特厚煤層低位放頂煤智能化成套裝備的應用探索

王 宇

（同煤集團機電管理處， 山西 大同 037003）

引言

煤炭是我國主體能源，安全智能、綠色高效礦井是我國煤礦發展的主要方向。特別是近年來，在國家發展“互聯網＋”戰略方針的大力推動下，以實現少人化、無人化開采為目標的智能化開采技術成為煤炭開采的主要發展趨勢[1]。目前在國內神東、陜煤、陽煤等煤礦集團公司實施的一次采全高智能化裝備已取得一系列成果，綜采工作面的主要裝備已基本具備感知、自學習和決策、自動執行功能，實現了工作面的高度自動化少人遠程監控、安全高效開采[2]，但綜放智能化裝備的水平仍不能滿足特厚煤層放頂煤工作面的開采，在裝備的穩定性、可靠性、各設備間的協調性、放頂煤工藝的整體適應性上都需要進一步研究發展，尤其是智能化放煤仍是制約我國特厚煤層綜放工作面自動化程度和產量再提高的重要因素。2016 年，國家“千萬噸級高效綜采關鍵技術創新及產業化示范工程”項目在同煤集團同忻礦成功實施，實現了放頂煤工作面的智能化開采，在裝備的配套可靠性、智能化配合、集中、遠程控制系統等方面取得了一定的突破。下面對同煤集團現有的特厚煤層低位放頂煤智能化裝備技術進行闡述[1-7]。

1 特厚煤層低位放頂煤智能化成套裝備的主要配套

同煤集團的特厚煤層主要集中石炭系，煤層賦存厚度在14～20 m之間，工作面傾向長度200～280 m，走向2 000 m 左右，單面年產量10～15 Mt。主要配套工作阻力在15 000～17 000 kN 的支撐掩護式放頂煤支架、總功率1 630～2 360 kW 的采煤機，2×1 050 kW 以上的前、后刮板輸送機、600 kW 以上轉載機、400 kW 以上破碎機、400 L/min 至630 L/min 的乳化液泵、3×500 kW 以上順槽皮帶機、天瑪自動化采煤控制系統等裝備。

2 智能化的組成及可實現的主要功能

目前，智能化成套裝備自動化裝備以采煤機記憶截割、液壓支架自動隨機以及可視化遠程監控為基礎，通過智能化控制算法，綜合應用以太網、視頻、通信、電液等多種技術，對采煤機、支架電液控制、運輸系統等綜采設備整體協調控制，具有感知、自學習和決策、自動執行能力，實現設備的就地、集中、遠程三級網絡管理，實現“工作面自動控制為主、監控中心遠程干預為輔”的智能運行模式，達到綜采工作面少人、無人的目的，如圖1 所示。

圖1 綜采自動化控制系統結構圖

液壓支架電液控制系統，主要由電控系統、電液換向閥、順槽監控主機系統、井上下數據傳輸系統、順槽過濾系統組成，具備支架與圍巖耦合監測控制、單架控制、成組控制、跟機自動化控制、閉鎖及緊急停止、故障顯示及報警、自動補壓、帶壓移架、礦壓監測、智能噴霧降塵控制、工作面數據集成及上傳、順槽及地面監測、數據分析及信息發布等功能[8-12]。

工作面順槽監控中心是整個工作面協調機制的“大腦”，主要由礦用監控主機、顯示器、操作臺、交換機等設備組成。具備采煤機、電液控液壓支架、泵站系統、運輸系統的監測監控、遠程控制功能，同時具備機電保護、視頻監測、通信監測、礦壓分析、工況報表及故障監測等功能。

工作面以太網主要由綜采綜合接入器、光電轉換器、交換機、穩壓電源、礦用光纜等組成，用于傳輸數據，是整個系統的神經，實現工作面數據的高速傳輸。

工作面視頻系統由攝像儀、顯示器和操作臺等組成，用于遠程可視監控，是整個系統的“眼睛”。

支架、采煤機、刮板運輸設備、膠帶輸送機、泵站等設備的遠程協調控制系統，通過綜采設備的數據接口開放，實現設備數據的基本數據傳輸功能、遠程控制功能、安全保護功能；實現綜采設備的遠程一鍵啟停、采煤機的記憶截割、刮板運輸設備的煤流平衡控制等功能。

地面分控中心是地面調度室對井下工作面綜采設備進行指揮、集控和統一管理的平臺，由視頻監視、遠程控制、安全監控等系統構成；實現地面實時監控、大數據分析、系統優化、智能化遠程干預控制。主要實現工作面系統集成及數據上傳查看、視頻監控存儲、圖像巡檢、實時報警等功能，同時通過設置相應的安全機制，在取得相應授權的條件下，可在地面調度指揮中心對綜采工作面設備實現一鍵起停功能[13-18]。

3 現場情況

減人方面：生產班由原先23 人（皮帶機司機2人，泵站工1 人，采煤機司機2 人，支架工4 人，放煤工4 人，三機工4 人，電工1 人，兩巷支護工5 人），降低至11 人（皮帶機司機1 人，泵站/電工1 人，采煤機司機2 人，支架工2 人，放煤工（兩巷支護工）共3 人，三機工2 人）。

