綜放工作面自動化高效開采實踐與改進

胡安昌

（內蒙古福城礦業有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 016200）

目前我國智能化無人開采技術發展處于起步階段，尤其是大采智能化開采技術處于不斷探索和研究階段。許多礦產也進行了試驗，但是面對智能化工作面建設過程中遇到的“礦巖識別”的世界性難題的技術瓶頸，均未取得實質性突破，福城某礦在建設智能化工作面的過程中采取以“網絡通訊為基礎、采礦機記憶截割、液壓支架自動跟機、遠程集中控制、視頻監控為手段”加以解決，達到智能綜采的常態化應用[1]。

1 煤礦綜采工作面自動化技術的分析

1.1 支撐技術自動化

傳統的煤礦開采中，大部分情況下都是利用四連桿液壓支架完成礦產的采礦工作，這種方式可以達到預期的支撐效果，但是美中不足，四連桿液壓支架的自重非常大，并不適用薄礦層的開采。薄礦層的開采需要調整四連桿液壓支架的結構，促使其可以支撐住油缸，還能對油缸兩端鉸接頂梁和底座進行有效的支撐，改良后的支撐技術，不僅能夠控制油缸的位置，還能夠控制頂梁的狀態，經過以上的調整和改良，這種架構不僅增加了支撐的承重量，與此同時還保證支撐結構總體的平穩、安全，達到了提升加固的目標。這種支撐架構需要實現對支架的自動化控制，要運用紅外線的發射和接受設備輔助實現。如此一來，支架能夠滿足自動化控制的要求，并且符合采礦設備對位置的要求。另外，采礦機械裝備要依靠線纜連接傳輸信息，線纜長期處在復雜惡劣的環境中。為了確保線纜傳輸的安全和穩定性，在支撐結構上安裝攝像頭，不僅對線纜系統提供了實時監控，也實現了支撐結構的可視化操作。

1.2 采礦機自動化

在薄礦層的開采過程中，受到采礦設備的限制，導致薄礦層的開采量占比很小，采礦機需要利用機身和自重都相對較小的設備進入巷道，盡可能的避免采礦機器斜切進刀進行開采工作。傳統舊式的采礦機通信系統不發達，自動化的水平低，薄礦層開采技術落后導致薄礦層的產量很低。綜采工作面自動化技術的應用，全面優化了采礦機的機械設備和軟件系統，并且構建了雙向通信系統，實現了采礦過程中的數據收集、處理，精確的轉子轉速的計算，從而有效掌控了采礦裝備的牽引速度，提升了礦產的開采效率。然而采礦機自動化技術的全面實現要將監控中心、載波信號和采礦裝備的傳送機信號有效的聯系在一起，形成集中化把控管理，降低運行成本的同時，實現高質量的管理。

2 智能化聯動綜采作業技術

針對傳統綜采技術方案中綜采作業面空間狹小，生產過程中極易出現阻塞現象及采礦機、刮板輸送機、液壓支架之間的配合采用人工跟機調整方式，精度低、可靠性差，無法滿足無人化綜采作業需求的現狀，提出了智能化聯動綜采作業技術方案。通過制定無人化綜采作業技術路線，提升了三機聯動控制的精度，優化了綜采作業工藝，實現了井下綜采作業設備的聯動控制和綜采作業的連續性[2]。

設定無人化綜采作業技術路線，目的在于根據井下綜采作業流程及各機械設備之間的聯動配合關系，針對性地制訂無人綜采作業技術流程。由于礦產井下地質條件復雜、能見度低下，本文提出了以慣性導航技術為核心的無人綜采作業方案，有效地解決了井下機械設備定位精度差、協同作業困難的問題，形成了以礦產井下智能聯動控制為主，地面控制中心遠程輔助控制為輔的無人化綜采智能控制模式。在實際應用中，先通過慣性導航系統判斷采礦機、刮板輸送機、液壓支架的相對位置，根據采礦機的位置和綜采作業狀態，實現對刮板輸送機和液壓支架運行狀態的自動調整。同時為了確保聯動控制的精確性和有效性，設置在“三機”上的傳感器設備能夠及時將“三機”的運行姿態傳遞到地面上的監控中心，實現對井下聯動運行的實時監控和調整。

