澳大利亞沖擊地壓礦井無人化開采裝備與技術應用

李安民，張寶才,2，張 寧,2，陳龍高，王 兵

(1.兗煤澳大利亞有限公司，新南威爾士州 悉尼 2000；2.兗礦集團有限公司，山東 鄒城 273500)

早在1950年左右，英國國家煤炭委員會就提出了遙控操作工作面的概念。1990年左右，英國聯邦科學與工業研究組織結合之前的自動化研究成果，將慣性導航技術應用到采礦行業中，整合各個子系統，并將這種技術應用到高墻開采實踐中，取得了較好的效果。隨后，該技術又在澳大利亞新南威爾士的South Bulga煤礦短期實驗成功[1]。至2001年，該項技術研究獲得澳大利亞煤炭工業協會科研基金項目的支持后得以迅速完善和推廣應用[2]。而后，澳大利亞長壁自動化控制委員會對現有研究成果不斷優化改進，并與各采礦設備生產廠家合作，整合各軟硬件系統，制定了LASC技術協議。至2012年，LASC自動化技術已經全面走向成熟，現今，澳大利亞80%的井工礦采煤工作面均已實現了自動化生產[3]。

1 礦井概況

1.1 賦存條件

澳思達煤礦位于澳大利亞東海岸紐卡斯爾煤田，井田面積63 km2，地質儲量1.4億t，主采煤層平

均厚度4.5～7.5 m，傾角4°，埋深450～700 m。煤層頂板為砂巖、粉砂巖互層，厚度達20 m；底板為薄層狀泥巖、黏土巖、粉砂巖、砂巖，厚度約2 m，下俯較厚的礫巖層。借鑒中國標準開展了礦井沖擊傾向性鑒定，經測定澳思達煤礦主采煤層和頂板巖層均屬于Ⅱ類，為具有弱沖擊傾向性煤層和頂板巖層。

2016年以來，澳思達煤礦進入貝爾伯德南區開采過程中陸續多次發生動力異常事件，州政府屢屢下達生產禁令，嚴重影響了礦井生產經營。在此期間，兗煤澳洲公司的管理技術團隊在國內外開展了廣泛的防沖技術調研，并組織實施了大直徑鉆孔預卸壓、解危試驗，取得了諸多開創性成果，同時也推動了礦井防沖技術體系建設，但是存在作業效率低、成本投入大且解危效果局限等缺點。

2018年3月，在現有防沖治理技術應用的基礎上，為了尋求其他更加安全、高效、可靠的開采方案，兗煤澳洲公司管理技術團隊開始著力推進“采煤工作面的全面自動化”裝備技術改造，即采用工作面無人化隔離沖擊危險源，同時著手系統硬件、軟件升級，安全管理復核、風險評估等一系列準備工作。

2019年5月14日，澳思達煤礦在B5工作面開始實行全面自動化遠程遙控生產，操作人員在膠帶巷超前約50 m處遠距離干預生產，成功實現了工作面無人化作業。

1.2 開采設計

如圖1，貝爾伯德南區共規劃布置B2～B6五個長壁工作面，采用雙巷布置，護巷煤柱寬度約45 m，每隔150 m設置聯絡巷。B5工作面南鄰B4工作面采空區，北側為B6準備工作面，東部鄰近Swamp斷層，落差0.1～7.2 m，西部為艾拉朗老空區。工作面傾向長度231.6 m，走向長度1 103 m，煤層埋深450～495 m，煤厚3.5～5 m，傾角約4°。

圖1 澳思達煤礦采區布置

2 全面自動化開采裝備

2.1 綜機設備[4]

