薄煤層綜采遠程可視化無人工作面開采技術

鄧 濤，王思棟，杜兆文，郭士啟，謝紹成，王旭光

（1.棗莊礦業（集團）有限責任公司 濱湖煤礦，山東 滕州 277515；2.山東科技大學 礦業與安全工程學院，山東 青島 266590）

煤礦綜采工作面配套設備實施自動化聯動控制不僅可以實現工作面無人值守而且還可以保證煤炭安全高效開采，同時，自動化聯動控制也是煤炭領域內先進生產力的重要體現[1-4]。煤炭開采配套設備自動化聯動控制控制水平的高低代表著采煤配套設備和現代化礦井水平的高低[5-7]。不斷提高煤炭開采配套設備自動化聯動控制控制水平是當前國內外采礦界研究的熱點方向之一[8-9]。以濱湖煤礦12210工作面為研究背景，在采煤機、刮板輸送機、液壓支架等采煤配套設備實現單機自動控制功能的基礎上，實現監控中心對配套設備進行實時監測與控制。

1 工程概況

濱湖煤礦12210工作面所屬煤層為12下煤層，該工作面位于井下-465 m水平，屬122采區。工作面采深 466.5～486.3 m，工作面傾斜長度平均 179.3 m，走向長度平均為869.1 m。工作面煤層厚度最小為 0.5 m，最大為 1.63 m，平均為 1.3 m。煤層結構簡單、穩定，煤層傾角 2°～6°，平均 4°。煤層可采性指數為0.87，煤厚變異系數為15，發熱量屬特高發熱量煤，平均為27.55 MJ/kg。煤層頂板巖層為泥巖、泥巖細砂巖互層，為典型的薄煤層復合頂板開采條件。

2 智能化總體設計方案

2.1 系統總體方案

有機結合采煤機控制系統、支架電液控制系統、工作面運輸控制系統、三機通信控制系統、泵站控制系統及供電系統，實現協調管理和集中控制綜合機械化采煤工作面配套設備[10]。所有的采煤配套設備都以程序控制為主，人工遠程干預為輔。例如，采煤機割煤時主要以設置好的示范刀為記憶刀進行割煤；液壓支架移架時主要以跟隨采煤機自動序列動作進行移架；刮板輸送機推移時主要以集中自動化序列進行推移控制。綜采工作面配套設備自動化控制系統是集音頻、遠程集中控制為一體的自動化控制系統，此系統可以實現采煤機、液壓支架和刮板運輸機等配套設備的聯動控制和關聯閉鎖等功能。

圖1 工作面自動化控制網絡系統圖

2.2 工作面以太網通信平臺

創建一個具有虛擬局域網、流量優先級等網絡寬帶管理功能的100 M以太網控制平臺。保證最重要的信息能動態的獲得最快速的網絡支持，同時實時監測網絡狀況。使工作面設備信息通過工作面綜合接入器、交換機和光電轉換器匯集到順槽集控中心的隔爆服務器。工作面自動化控制網絡如圖1。

2.3 工作面可視化視頻監控

采煤工作面每隔一定距離設置1臺礦用本質安全型攝像儀，視頻數據通過以太網絡輸送到礦用本安型顯示器上顯示。通過自動化程序控制，可實時分析處理采煤機附近4臺攝像儀的視頻信息。

3 工作面配套基本設備

3.1 采煤機記憶割煤及遠程干預控制

采煤機上設有的采高傳感器及位置傳感器，是實現采煤機自動化的基礎。采煤機控制系統通過處理傳感器的數據信息來實現采高及工作面位置的自主定位，并且具有記憶截割功能。同時，采煤機具有與地面雙向遠程通訊功能，可實現遠程監控。實現以記憶割煤為主要方式，輔以人工遠程干預的生產工作模式。

采煤機在學習模式下，需人工操作割煤作為示范刀，控制系統自動收集、存儲采煤機在各個位置上的數據信息。采煤機進入自動模式，根據控制系統記錄好的示范刀數據信息進行自動割煤。當工作面割煤條件有較大變化發生時，可進行人工就地或遠程干預。

3.2 液壓支架跟機自動化及遠程干預控制

在采煤機及液壓支架上分別安裝紅外線發送器、紅外線接收器，用來發射及接收數字信號，實時監測采煤機方向和位置的數據信息，通過液壓支架跟機自動化軟件，來適應不同工作面條件下對應的采煤工藝。

系統通過對采煤機數據信息的采集和處理，可實現液壓支架動作與采煤機運行位置的協調管理。其中包括液壓支架跟機自動收回和伸出護板幫，跟機自動移架和自動推溜，跟機自動噴霧等。當支架出現液壓故障，部件失靈等原因致使液壓支架動作不到位或其他影響生產的現象發生，可及時進行遠程人工干預。

3.3 轉載機與液壓支架自移聯動

轉載機能夠通過控制器實現自動控制，控制過程相關動作時間通過參數進行設置，且與端頭支架動作進行關聯，在端頭架跟機推溜時能夠聯動自動控制，實現轉載機自移控制。同時能夠實現遠程集中控制。

在端頭架推溜前，要求轉載機8個立柱抬起，將轉載機底座前移，空出轉載機前移的空間。當端頭架推溜時，轉載機推移缸伸出，同時配合端頭架推溜動作，將轉載機前移。

4 系統平臺監控中心

監控中心具有全自動控制模式、分機自動控制模式和分機集中控制模式。其中，全自動控制模式可以將工作面綜采設備集中控制，通過“總開關”按鈕實現工作面綜采設備全自動化。分機自動控制模式是單獨對采煤機，液壓支架等綜采設備進行自動化控制。

1）液壓支架遠程控制。通過對電液控計算機和工作面采集的視頻信息的處理，利用支架遠程操作臺實現液壓壓支架單架推溜，降架，拉架，升架等動作的自動化控制。

2）采煤機遠程控制。依據采煤機主系統及工作面視頻信息，利用采煤機遠程操作臺實現采煤機滾筒升、降、左牽、右牽、急停、記憶割煤啟停等動作的自動化控制。

3）工作運輸機、轉載機、破碎機集中自動化控制。單設備啟停功能，包括刮板機、轉載機、破碎機(聯鎖解除)；順序開機功能，啟動順序如下：破碎機-＞轉載機-＞刮板機-＞采煤機 (存在聯鎖關系)；順序停機功能，停機順序如下：采煤機-＞刮板機-＞轉載機-＞破碎機；具有急停閉鎖功能。

5 智能化開采效益

采用智能化開采后,按每班8 h，7 h組織生產，1 h時搞標準化。每個循環需用時70 min，每刀348 t，每班可循環6次，每天12次，回采率95%，日產量3 112 t，月產量 9.34 萬 t。

采用傳統開采，按每班8 h計算，7 h組織生產，每個循環136 min，每班可循環3次，每天6次，日產量 1 404 t，月產量 4.21 萬 t。

采用智能化開采,可縮短回采周期137.5 d，即4.5個月,每年可節約工資1 110萬元；工作面使用無人化開采，可將整個綜采工作面的操作人員由傳統的11人節減至3人，每個生產班減少用人8人，即每天減少用人16人；無人化開采較傳統開采每月可多出產混煤5.13萬t。

6 結語

通過對薄煤層綜采遠程可視化無人工作面智能開采技術的研究與應用，濱湖煤礦12210工作面實現了工作面無人化智能開采，取得了良好的技術、經濟、社會效益。并且總結出了一套適合薄煤層綜采的技術方案，將對薄煤層綜采遠程可視化智能開采技術的應用起到一定的示范作用。