針對傳統綜采作業過程中出現的綜采作業面空間狹小，生產過程中極易出現阻塞的情況，本文提出了單向截割綜采技術方案。在綜采作業過程中，截割方向能夠始終與礦流方向保持一致，因此，能夠有效解決綜采作業過程中大塊煤炭引發的卡阻現象。另外，由于順煤流切割，能夠使井下的視頻監控系統獲得一個相對較好的監控環境，確保了地面監控中心對井下無人化綜采作業監控的準確性。

3 煤礦井下無人化綜采作業的安全保障體系

為了確保煤礦井下無人化綜采作業過程的安全性，同步建立了綜采面的安全保障體系，實現了對綜采作業過程中防火、防瓦斯、防塌方的控制，具體包括以下3點：①建立煤礦井下通風安全監測與控制系統，實現對井下通風狀態的實時監測和動態調控，確保井下通風安全。②建立煤礦井下瓦斯預警體系，對不同區域的瓦斯含量進行全覆蓋監測，根據監測結果及時調整通風系統的通風狀態，確保井下瓦斯含量始終處于安全水平。另外，建立煤礦自燃防火監測體系，對井下的重點自燃區域進行監測，形成以阻化劑防火為主、以注凝膠防火為輔的井下防自燃控制系統。③建立以超前支護、臨時支護、頂板安全監測為主的巷道頂板穩定性控制系統，實現對頂板工作穩定性的連續監測和預警，確保了綜采作業的安全。采用無人化綜采作業技術方案極大地提升了綜采面的自動化和無人化程度，能夠將綜采作業面的人員數量減少90%以上，工作時安全性將得到極大的提升。

4 關鍵系統組成

智能化工作面系統由順槽控制中心，地面調度室，支架電液控制系統，采煤機控制系統，三機/ 順槽皮帶控制系統，泵站控制系統，視頻系統，工作面礦壓監測系統，工作面智能照明系統，工作面人員定位系統，工作面智能噴霧和工作面環境監測等子系統組成。

5 系統建設調試方案

（1）泵站列車入井后，施工泵站列車動力線接線、泵站RS485通訊線的鋪設、泵站交換機接線，鋪設井下環網交換機至井下集控室的光纜、井下集控室至泵站列車的光纜、井下集控室至泵站語音通訊線。以上工作在設備列車入井前完成，為調試地面調度室至井下集控室、井下集控室至泵站列車的數據通訊及語音通訊做好準備。

（2）設備列車入井，集控室到位后，對井下環網交換機、泵站列車、設備列車的光纜進行熔接。安排人員對設備列車的動力線及RS485 通訊線進行鋪設。光纜熔接完畢，設備列車送電后，組織技術人員對井下集控室至泵站及地面調度的數據通訊，語音通訊、集控室至泵站的語音通訊、泵站及設備列開關的數據通訊、三機設備的單啟單停，一鍵啟停、泵站的單控及集控進行調試。調試應在支架安裝三分之一之前完成。調試期間可以組織人員對集控室至采面的通訊光纜、集控室至采面的語音通訊線進行鋪設。

（3）采面轉載機、破碎機、輸送機機頭安裝完畢后動力線、狀態監測通訊線及時對接，為采面三機聯合試車提前做好準備。

（4）支架安裝10架左右時，安排專人對支架電液控、視頻監控、語音通訊、采面數據交換機、采礦機通訊載波、架間照明線路進行安裝。由技術科協調信息化科對采面通訊光纜進行熔接。以上工作根據支架安裝進度及時跟進，為調試采面支架數據通訊、視頻通訊，采礦機載波通訊做好準備。

（5）支架安裝近三分之一時，支電液控及時送電，由瑪珂人員對支架程序、視頻監控、及相關姿態參數進行初調。并根據采面支架安裝進度，跟進調試進度，為采面設備安裝完畢后的聯調做好準備。

