǎn)管理的關(guān)鍵，大采高綜采智能化工作面的順利實施，探索出了厚煤層少人化生產(chǎn)的技術(shù)路線［7-10］，促進(jìn)了綜采技術(shù)進(jìn)步，對降低工人勞動強(qiáng)度、提高綜采生產(chǎn)效率、減少人員、降低勞動風(fēng)險具有十分重要的意義。

智能化開采是指在不需要人工直接干預(yù)的情況下，通過環(huán)境的智能感知、設(shè)備的智能控制，由設(shè)備獨立完成的回采過程［11-13］。智能化開采是在機(jī)械化開采、自動化運行的基礎(chǔ)上，集信息化與工業(yè)化深度融合的煤炭開采技術(shù)變革。將采煤機(jī)控制系統(tǒng)、支架電液控制系統(tǒng)、工作面運輸控制系統(tǒng)、三機(jī)通信控制系統(tǒng)、泵站控制系統(tǒng)及供電系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，實現(xiàn)對綜合機(jī)械化采煤工作面設(shè)備的協(xié)調(diào)管理與集中控制。實現(xiàn)集視頻、語音、遠(yuǎn)程集中控制為一體的綜采工作面自動化控制系統(tǒng)，實現(xiàn)工作面采煤機(jī)、運輸機(jī)和液壓支架等設(shè)備的聯(lián)動控制和關(guān)聯(lián)閉鎖等功能。

綜采智能化工作面控制系統(tǒng)主要由綜采單機(jī)設(shè)備、順槽監(jiān)控中心、調(diào)度指揮中心3部分組成。在工作面原有采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)等單機(jī)子系統(tǒng)的層級之上構(gòu)建了統(tǒng)一開放的1000M工業(yè)以太網(wǎng)控制網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)單機(jī)設(shè)備信息匯集到順槽監(jiān)控中心的服務(wù)器上，供其分析決策與控制。智能化開采具備以下技術(shù)內(nèi)涵：采煤設(shè)備具備自動運行功能、智能化控制系統(tǒng)具備實時獲取采煤工藝數(shù)據(jù)的功能，能根據(jù)采場條件人工干預(yù)調(diào)整采煤工序過程。

2 大采高智能化開采關(guān)鍵技術(shù)

2.1 “一鍵啟?！比詣涌刂茊⑼＜夹g(shù)

將集成控制系統(tǒng)設(shè)置為“全自動”工作模式，通過“一鍵啟停”按鍵控制工作面綜采設(shè)備?！耙绘I啟?！惫δ馨ǎ喉槻勰z帶輸送機(jī)啟停、泵站啟停、破碎機(jī)啟停、轉(zhuǎn)載機(jī)啟停、刮板輸送機(jī)啟停、采煤機(jī)記憶割煤程序啟停、液壓支架跟隨采煤機(jī)自動化控制程序啟停。自動化運行過程中，實時監(jiān)控工作面綜采設(shè)備運行工況，當(dāng)設(shè)備運行異常，在監(jiān)控中心操作人員可以通過人工干預(yù)手段對設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程干預(yù)。

2.2 跟機(jī)自動化與記憶截割高效協(xié)同技術(shù)

采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)依據(jù)采煤機(jī)行走編碼器和調(diào)高油缸行程傳感器，實現(xiàn)采煤機(jī)的記憶割煤和遠(yuǎn)程干預(yù)等功能。根據(jù)采煤機(jī)儲存系統(tǒng)中示范刀的記憶曲線作為采煤機(jī)智能調(diào)高系統(tǒng)的反饋依據(jù)調(diào)節(jié)前后滾筒，通過行走編碼器記憶運算功能控制煤機(jī)行走運行距離，實現(xiàn)采煤機(jī)自動割煤。依據(jù)采煤機(jī)主機(jī)系統(tǒng)及工作面視頻，通過操作采煤機(jī)遠(yuǎn)程操作臺實現(xiàn)對采煤機(jī)的遠(yuǎn)程控制功能，可以對采煤機(jī)進(jìn)行啟停控制、運行速度控制和前后滾筒搖臂高度控制等。在液壓支架電液控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，增加護(hù)幫傳感器、傾角傳感器、測高傳感器等實現(xiàn)液壓支架的自動化控制。護(hù)幫板依據(jù)傳感器值判斷護(hù)幫板是否收到位，防止采煤機(jī)自動化割煤時與液壓支架發(fā)生干涉。實現(xiàn)了液壓支架的輔助動作可與支架移架的主要動作同時進(jìn)行，每個支架移架時間15 s左右的目標(biāo)，可以滿足采煤機(jī)最高0.1 m/s的運行速度。在大采高工作面液壓支架電液控制系統(tǒng)實現(xiàn)全工作面跟機(jī)自動化的基礎(chǔ)上，結(jié)合采煤機(jī)記憶割煤“象限”分割，將支架全工作面跟機(jī)階段點和“象限”距離轉(zhuǎn)換點進(jìn)行精確整合，實現(xiàn)工作面支架自動化控制和采煤機(jī)記憶切換的準(zhǔn)確匹配，降低人工就地干預(yù)頻率，提高工作面自動化生產(chǎn)效率。

