李村煤礦1306綜采面的自動化研究與設計

張 煒

（潞安集團李村煤礦，山西 長治 046600）

20 世紀90年代以來， 世界煤炭工業向高效集約化生產迅猛發展，工作面自動化、信息化程度呈現不斷升級態勢。 綜采工作面作為礦井生產的核心，對綜采工作面進行自動化控制是礦井實現生產管理現代化的關鍵[1]。 李村煤礦是以原有綜采工作面設備為基礎，積極引進和開發新技術、新工藝、新裝備，促進煤炭主業核心競爭力的提升，切實提高單產單進水平， 真正實現減人提效和安全高效發展。 因此，潞安集團提出了在李村煤礦1306 工作面開展智能化綜采工作面建設的戰略方向。 為此，根據李村煤礦1306 綜采工作面的實際情況， 開展了該工作面自動化控制系統的總體及關鍵分系統設計，并對其控制系統進行了實際應用驗證，這為提高工作面中設備的運行效率及企業綜合競爭力提供了重要保障和支撐。

1 綜采工作面基本情況分析

經過調研及資料收集可知， 李村煤礦1306 工作面位于大堡頭鎮東北部，228 省道東側，工作面進風巷上為大堡頭炸藥庫、雙龍養殖公司，其余均為耕地。 而1306 工作面按煤層走向布置， 可采長度530 m，切眼長270 m，可采面積143 100 m2。煤層傾角0°～7°， 平均傾角4°， 煤層厚度4.81～5.46 m，平均5.0 m。 同時，本工作面總體地勢西南高東北低，傾向209°～252°，傾角0°～7°。 工作面切眼附近受1302 運輸巷揭露的FJ8 逆斷層影響，煤層最大傾角7°。 煤層最大瓦斯含量為7.29 m3/t，預抽后殘余瓦斯含量為5.09 m3/t。 回采面供風量3 168 m3/min。1306 工作面的開采煤層屬下二疊統山西組下部的三號煤層，煤層具有賦存穩定、煤厚變異較小、煤層結構簡單等特點。 煤體以黑色、塊狀為主，粒狀次之，亮煤為主，夾鏡煤條帶，煤質為貧煤。

2 綜采工作面中自動化控制系統總體設計

結合1306 工作面實際情況， 設計了一套符合該工作面使用需求的自動化控制系統。 該綜采自動化控制系統是以各單機裝備系統的智能化為基礎進行設計，而單機設備的智能化包括：電液控制系統、采煤機控制系統、運輸機控制系統、集成供液系統等。 綜采工作面自動化控制系統首先需搭建綜合自動化平臺，包括：高速通信平臺、可視化平臺及工作面設備遠程控制平臺， 其主要實現功能包括：工作面自動化生產模式及生產工藝優化、工作面直線度控制、采煤機記憶截割控制、機架協調控制、端頭設備一體化控制、煤流負荷平衡控制、刮板輸送機煤量檢測和智能調速、順槽皮帶煤流檢測和智能調速、工作面瓦斯濃度關聯控制、液壓支架姿態與防片幫控制，采煤機和支架在工作面煤層的三維實時展示，基于LASC系統的采煤機姿態監測[4]。 因此，本次李村煤礦1306 智慧化工作面的設計方案中，針對水、火、頂板、瓦斯、作業人員人身安全等煤礦生產過程中常見的不安全因素，選擇了具有針對性的自動化生產控制工藝、 液壓支架姿態監測及防片幫、工作面瓦斯濃度關聯控制、綜采設備聲光預警及遠程控制、自動采煤機噴霧、架間成組噴霧、人員精準定位系統等功能。 整套綜采工作面的智能化控制結構框架見圖1。

圖1 綜采自動化控制系統框圖

3 關鍵分系統設計

3.1 采煤機自動控制設計

為適應智能化工作面的設計要求，在滿足基本控制功能的基礎上，確定了采煤機的智能化控制系統框架，見圖2。所設計的采煤機自動控制系統主要由采煤機、西門子PLC控制器、各類傳感器、顯示控制箱、監控盤、監視器、工況機、控制電纜等組成，設置有工作面采煤工藝的記憶截割程序，可實現采煤機在工作面的無人自動記憶截割運行，且采煤工藝文件可根據需要進行配置修改[5]。同時，該系統采高傳感器能實時感知搖臂的高度擺動的位置；傾角傳感器能實時監測工作面的傾角及俯仰采角度；這些都可作為采煤機自動調高系統的信息反饋回主控器。 通過一定數學模型準確計算出搖臂的實時采高，實現采煤機的采高定位。 另外，該自動控制系統利用LASC系統監測采煤機三維姿態角度、歷次采煤機截割過程中的位姿信息， 建立采煤機的三維模型，在三維虛擬系統中將煤機姿態直觀展示，采煤機姿態監測見圖3。

