煤礦綜采工作面智能化控制技術應用

高洪強 王楊 卜興昌

摘 要：近年來隨著綜采智能化開采技術在國內各大煤炭集團的推廣應用，其在國內采煤條件下趨于成熟。同時推進煤礦機械化、自動化、信息化和自動化的“四化”水平也是推進煤礦工業轉型發展的根本出路。煤礦綜采工作面采煤工藝環節復雜、設備數量多，設備之間相互制約、相互協調， 任何一個設備都無法脫離其他設備獨立完成任務，同時這些設備的動作還受地質條件、環境條件的制約。因此需要通過為這些設備配套“聰明的大腦”（集控中心），實現對工作面各個采煤部件的統一管控。自動化項目通過構建由一個核心控制系統、一個平臺、各子系統組成的智能化控制系統實現協調聯動控制，完成工作面生產過程自動化控制，提高生產效率，通過地面分控中心將數據融合到基于物聯網技術的綜采設備智能化管理系統，實現數據數據共享、遠程管理和深度利用。

關鍵詞：綜采智能化;自動化控制;各子系統;數據共享

中圖分類號：TD823.97 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）09-0162-02

0 引言

隨著國家“機械化換人、自動化減人”的科技強安專項行動通知的發布，推進煤礦機械化、自動化、信息化和自動化的“四化”水平是提高煤礦本質安全水平，促進煤礦安全發展的必由之路，也是推進煤礦工業轉型發展的根本出路。煤礦加強與裝備提供商的戰略合作，積極引進和共同研發采煤新技術、新工藝、新裝備，是煤礦安全可靠的生產提供技術支撐[1]。

1 工作面回采工藝闡述

1.1工作面回采工藝概念

工作面回采工藝分為：落煤、裝煤、運煤、支護以及處理采空區。

落煤：利用采煤機割煤，端部斜切進刀，左滾筒割頂煤，右滾筒割底煤，采用單向割煤，往返一次割一刀。

裝煤：利用采煤機配合刮板運輸機進行裝煤。下行割煤時，采煤機滾筒通過螺旋葉片將煤裝入工作面刮板輸送機內。上行空刀清理浮煤時，采煤機滾筒將下行割煤時未完全裝凈的煤裝入刮板輸送機內。推移刮板輸送機時，通過鏟煤板將底板浮煤裝入刮板輸送機內。

運煤：利用刮板運輸機、轉載機、膠帶輸送機等聯合進行運煤。

支護：使用排頭架、掩護式液壓支架、過渡支架聯合管理工作面頂板。

處理采空區：采用全部跨落法處理采空區。

1.2回采工藝流程

具體流程為：采煤機上端頭斜切進刀→正常下行割煤→移架→采煤機返機上行清浮煤→推刮板輸送機→采煤機上端頭斜切進刀→進入下一循環。

1.2.1采煤機進刀

工作面采用上端頭斜切進刀自開缺口方式，具體操作如下：

采煤機上行空刀返機清理浮煤，滯后采煤機依次推移刮板輸送機。

采煤機返機至上部刮板機彎曲段，采煤機右滾筒升高割頂煤，左滾筒割底煤，開始斜切進刀，采煤機達到正常截割深度后進刀完畢。推移刮板輸送機至平直狀態，同時采煤機繼續上行割透煤壁。

采煤機割透煤壁后，將右滾筒降下割底煤，反向將采煤機機身部底煤割盡。

采煤機割完三角煤后，將左滾筒升高割頂煤，右滾筒割底煤，進入正常割煤狀態。

1.2.2下行割煤

采煤機下行割煤，左滾筒（本規程為人面向煤壁）割頂煤，右滾筒割底煤，超前左滾筒2～3架收護幫板，并滯后采煤機左滾筒1架將支架伸縮梁伸出維護頂板，滯后采煤機右滾筒3架開始順序拉移支架支護頂板及煤壁，采煤機下行至工作面刮板機頭割透煤壁，將左滾筒降下割底煤，反向將采煤機機身部底煤割盡，空刀上返清理浮煤，返機至上部刮板機彎曲段采煤機斜切進刀，斜切進刀完之后采煤機下行開始下一個循環割煤[2]。

2 回采自動化系統總體方案設計

2.1系統設計原則

系統主要按照以下幾個原則進行總體設計：

實用性——充分利用成熟的先進技術，避免盲目追求最新技術，同時又要防止系統處理能力不夠。

可靠性——系統建設盡量采用標準化優質產品，以保證系統的穩定性和可靠性。

經濟性——在充分滿足系統運行技術與性能要求的前提下，盡量采用性能價格比高的產品與技術。

2.2總體設計目標

針對設計單位煤礦綜采工作面煤層賦存特點，從通訊系統、自動控制、協同運行方式、高效采煤工藝等多個方面進行綜合性考慮設計方案。實現工作面高效自動化連續開采。實現減員增安高效生產。