2.3 膠帶機(jī)“三控”融合技術(shù)

膠帶機(jī)控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，需將CST控制系統(tǒng)、華寧控制系統(tǒng)、天瑪自動化控制系統(tǒng)串聯(lián)。CST離合器流量、壓力、溫度、比例閥輸出、冷卻流量等運行參數(shù)由CST自控，如有故障可自行停機(jī)。皮帶的煙霧、帶速、堆煤、閉鎖、跑偏、張力、超溫灑水等功能由華寧監(jiān)控。通過綜采SAM自動化控制系統(tǒng)將以太網(wǎng)、音頻、通信等信號有機(jī)融合收發(fā)指令?？傮w概括為自動化控制系統(tǒng)發(fā)出指令，華寧系統(tǒng)執(zhí)行語音、開停信號，CST接受命令自動運行的“三控”邏輯方式，達(dá)到一鍵啟停效果。

2.4 設(shè)備防碰撞控制技術(shù)

根據(jù)工作面跟機(jī)過程中，順槽監(jiān)控中心主機(jī)對采煤機(jī)前滾筒與支架護(hù)幫板位置關(guān)系、后滾筒與支架移架速率關(guān)系、采煤機(jī)在端頭三角煤區(qū)域作業(yè)時支架跟機(jī)動作關(guān)系進(jìn)行實施監(jiān)控。通過在支架護(hù)幫板安裝行程和壓力傳感器的方式，監(jiān)控采煤機(jī)前滾筒與護(hù)幫板收回狀態(tài)的相對位置關(guān)系，防止采煤機(jī)滾筒與支架護(hù)幫板碰撞。由支架上紅外傳感獲得采煤機(jī)位置信息，通過監(jiān)控主機(jī)和工作面電液控制系統(tǒng)設(shè)置支架跟機(jī)動作觸發(fā)點，保證采煤機(jī)在端頭三角區(qū)域作業(yè)時機(jī)身范圍內(nèi)支架與煤機(jī)滾筒的相對位置安全。

2.5 支架自適應(yīng)控制技術(shù)

在特殊底板條件下，支架跟機(jī)自動移架過程模擬人工操作動作序列，將支架整個自動降移升動作增加抬底、降架時間次數(shù)，既能滿足跟機(jī)速度，又能保證支架姿態(tài)和移架質(zhì)量。在頂板破碎和煤壁片幫的條件下，支架跟機(jī)護(hù)幫伸收過程中，采用兩級護(hù)幫的動作序列組合方式：在伸一級護(hù)幫15 s過程中，增加兩次收二級護(hù)幫3 s動作，滿足護(hù)幫聯(lián)動靠近煤壁時二級能夠完全貼合煤壁，收護(hù)幫時增加先收二級2 s動作，避免卡頓或不到位，達(dá)到護(hù)幫板自適應(yīng)跟機(jī)作業(yè)。