1) 卡特彼勒柱式液壓支架，含PMCR控制系統，121架；

2) 卡特彼勒工作面端頭架，含PMCR控制系統，10架；

3) 卡特彼勒EL2000采煤機，含COMPACT控制系統；

4) 卡特彼勒PF6刮板輸送機，含PMCD驅動控制系統及PMCR漲緊控制系統；

5) 卡特彼勒鏈式轉載機及破碎機；

6) 卡特彼勒單軌吊系統。

2.2 電液控系統

高質量的綜機裝備是全面自動化生產作業的基礎，而實現生產系統安全高效聯合運轉的關鍵是高可靠性的自動化控制系統。澳思達煤礦長壁工作面采用凱特彼勒一體化裝備，同時匹配了高度集成性的PMCTM家族控制器，它可以滿足井下采煤作業及爆破危險區域各種設備自動化控制的需求，通過應用目前最為先進的微處理控制技術及不斷高速增長的計算能力，使長壁工作面自動化領域發展提高了一個全新的維度。通過PMCTM控制器家族可以加強工作面動力驅動器、液壓支架、截割系統以及輔助設備的集中控制，同時還具有高級網絡傳輸、可視化、自動化功能。工作面電液控制系統如圖2。

圖2 工作面電液控制系統

PMCTM控制系統可以根據長壁工作面不同的設備功能提供定制化的控制單元，所有的控制器單元都是采用32位計算機編程語言，使系統更具有開放性，便于客戶進行定制化調整和校核。主要控制單元有：

1) PMCTM-R頂板支護控制系統。按照“液壓支架智能化”的設計理念，澳思達煤礦每組支架都分別安設了一個PMCTM-R支架控制器(圖3)，并且配置獨立的邏輯運算控制器、操作程序，可以同時執行多個指令動作。如果本架控制器出現故障，可以通過鄰架控制器進行快速查詢和確認故障，并且所有的支架控制器都是相同的配置，應急故障處理時可以快速更換。PMCTM-R支架控制器還可通過自帶的LED顯示屏進行數據設定、顯示和查詢，正常狀態下顯示工作面主要參數，如支架工作阻力、液壓千斤頂行程、支架編號、煤機位置及支架傾斜度等信息。

圖3 PMCTM-R支架控制器

2) PMCTM-D驅動器控制系統。PMCTM-D驅動控制器(圖4)與啟動變速器相結合，實現了對刮板輸送機的集中控制，該驅動控制器包含了所有啟動變速控制算法，并經過一系列的疲勞測試，目前被廣泛應用于礦井電機及減速箱工作狀態的實時監控。PMCTM-D驅動控制器通過線纜與啟動變速箱內的接線盒相連接，可以實時采集和監控離合器壓力、冷卻油壓、油溫、油位、輸入、輸出轉速，并可以智能化計算內部合適潤滑度，還可通過高速電液閥自動化調控變速器內離合壓力。

圖4 PMCTM-D驅動控制器

3) PMCTM-V驅動可視化監控系統(圖5)。PMCTM-V可視化功能是服務于PMCTM-D驅動控制系統的，其主要作用是將各PMCTM-D驅動控制器采集的設備運行參數實時顯示出來，供現場操作人員及時查詢和了解設備運行狀態，并可對系統配置參數進行校正和更改，并且所有的監控數據都可以通過光纖傳輸到井下主控制計算機或地面，進行在線瀏覽和數據打印。

圖5 PMCTM-V驅動可視化監控系統

4) PMCTM-P節點交換機系統。它為井下所有電液控制系統、設備、工業環網和第三方系統提供了接口，通過轉換協議完成數據交換并傳輸到地面。同時，該系統還可以智能化調控長壁工作面的電氣設備，例如，如果煤機割煤量較大，煤流量增高，系統會自動調控刮板輸送機速度增大，反之亦然。

5) VCU可視化主控制單元(圖6)。VCU可視化主控制單元是由一臺計算機和配套軟件組成，可以將長壁工作面所有生產作業的控制系統、設備運行通過可視化界面傳輸到地表和井下隔爆計算機上實時顯示。澳思達煤礦將該主控制單元設置在采煤工作面轉載機人行道側DCB上，作為采煤工作面“自動化生產控制中心”，該主控裝置可以實現對工作面所有設備的“一鍵啟停”，同時在進風隅角、地面自動化采煤監控室、生產調度室設“分站”，作為遠控生產期間的輔助監控，發現異常情況具有“緊急制動”權限，但不具有“啟動權限”。

圖6 VCU可視化主控制單元

VCU主控制器針對接入的不同控制系統和設備，分別配置了不同的監控程序，如VShield(支架)、VShearer(煤機)、VDrive(電機)、VLongwall(生產系統)、VTrend(運行狀態曲線)等，可以實時顯示各個設備的運行參數，查詢歷史操作記錄，采場3D演示，視頻回放，監控曲線，故障報警等功能。