2.3設計系統功能

智能化制動控制系統中，通常應該包含以下幾個重要的系統功能，分別簡要闡述如下：

2.3.1綜采工作面自動化集控功能

實現在順槽監控中心對綜采工作面各大主要系統在順槽實現遠程控制、工作狀態遠程監控、故障報警、記錄故障。

（1）具備一鍵啟停自動化割煤功能。

（2）具有在順槽監控中心對工作面設備的監測及集中控制功能。

2.3.2綜采工作面視頻監控功能

（1）實現對安裝傳感器無法完成的設備狀態進行可視化監視。

（2）實現工作面的可視化管理。通過在刮板運輸機機頭機尾安裝超級除塵攝像儀、在液壓支架上安裝隔爆兼本安攝像儀、在采煤機上安裝超級除塵攝像儀，實現采煤工藝實時監控。

2.3.3綜采工作面采煤機集中控制功能，與采煤機實現通訊

（1）能夠監測采煤機的運行狀態、牽引方向、采高、牽引速度、各電機電流、溫度，各變頻器的電流等各項重要數據。

（2）通過監測采煤機的傾角和搖臂擺角的大小，計算采煤機的運行姿態，作為采煤機采高控制的依據。

（3）通過與采煤機進行無線通信，實現在順槽監控中心對采煤機遠程控制[3]。

2.3.4采煤工藝自動化管控功能

（1）采煤機的操控方式根據控制權限由高到低，采用跟機就地操作、遙控操作和遠程控制以及記憶截割控制模式。

（2）建立采煤機運行工況數據監測報警、預警體系。

（3）建立采煤機自動化控制策略和保護策略。

2.3.5綜采工作面液壓支架電液控集中控制功能

（1）可遠程對單臺支架實現降—移—升實現控制。

（2）可遠程對液壓支架進行成組自動控制。

2.3.6綜采工作面運輸破碎系統自動化集中控制功能

（1）通過在工作面前刮板機電機、后部刮板機、破碎機、轉載機配套無線傳感器，實現無線數據采集。如：高速軸軸溫、低速軸軸溫、繞組溫度、冷卻水壓力、冷卻水溫度、油溫、油位。

（2）通過在工作面配套4G無線系統，實現工作面數據無線上傳：電機及減速器傳感器數據、自動張緊控制、視頻圖像。

3 各子系統實現、系統配置及關鍵技術

3.1綜采工作面自動化順槽集中控制系統

綜采面自動化集中控制系統是綜采工作面自動化采煤的核心，而集中控制系統則是這臺大型采煤機器人的大腦，是操作人員的人機接口與監控平臺，通過建立統一的數據傳輸接口和通訊規約，滿足生產工藝監控要求。

對工作面設備的遠程單機控制，被控設備包括：采煤機、支架（包括端頭架、過渡架、中間架）、刮板輸送機、轉載機、破碎機、自移機尾、負荷中心、泵站。

3.2綜采工作面采煤機自動化集中控制系統

采煤機集中控制系統由采煤機控制臺、視頻監控、上位機控制系統組成;配置一臺高性能PLC，通過配套相關邏輯程序、采集變量，根據不同控制模式由控制軟件與操作人員協調配合完成采煤機自動化控制。

采煤機采煤機自動化集中控制系統按照控制權限和功能分為三級控制：

第一級為：本地跟機操作，采用遙控器或采用機身開關操作在采煤機的可視范圍內遙控器進行相關操作，對采煤機的手動控制，控制權限最高。

第二級為：遠程可視化操作，工作人員在順槽集中控制操作中心，通過人機界面或者本安操作臺結合采煤機數據信息和視頻監控系統，完成對采煤機的遠程可視化操作，控制權限僅次于本地跟機操作。

第三級為：自動化智能控制，順槽集中控制系統結合采煤工藝段、智能傳感網絡將電液控系統等其他幾個子系統共同聯合調度運行，實現采煤機自動化智能采煤[4]。

4 紅陽三礦在設備安裝期間出現的問題及以后需要解決的方向

（1）自動化安裝調試期間，廠家按照設備清單提供物資，未考慮安裝時損壞的配件，影響安裝調試進度，廠家應提供足夠數量的配件。

（2）自動化物資到礦驗收后直接入井安裝（三機集控箱、采煤機遠控箱、遠程控制臺、反沖洗過濾器、電磁閥），未在地面試驗完好，井下安裝時三機集控箱通訊故障、采煤機數據無法采集、遠程控制臺無法控制設備、反沖洗過濾器漏液、電磁閥堵塞，影響系統的調試進度，應在地面進行試驗合格后入井安裝。

（3）工作面視頻監控系統連接線纜和電液控連接線纜外觀相識，現場施工人員辨識不清，導致安裝時系統通訊故障。廠家在視頻監控系統線纜接頭處增加線纜標識區分。

（4）西二1208順槽沿線距離700多米，導致工作面沿線電話供電不足，影響沿線語音通話功能。轉載機頭增加一臺18V隔爆兼本安型直流穩壓電源，解決沿線語音電話供電不足的問題，使沿線語音電話恢復正常使用。

5 結語

自動化工作面系統配套，需要從整體出發，以集控的思維去統一考慮整個系統的建設，需要在三機配套期間，聯合工作面設備配套廠家進行整體項目設計。設備生產期間提前預留定制安裝孔位、掛鉤、連接機構。（1）提前考慮乳化液供液方案乳化液管理制度，保證乳化液的清潔度，如：更換管路、加液、泵站維護等環節的管理制度;（2）項目設計初期，需要確定將來接管部門，并全程參與項目設計，能夠快速接管和深入了解系統;（3）泵站進水增加過濾凈化裝置，必要時還需增加水軟化處理裝置。

參考文獻

[1] 王金華，黃樂亭，李首濱，等.綜采工作面智能化技術與裝備的發展[J].煤炭學報，2014，39（8）：1418-1423.

[2] 王虹.綜采工作面智能化關鍵技術研究現狀與發展方向[J].煤炭科學技術，2014，42（1）：60-64.

[3] 王國法，劉峰，孟祥軍，等.煤礦智能化（初級階段）研究與實踐[J].煤炭科學技術，2019，47（8）：1-36.

[4] 田成金.可視化遠程干預型智能化采煤關鍵控制技術研究[J].煤炭科學技術，2016，44（7）：97-102.