圖2 采煤機控制系統框架

圖3 采煤機姿態監測

3.2 刮板輸送機智能控制系統設計

所設計的刮板輸送機智能控制系統主要采用“變頻器外部調速控制器+ 變流移動變電站+ 高壓變頻器+單速變頻調速電動機+彈性聯軸器+減速器”的驅動方式，實現刮板輸送機的智能軟啟動與負荷調速控制，以及能夠完成刮板輸送機啟停和運行等基本控制，達到降低刮板輸送機磨損，延長設備使用壽命，節能減排，實現設備智能化的目的。 其變頻控制結構框架見圖4。 刮板輸送機控制系統作為智能綜采工作面的子系統，包括：智能控制箱、煤量掃描裝置和內置的智能調速控制軟件。 其中，煤量檢測與智能調速主要通過煤量掃描儀進行不接觸式的煤量實時監測；掃描儀用來測量輸送機上的煤流形狀，而刮板輸送機的煤量掃描裝置則安裝在轉載機上。 刮板輸送機上的煤量檢測與智能調速模型見圖5。

圖4 刮板輸送機變頻控制結構

圖5 刮板輸送機上煤量檢測與智能調速模型

3.3 遠程控制平臺

1306 工作面中遠程控制平臺主要由防爆主機機箱、電源箱、交換機、信號轉換器等組成，具體結構框架見圖6。其中，該遠程控制中心內支架通過隔爆主機的電液控主機來實時監測工作面中全部液壓支架上立柱壓力，并通過視頻主機軟件來監測支架當前姿態信息，同時通過支架操作臺實現對工作面液壓支架的動作控制干預[6]。 該操作人員可同時兼顧采煤機、三機及泵站的集中控制。 而支架操作臺通過CAN協議可保證控制命令實時發送至工作面支架控制器，進而完成相關動作的干預。 采煤機、三機及泵站控制指令則通過操作臺發送給主機，由主機向各個設備發出。

圖6 工作面遠程控制平臺

4 經濟效益分析

結合前文分析， 完成了李村煤礦1306 工作面智能化綜采工作面的建設。 為進一步掌握工作面中各關鍵設備的智能化程度及運行情況，對所建立的工作面進行了應用驗證。 在運行過程中，工作面自動化控制系統實現了采煤機位姿實時監控、記憶截割，支架自動隨采煤機拉架、推溜動作，支架姿態監控，工作面智能遠程供液，轉載機和皮帶機尾自移等功能操作及控制。 同時，現場也達到了煤礦建設中智能、高效、減人的設計要求。 工作面實現智能化后，可達到機械化換人、智能化減人模式。 作業人數得到有效減少，實現減人提效目標，降低了生產中的不安全系數，達到了人少安全，無人則安的效果。在保證刮板輸送機煤流量的前提下，智能調節刮板輸送機的運行速度，減少刮板回轉次數，降低刮板輸送機磨損，延長設備壽命，達到節能的效果，每年相關經濟效益約379 萬元。 順槽皮帶機智能控制系統是通過協調各個變頻器的工作，提高皮帶的運載效率，達到節能減排，降低磨損，延長壽命的經濟效益，每年相關經濟效益約179 萬元。 通過在李村礦工作面的成功使用，為在全集團公司推廣使用獲得豐富的操作、管理經驗，大大提高了集團公司競爭能力。 由此，驗證了所建立的智能化工作面自動化控制系統的可靠性及可行性。

5 工作面人員配置

通過對1306 工作面工作現場的統計分析，在完成工作面智能化改造后，其生產班人員可由原來的28 人縮減到16 人。 由此，可大大減少工作面人員的數量，減少企業在人員方面的經濟成本，所產生的經濟效益相當明顯。 實現智能化后綜采隊一個生產班人數的對比情況見表1。由此可知，對該工作面進行智能化升級改造十分必要。

表1 實現智能化后綜采隊一個生產班人數的對比情況

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6 結語

智能化綜采工作面的建設，是當前各煤礦行業重點發展及改進的方向。 將各類先進的控制技術應用到工作面建設中，已成為提高企業綜合競爭力的必然趨勢。 由此，結合李村煤礦1306 綜采工作面的實際情況，開展了工作面自動化控制系統的總體方案及關鍵分系統設計分析， 并進行了實際運行驗證。 結果表明，所建立的智能化工作面控制系統運行正常， 有效提高了1306 綜采工作面中設備的運行效率及運行安全性，也使得作業人員數量有所降低，給企業帶來了巨大的經濟效益，增強了企業的綜合競爭能力。