唐口煤礦智能化放頂煤工作面升級改造技術研究

高久國

（山東唐口煤業有限公司，山東 濟寧 272005）

1 前言

唐口煤礦在2018年底將6308工作面作為首個智能化工作面，對現有的采煤機、液壓支架、刮板輸送機、轉載機、供液系統等綜機裝備進行升級改造，要求采煤機具有記憶截割功能，液壓支架采用電液控制系統，工作面配套自動化控制系統。通過上述升級改造，將以前的人工手動操作工作面改造為智能化放頂煤工作面。

2 煤層地質條件

唐口煤礦630采區共布置10個綜放工作面，6301、6302工作面斜長約150m，6303～6310工作面斜長200m左右。為了避免孤島開采，將6308工作面作為首采面。

采區主采3（3上）煤層，煤層平均厚約7.51m，合并區平均厚9.3m。采區煤層傾角2°～9°。煤層直接頂為泥巖，平均厚度3.68m，抗壓強度平均30MPa左右，屬不穩定頂板；基本頂為中砂巖，平均厚度8.47m，抗壓強度平均50MPa，屬較穩定老頂；直接底為泥巖，平均厚度2.13m，抗壓強度平均30MPa，屬不穩定底板；基本底為細砂巖，平均厚度13.2m，抗壓強度平均50MPa，屬較穩定底板。

3 智能化工作面升級改造主要內容

3.1 工作面配套設備

6308 工作面長度182m，采用ZF15600/24/45G型大采高放頂煤液壓支架進行放頂煤開采。工作面共布置102架ZF15600/24/45G放頂煤中部支架、6架ZFG16000/24/43H型過渡支架，配套MG750/1800-WD電牽引滾筒式采煤機、GZ1000/2×1000前后部刮板輸送機和SZZ1200/525轉載機。配套設備主要型號與參數如表1所示，工作面“三機”配套圖如圖1所示。

圖1 工作面“三機”配套圖

表1 工作面設備選型一覽表

3.2 智能化工作面升級改造

3.2.1 工作面自動化控制系統

唐口煤礦主要是實現“工作面自動控制為主，監控中心遠程干預控制為輔”的自動化生產模式，達到“無人操作，有人巡視”的智能化生產。工作面順槽監控中心主要由礦用隔爆兼本質安全型監控主機、礦用本安型顯示器和礦用本安型操作臺、交換機、電源等設備組成。順槽監控中心具有“一鍵”啟停功能，同時具備對采煤機、液壓支架、工作面運輸設備、泵站系統、主運輸皮帶等設備工況監測與遠程控制功能。工作面液壓支架、采煤機、刮板輸送機、轉載機的視頻信息和監控信號都是通過工作面工業以太網傳到順槽監控中心，在順槽監控中心實現遠程操作。為了保證視頻圖像和控制信號的實時傳輸，采用千兆光纖，傳輸速率應不低于100Mbps。

3.2.2 工作面視頻系統

由于目前煤巖識別技術還不成熟，工作面智能化開采主要通過視頻遠程監控，實現工作面“無人操作，有人巡視”的智能化開采。工作面視頻系統包括礦用本質安全型攝像儀、礦用本質安全型顯示器和礦用本質安全型操作臺、安裝電纜及附件等。

圖2 工作面視頻系統

如圖2所示，工作面視頻通過工業以太網進行傳輸[1]。工作面視頻監控系統包括液壓支架視頻系統、采煤機視頻系統[2]。為節省成本，每6個支架配備3臺礦用本質安全型攝像儀，安裝在液壓支架頂梁上，一臺拍攝方向與工作面平行，其余兩臺照向煤壁。采煤機視頻系統具備對工作面煤壁的無死角覆蓋監控，視頻系統傳輸延遲不超過500ms。工作面視頻要求具備低照度、寬動態、強光抑制、紅外補光、水霧及煤塵穿透功能。云臺攝像儀云臺水平旋轉角度范圍不小于180?，光學變焦不小于4倍，最低像素不低于1080P，水平廣角不低于90?，同時具有跟隨采煤機自動切換視頻畫面功能，以實現實時監控。

在監控中心配備2臺礦用本質安全型顯示器，進行工作面視頻顯示，跟隨采煤機自動切換視頻圖像。為了更好地監測，在刮板運輸機機頭和機尾、轉載點、皮帶機頭處各安裝1臺礦用本質安全型攝像儀，實時監控。