（6）采礦機安裝完畢后，對采煤機慣性導航、采礦機紅外發射、射頻發射裝置進行安裝。為調試采礦機通訊做好準備。

（7）采面三機聯合試運轉時，應實現地面調試室、井下集控室對采面的語音通訊、三機設備的一鍵啟停，單起單控、采面視頻監控、三機狀態監測、開關狀態顯示、采礦機數據顯示、支架狀態顯示、支架遠控等功能的正?？刂萍帮@示。

6 智能化綜采工作面應用成效

（1）通過由以太網液壓支架控制器組成的工作面以太網數據傳輸平臺，將液壓支架電液控制系統，三機控制子系統，采煤機控制子系統，工作面視頻系統，泵站控制子系統，順槽皮帶控制子系統，智能刮板系統，供電系統，環境數據，以及基于特高頻射頻技術的工作面人員定位系統，集成到采用 vistwo 技術的工控自動化平臺上。工控自動化平臺采用同一數據庫，同一顯示控制平臺，通過數據分析，采用預警和報警機制，實現系統遠程控制，自動化控制和智能控制，實現綜采工作面人員設備和環境一體化。

（2）在工控自動化平臺上，綜采工作面智能化系統和安全監測系統，人員定位系統，無線通訊系統，井下廣播系統，頂板壓力監測系統，大型設備故障診斷系統和降塵系統聯動，將綜采工作面智能化系統融入到智能礦山系統平臺上，達到智能礦山的設計要求，實現預防式服務，建設成安全、高效、少人化、節能的自動化綜采工作面。

（3）智能化工作面開采移架速度要與礦流系統、采礦機割礦產速度匹配，與支護質量監測效果進行數據通信和反饋，同時受到泵站流量和移架方式的限制和制約，實際生產過程中，采煤機速度并不穩定，割煤方向與煤流方向不停在轉換，因此同一工作面需要在不同的時間段采用不同的移架方式，最大限度保證工作面的生產效率。

（4）工作面液壓支架的姿態智能調整是實現工作面智能化的關鍵因素，其主要要求包括初撐力保證、支架頂梁接頂、工作面直線度保證等，通過支架液壓系統改進，保證頂梁側護板前后兩個千斤頂能夠實現一伸一縮的功能，即優化液壓支架調架功能。其次，通過在立柱安設壓力傳感器，頂梁、掩護梁安設傾角傳感器，采集立柱壓力、頂梁掩護梁角度，判斷立柱受力情況、頂梁低頭上翹情況、支架受偏載情況，最后通過姿態算法分析支架姿態，并通過電液控制系統對支架姿態進行調整

（5）綜合經濟效益得到極大提高，現場生產作業人員8人（巡檢工5人，集控中心操作工1人，機電檢修工1人，泵站司機1人）組成，工作面所有設備的操控任務由監控中心操作員利用遠程操作臺來完成，主要負責綜采設備的啟停、遠程人工干預采煤機進行各項動作并進行自動跟機過程中的補架等工作。工作面所有設備的安全監護工作交給5個巡檢工來完成，兩人主要負責巡檢液壓支架，兩人負責巡檢采煤機，一人負責巡檢運輸機。巡檢工主要在開采過程中觀察設備運行情況，發現問題時緊急停機，并聯系人員來共同解決問題，人員數量的降低、開采工效的提高，必然要求工人素質的提高、管理的科學化。在標準化管理、安全管理、職工素質提升方面進行實踐，為智能化工作面的實現提供了可靠的管理保證。

7 結束語

礦產自動化開采是礦產業轉型升級和工業技術改革的核心，礦產企業務必緊跟信息時代的發展步伐，應用信息技術的成果，將數字化、人工智能、大數據等技術應用于礦產開采過程中，攻關智能化開采核心技術難題，逐步實現煤礦開采全過程的智能化監控，通過遠程監控實現井下少人甚至無人作業，徹底改變傳統的礦產生產方式，使礦產行業適應信息時代的發展，走可持續發展的道路。