2.6 模擬人工護(hù)幫智能精準(zhǔn)控制

大采高厚煤層采煤工藝最大的控制難點是兩級護(hù)幫板與煤壁貼合的工藝控制，采煤機(jī)與液壓支架在機(jī)架協(xié)同工藝過程中，護(hù)幫板的收打工藝、抬底拉架工藝、運輸機(jī)三角煤蛇形進(jìn)刀段的階梯推移距離工藝等軟件運行參數(shù)誤差較大，導(dǎo)致架前涌煤、蛇形彎曲段曲線不盡人意。通過觀察人為操作習(xí)慣，調(diào)整蛇形段程序距離、支架推移增設(shè)慢速邏輯閥、增加2次抬底、修改降柱壓力參數(shù)為25 MPa等辦法，達(dá)到自動跟機(jī)動作模擬人為操作的目的，實現(xiàn)減少人為干預(yù)和精準(zhǔn)自動運行的效果。

3 仍需研究的技術(shù)

3.1 視頻死角與透塵技術(shù)

制約大采高遠(yuǎn)程干預(yù)的主要矛盾是視頻死角太多、采煤過程中隨著采煤機(jī)滾筒割煤和落煤伴隨的揚塵導(dǎo)致視線不清晰，當(dāng)煤層發(fā)生變化時順槽集控中心不能清晰地反應(yīng)煤壁情況，使得人為干預(yù)較為困難。通過抑塵劑、高效霧化降塵、煤層注水等方式治理煤塵，紅外熱成像、增加廣角高清攝像儀等提高視頻透塵技術(shù)還要繼續(xù)研究。

3.2 工作面自動找直技術(shù)

工作面在推采過程中由于運輸機(jī)的上竄下滑、進(jìn)刀尺寸、支架推移步距等原因會造成煤壁不直，機(jī)頭機(jī)尾推采距離不一致，工程質(zhì)量較差，影響設(shè)備的自動化運行。智能化系統(tǒng)中運輸機(jī)自動找直技術(shù)是目前的技術(shù)瓶頸，國內(nèi)還沒有完全研制成功。目前澳大利亞研制的lasc慣導(dǎo)技術(shù)是國內(nèi)外采用較多的，并在美國久益采、德國艾柯夫、我國上海等煤機(jī)上都有應(yīng)用，該技術(shù)的引進(jìn)能夠解決工作面自動找直的瓶頸。

3.3 智能化系統(tǒng)故障自診斷技術(shù)

智能化系統(tǒng)是將綜采工作面的膠帶機(jī)、泵站、三機(jī)、煤機(jī)、支架、語音通訊等控制系統(tǒng)通過控制主機(jī)、以太網(wǎng)搭建平臺全部有機(jī)融合，實現(xiàn)實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)上傳、智能控制、一鍵啟停功能。對于各子系統(tǒng)的故障沒有自檢和診斷功能，發(fā)生故障后不能及時報告故障原因，對處理故障不能提供詳細(xì)信息，存在設(shè)計不足。對目前控制系統(tǒng)增加擴(kuò)展功能，把各子系統(tǒng)故障代碼全部對接，形成全方位的故障自診斷系統(tǒng)還需研究。

3.4 煤巖識別技術(shù)

煤巖界面智能識別技術(shù)是當(dāng)前制約智能化采煤的重大難題。目前，現(xiàn)有的煤巖識別辦法有紅外探測法、有功功率檢測法、圖像識別法等。國外研發(fā)的紅外遙感技術(shù)自動測量煤壁溫度進(jìn)而識別煤層結(jié)構(gòu)的方法，這種實時監(jiān)測方法克服了當(dāng)前采煤機(jī)搖臂自動調(diào)整智能操作的制約，此技術(shù)在我國還在起步階段，要實現(xiàn)煤巖識別技術(shù)還要繼續(xù)研究。

4 結(jié)語

智能化技術(shù)是實現(xiàn)我國煤礦人才技術(shù)密集型轉(zhuǎn)變的重要手段，也是順應(yīng)煤礦開采的少人化，甚至是無人化趨勢的必然要求。隨著科學(xué)技術(shù)在不斷進(jìn)步，采煤自動化水平也在不斷提高，綜采工作面智能化控制系統(tǒng)提高了整個礦井開采的高效性、安全性；在工作面巷道監(jiān)控中心，采用網(wǎng)絡(luò)傳輸視頻信號，提高了工作面實時監(jiān)測的效果；自動化水平減少了人員投入，提高了采煤效率，促進(jìn)了采煤技術(shù)朝著自動化、高效化以及安全化的方向發(fā)展。