3 全面自動化開采工藝

按照澳思達煤礦沖擊地壓風險管理預案，采煤工作面進入中等及強沖擊危險區域時，生產經理授權生產班組啟動全面自動化生產模式，所有工作人員撤離工作面，在膠帶巷超前工作面約50 m安設VCU主控計算機作為“自動化生產主控中心”，并在面里側設置警戒牌，操作人員在DCB主控中心遠程遙控生產系統，控制開停機、調整截深、采高、挑頂、臥底等生產參數, 同時在地面監控室和工作面進風端頭(全面無人化作業時該站不設崗)設置輔助監控站。輔助監控站可同步主控中心各生產操作畫面并授予“急?！睓嘞?，并與井下主控中心保持通聯，形成了“一站主控開停，多站監控急?！钡淖詣踊h控開采模式。

3.1 采煤機慣性巡航技術

EL2000采煤機安裝配置了COMPACT集成控制系統，同時搭載Navigator 2.0基于狀態控制的慣性巡航系統以實現自動化運行，該系統通過COMPACT控制面板上的一系列傳感器和邏輯運算來采集、監測和控制煤機牽引方向、牽引速度及滾筒位置等關鍵參數，同時具備多種不同的自動化控制模式，如當前截割、模擬截割、重復截割、前置截割、平移截割、閑置模式等，每一種自動化控制模式均可以控制搖臂動作，從而達到要求的截割高度。但是截割高度的設定需要手動輸入，然后采煤機自動計算截割高度和滾筒調高位置[5]。

EL2000型采煤機的慣性巡航技術關鍵在于有效監控工作面傾向和走向的角度，這是解決采煤機與頂板支護系統的聯動控制、采高控制、頂底板平整度控制等的關鍵。它的發展經歷了三次技術變革，最初應用于ZL2000型采煤機的是鐘擺式傾斜儀(Penny and Giles Pendulum Style Inclinometers)，這種傳感器后來在應用過程中發現有較多誤差，后來于2017年左右被熱感應式傾斜儀(Control Plus Thermal Type Inclinometer)所取代，被應用于第二代EL2000 EVO型采煤機，但沒有普及，因此相應的監測和適用性評價數據比較有限。目前，絕大多數采煤機應用了慣性監測單元IMU或慣性導航系統INS，澳思達煤礦根據實際需要同時裝配了IMAR IMU慣性監測單元和熱感式測斜儀，實踐證明，這兩種系統在自動化開采過程中都可以為COMPACT集成控制系統提供準確的傾角數據。

3.2 滾筒防碰撞聯動控制技術

采煤機與液壓支架的聯動控制通過COMPACT集成控制系統及PMC-R電液控制系統配合完成，即隨采煤機割煤行走位置的變化來控制全工作面各支架依次動作，實現降架、拉架、升架、伸護幫板、推溜等動作的自動程序控制[6]。

此外，采煤機與液壓支架的聯動控制系統還搭載設計了防碰撞通信模塊，即工作面所有液壓支架均預置了碰撞傳感器，防碰撞模塊通過支架控制總線與PMC-P節點交換機連接，通過工業以太網將監測信號反饋給采煤機。防碰撞模塊可以實時監控支架傳感器的參數變化，當煤機滾筒截割護幫板或觸碰到支架頂梁構件時，液壓支架將會發送防撞信號，采煤機接受指令后會停止牽引，并抑制搖臂的調高功能，從而確保故障安全。

3.3 工作面底板水平控制技術

利用COMPACT集成控制系統搭載的EHC加強版底板水平控制軟件，可以實現對工作面底板水平的自動化控制，EHC底板水平控制軟件通過本地局域網與采煤機COMPACT集成控制系統相連，并自動獲取煤機運行過程中監測到的工作面傾向角度AFT和走向角度FAT，從而生成工作面底板水平剖面圖，操作人員根據工作面工程質量控制要求手動輸入修正參數，從而生成修正的目標高程曲線，生產過程中將采煤機前滾筒設定閑置狀態、后滾筒設定為自動控制，采煤機便會按照設定的目標高程曲線執行飄剎刀動作，從而實現工作面底板水平控制[7]。