增效方面：由于放頂煤工作面的產量以放煤為主，工作面裝備的推進快慢與放煤速度有關，采煤機的截割速度影響不大，目前支架的放煤自動化仍未成熟，采用人工操作，由以前的單架、間隔放煤變為現在的成組、間隔成組放煤，可以提高1/4 的放煤速度，每天可多割1 刀。

智能化方面：目前采煤機在頂板條件好的情況下可以按照自動割煤程序進行割煤，支架跟機，放煤動作仍需人工現場參與，自動放煤存在一定安全隱患，傾角傳感器矯正過程復雜。

與人工對激光走架相比較，跟機移架存在“走不齊，走不平，走的慢”的問題。目前自動找直系統的算法仍不能滿足生產需求。

自動化采煤控制系統與各類采煤設備的兼容性、控制性上仍不穩定，時有中斷現象。

控制系統對支架推移千斤、抬底千斤等各類油缸的控制速度、準確度仍無法滿足生產條件的要求。

控制面板、傳輸線路、各類傳感器受井下惡劣環境影響，故障點多，故障率高，更換困難，維護強度大。如：推移行程傳感器損壞后，需對油缸整體更換；護幫傳感器受煤矸、粉塵影響，經常誤動作；控制面板容易進水失靈；攝像儀受工作面粉塵濃度大、濕度大的干擾，經常性出現視頻模糊的情況，需不斷清理。

4 后期的探索

在煤巖識別上進行探索，目前基于射線、振動、聲頻、激光、熱成像等多種原理的傳感試驗在煤巖識別上效率依然很低，針對不同礦井煤炭賦存的條件，需要設計不同的識別方法。

探索工作面自動找直。由于地質條件的約束，在開采過程中刮板輸送機隨經常會出現“上竄下竄”的問題，目前主要采用人工操作割刀調節，如可根據地質情況，利用自動化程序，實現調直調平，將極大地提高工作面開采質量。

探索適合自動化割煤的割煤工藝。目前采煤機割煤主要采用記憶截割，工作面地質條件較好時，在中部割刀時基本可滿足生產，但在復雜的兩端頭、過渡段割刀時，由于割煤工藝、支護難度、設備集中空間小等原因，經常需調整，自動化難度較大。

探索符合刮板機運力的自動化多段放煤技術，目前自動化放煤與采煤機截割、支架推移的整體配合算法、工藝、包括放煤識別都處于研究階段，無法實現自動化，需要人工肉眼干預。

探索液壓支架的姿態監測調整，由于工作面地質條件不同，頂板來壓、工作面傾角、放煤時沖擊、底板平整度等多方面因素對支架的工作形態影響巨大，要保證支架合理的工況，需要確立支架對于圍巖、對于刮板機、采煤機等各方面的整體三維立體的位置把控，并予以調整協調。

多裝備、多系統的進一步協調工作，目前工作面的設備基本實現自動化，但在各設備之間的協調動作、兩巷支護、無煤柱切頂、工作列車自移、兩巷管路、電纜移動等的自動化上，還無法實現隨工作面的自動回縮。

探索進一步加強自動控制的可靠性，礦井地質條件復雜，自動化線纜多，維護極為困難，但無線網絡在信號響應、靈敏度上并不能滿足工作面需求，必須設計研究適合井下使用的通訊控制系統網絡[19-21]。

探索礦井工作面整體的監測控制，目前工作面的監測控制僅能保證設備間的互動聯系，但整個工作面在開采過程中受影響的是整個上下覆及周邊煤層，頂底板狀況、周邊煤壁壓力、未開采段的夾層等是自動化無法有效適應的重要原因，如能在工作面開采前、開采中對工作面的整體賦存、壓力、夾矸變化等能實時監控，再調整工藝工序，可大大提高自動化的適應性。

探索擬人機器人在工作面現場的巡回檢查、現場操作，從本質上提高人員安全性，并可以保證人員根據現場情況處理復雜問題，提高工作面自動化能力。

隨著工作面裝備的不斷發展，開采工藝的不斷進步，自動化控制系統的自拓展、自學習、自更新也應不斷探索。例如適應三級放煤液壓支架的自動化程序、適應7 m 以上大采高的采煤機割煤程序、適應放頂煤交叉側卸式轉載機的刮板運輸程序，適應高壓力、大流量乳化液泵的智能化調節程序，適應根據煤流永磁變頻調控運輸設備的集中控制程序等。

5 結語

目前，國內煤礦智能化綜放開采裝備已從理論研究完全進入井下工業性試驗階段，雖然無法完成真正的無人化開采，但已經在自動截割、自動移架、遠程一鍵啟停、實時監控等方面取得了很大的進步，但就其存在的一些問題還需不斷地探索。例如，目前在同煤大唐塔山礦實施的智能化工作面，在研究特厚煤層綜放工作面采煤與放煤平行作業協調控制機理與方法、基于工作面直線度控制的綜放工作面多信息集成智能控制技術、基于后部刮板輸送機煤流負荷控制的放煤控制技術、支架位姿及放煤機構動作實時精準監控技術及裝備、綜放工作面高效高強度開采裝備自適應技術、開發智能放煤控制程序、研制智能放煤控制系統上將做進一步的探索論證。