3.2.3 液壓支架改造

液壓支架液壓系統改造主要是將手動操縱閥改為電液控制換向閥，將手動反沖洗過濾器改為自動反沖洗過濾器，同時增加控制器、電源箱、隔離耦合器、壓力傳感器、紅外接收器和綜合接收器等液壓系統電液控制元部件。總的設計原則是盡量不改變現有的液控單向鎖、雙向鎖、噴霧閥等輔閥及其安裝位置，以減小液壓系統改造工作量。如圖3（a）、（b）所示，在原手動操縱閥的安裝位置處安裝電液控制換向閥。由于該支架有26個操作功能，考慮到左右立柱之間空間有限，將其分為20功能和6功能兩個電液控制換向閥。20功能控制閥進行立柱升降、拉架推溜、伸收側護板、底調、護幫、伸縮梁和抬底、前噴霧等支架主體部分動作，6功能控制閥進行伸收尾梁、插板、拉后溜和后噴霧支架后部動作，具體布置方式見圖3（c）。圖中1是控制閥，2是20功能控制閥，3是6功能控制閥，4是綜合接收器。圖3（b）是上述各部件的實物布置圖。

圖3 操縱閥安裝位置

圖4 推移千斤頂行程傳感器

液壓系統改動量較大的是推移千斤頂。由于采用電液控制系統，需要在推移千斤頂中加裝行程傳感器。如圖4所示，行程傳感器是裝在液壓缸中，長度與推移行程一致，由于液壓支架推移步距為960mm，因而行程傳感器的長度也不小于960mm。為了安裝行程傳感器，需要在推移千斤頂的活塞桿上設置細長孔，為此需要對推移千斤頂進行改造。改造的基本原則是只改動推移千斤頂結構，不改動推移桿和底座等部件。

圖5（a）是推移千斤頂改造前的結構，由圖可知，推移千斤后端設置Φ82的圓孔用來裝配推移千斤頂固定銷軸。圖5（b）為推移千斤頂改造后結構，由圖可知，該結構取消了后端圓孔，在原來圓孔處焊接兩個Φ80外徑圓鋼，利用圓鋼代替原來的銷軸固定推移千斤頂，同時將千斤頂末端長度增加了35mm，以裝配行程傳感器。對比兩圖不難發現，改造前后推移千斤頂外形結構基本不變，只是后端長度略有增加，與現有部件裝配不存在問題。

3.2.4 工作面供液系統改造

選用3臺BRW630/37.5智能乳化泵，每臺乳化液泵都配備變頻一體機，配套2臺7000L乳化液箱和2臺供液站；選用2臺BPW516/16智能噴霧泵，配套1臺7000L水箱；同時配備自動反沖洗高壓過濾站、自動反沖洗清水過濾站、回液過渡站和反滲透水處理裝置（圖6）。泵站配套集成控制系統，智能型集成供液系統除了具備基本的供液功能外，還具備電磁卸載控制、乳化液泵站變頻和電磁卸載智能聯動控制、多級過濾、自動補液、乳化液自動配比、系統運行信息檢測與上傳等功能，可以在順槽監控中心進行啟、停控制，為工作面智能化開采創造條件。

圖5 推移千斤頂結構示意

圖6 智能集成供液系統

3.2.5 其他設備改造

對現有采煤機的控制系統進行升級改造，以實現記憶截割和遠程控制。當工作面煤層條件沒有變化時，采煤機根據自動重復示范刀截割模式數據自動運行；當煤層條件發生變化時，人工遠程干預修正搖臂動作，遠程監控截割。人工干預修正值自動覆蓋原數據，實現記憶截割和遠程控制。

對刮板輸送機控制系統進行改造，采用交流變頻器，實現軟啟動和智能調速控制。增加了刮板輸送機自動伸縮機尾，增設刮板輸機減速器溫度、壓力等傳感器，開放接口與通訊協議，同時將刮板輸送機油溫、油壓等參數上傳到順槽監控中心。購置KTC101通訊控制系統，對刮板輸送機、轉載機、破碎機、順槽帶式輸送機進行啟停、閉鎖等控制，開放轉載機自移、皮帶機自移、順槽皮帶控制協議，將上述設備運行狀態、電機溫度、報警及故障等數據一并上傳到工作面智能化控制系統，實現順槽監控中心對上述設備進行遠程監控。同時對工作面超前支架和端頭支架的液壓系統進行改造，采用電液控制系統，實現遙控操作。

4 結論

通過對上述設備的升級改造，唐口煤礦大采高放頂煤工作面基本上具備了智能化開采條件，但還有一些問題有待解決：

（1）由于煤矸識別技術還不成熟，唐口煤礦放頂煤操作主要采用時序控制加鍵盤控制，還需要人工進行放煤控制，放煤過程沒有實現智能化。

（2）由于唐口煤礦煤層地質條件復雜，智能化工作面升級改造時沒有采用工作面自動調直系統，工作面調直還需要人工介入，工作面自動調直沒有實現智能化。

（3）由于煤巖識別技術尚不成熟，唐口煤礦采用采煤機記憶截割加遠程監控模式進行生產。由于唐口煤礦煤層條件復雜多變，記憶截割模式沒有得到充分應用。