4 工作面設備自動端面對準技術

基于完全自動化采煤工作面設計的構想，凱特彼勒公司設計研發了液壓支架端面對準系統，該系統的工作要件包括：IMAR IMU慣性監測單元、位置編碼器、IPC4工控機、VShield集成接口、PMC-R頂板支護控制系統[8]。其工作原理為：采煤機在刮板輸送機上牽引騎行過程中，煤機內部IMAR IMU慣性監測單元可以主動監測機身的偏航角，同時位置編碼器監測煤機的移動位置和幾何姿態信息，并將監測信息傳輸給采煤機內置IPC4工控機生成刮板輸送機的實際輪廓曲線，如圖7所示。隨著采煤機由工作面一端頭至另一端頭牽引移動，刮板輸送機全長完整輪廓曲線也“描繪”完成，IPC4通過以太網將更新后的刮板輸送機輪廓曲線傳輸給PMC-R頂板支護系統和VShield液壓支架可視化監控程序。同時，VShield接收到更新后的刮板輸送機輪廓曲線也可以作為液壓支架拉移的“目標位置曲線”，從而實現液壓支架、刮板輸送機的自動對準。

圖7 VShield可視化監控界面

此外，利用液壓支架端面對準系統可以完成工作面拉直、調面(甩頭、甩尾)等特殊作業。例如，當工作面刮板輸送機輪廓線不在一條直線上時，可以人為設定兩端頭進尺以達到拉直效果。

5 效果及建議

采煤工作面實行全面自動化生產后，將傳統的操作人員轉移到沖擊危險區以外，有效隔離了沖擊風險。澳思達煤礦B5工作面自2019年4月至6月均出現不同程度的面部沖擊，通過采用全面自動化開采，有效規避了沖擊事件可能對操作人員造成的傷害，有效隔離生產期間沖擊危險，真正實現了采煤工作面無人則安，獲得了新南威爾士州監管機構的高度認可。主要借鑒之處在于：

1) 合理確定自動化列裝水平。自動化裝備本身不具有學習能力，而自動化裝備在地下復雜多變的開采環境中不可避免地需要人工干預，以確?，F場施工質量或滿足其他技術經濟指標的要求，例如澳思達煤礦此前之所以沒有實施全面自動化生產，主要考慮人工操控煤機可以更好地控制截割高度和免洗煤質量，以最大限度降低洗選成本?？梢?，自動化采掘設備的自動化列裝水平在促進減員提效的同時，還需要結合礦井沖擊地壓風險程度、管控能力及實際技術經濟指標審慎考慮關鍵崗位的自動化。

2) 嚴格控制設備啟動權限。采用全面自動化開采且設置多個監控中心的時候，應當嚴格控制全面自動化生產系統的啟?？刂?，建議設置唯一的開機權限，地面調度室及其他作業地點可以分設多個停機權限，以提高系統的整體本質安全性，消除誤操作風險。

3) 合理選擇操控中心位置。全面自動化生產是一項系統工程，涉及的設備、電液控系統及輔助工程較多，因此建議盡量將主控中心布置在井下采掘作業現場附近安全區域，這樣的優勢是可以更為直接地掌握作業現場的開采條件，出現故障時現場操作人員可以第一時間采取應急處理，簡化通信溝通環節，實現直接、有效、精確的人工干預。

4) 開發基于工業環網的信號交換系統。澳思達煤礦全面自動化生產系統采用的PMCTM電液控制系統、COMPACT集中控制系統之間實現采煤機、液壓支架等設備聯動控制的信號傳遞全部基于現場接線總成和工業以太網進行有線傳輸，確保了生產信號采集、傳遞的連續性和穩定性。

5) 合理優化兩巷二次支護設計。根據礦井巖層控制方案，采煤工作面兩巷道二次支護主要采用錨桿和注漿錨索主動式支護形式，支護范圍超前煤壁100 m。主動式的超前支護形式簡化了輔助生產工序，為全面自動化快速推進提供了便利條件。