木瓜煤礦井下工作面集中控制系統應用

劉 通

（霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司，山西 呂梁 033199）

隨著國家綜合國力的不斷提升，加上國內石油資源的相對匱乏，對煤礦資源的需求量呈不斷增長趨勢。而在當前，整個煤礦領域的開采普遍存在設備較為老舊，設備自動化、智能化程度還較低，集中自動化、智能化工作面系統建設程度不高，設備故障發生率還頻繁，井下實際狀態無法準確判斷等問題[1]。嚴重影響著企業的煤礦開采效率，也對井下作業安全構成了威脅。當下，將先進的自動化、智能化控制技術應用至煤礦工作面的系統建設中，已成為各煤炭企業應予重視的問題。因此，霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司以木瓜煤礦的回采10-102 工作面為分析對象，開展了該工作面自動化、智能化控制系統的系統設計研究，并進行了試運行測試，驗證了所設計控制系統的可靠性及穩定性。

1 工作面基本情況

霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司木瓜煤礦的回采10-102 工作面，位于一采區準備巷道左翼，上部為9-104、106 采空區。該工作面的西面為10-106 采空區，東面及南面為實體煤。該工作面所采10#煤層的平均厚度為2.95 m，煤層中部夾有3層厚度約0.2 m 的碳質泥巖，煤層厚度變化較小，屬穩定煤層。直接頂為平均厚度1.1 m 的泥巖；老頂為平均厚度1.4 m 的砂質泥巖；直接底為平均厚度0.8 m 的泥巖；老底為平均厚度2.84 m 的泥巖。10-102 工作面在回采過程中會穿過皮帶巷和軌道巷。

2 工作面集中控制系統實現的功能設計

結合木瓜煤礦的10-102 工作面環境特點，所設計的工作面集中控制系統需滿足該煤礦井下的控制需求，實現對該工作面的全面、穩定、安全控制。因此，對該工作面控制系統的功能特點進行了設計，具體如下[3]：

1）在正常生產過程中，通過液壓支架自動跟機、采煤機記憶割煤技術，結合設備姿態反饋、工作面視頻監控，實現在順槽集控中心對自動化設備的遠程控制（干預），最大程度減少工人操作，降低勞動強度。

2）實現在監控中心對工作面設備的監測及集中控制功能；

3）實現在地面對工作面設備實時監測，具有對工作面設備的控制功能。

4）當綜采工作面自動化控制系統出現故障時，各子系統不受綜采自動化系統控制，以保證在檢修和綜采自動化控制系統出現故障時，各子系統能單獨開車，確保生產不受影響。

5）采煤機、刮板機、轉載機、破碎機、支架電液控系統已預留與自動化對接接口及相關傳感器。

6）具有數據云端發布功能，實現移動端及web端的遠程實時監控。

3 工作面集中控制系統總體設計

所設計的木瓜煤礦10-102 工作面集中控制系統采用了多個分系統集成設計，包括設備支架電控及姿態監測分系統、地面監控分系統、順槽集中控制分系統、視頻監控分系統、光纖慣導定位分系統、工作面人員定位感知分系統等，可實現了對工作面中不同工作設備及工作狀態的實時、全面監控。在該控制系統在運行過程中，前端的設備支架控制系統能對工作面中各類設備運行的相關進行信息進行實時采集及處理，經過各處理分系統處理后，將信號傳輸至地面監控系統中進行匯總分析處理。同時，所有檢測數據信息通過以太網及CAN 通訊傳輸至視頻監控分系統中進行分別顯示，最終通過順槽集中控制系統來實現所有檢測信號的匯總處理及顯示，并與云端服務進行連接。當發生工作面中設備出現故障問題時，能通過總控制界面及分控制界面進行實時顯示及報警提示，人員檢修排除故障時能獨立停機作業。另外，在采煤機、破碎機、刮板機、轉載機等設備上均預留了相應的富余接口，保證了后期對整套系統的升級優化。工作面控制系統整體框架見圖1。

圖1 10-102 工作面控制系統總體框架

4 工作面集中控制系統關鍵分系統設計分析

4.1 設備支架電控及姿態監測系統

設備支架電控及姿態監測系統是10-102 工作面集中控制系統的重要組成部分，主要配備包括：隔爆兼本安型電源、礦用本安型中繼器、礦用隔離耦合器、紅外線發射器、架間電纜、首架服務器等組成[4]。其工作原理為：通過安裝在支架上的紅外傳感器來對設備的工作狀態及作業位置進行實時監測，并按照事先編訂的程序，控制設備相對位置范圍內的支架自動動作。同時，此控制分系統能通過安裝在底座、連桿、頂梁及護幫上的傾角傳感器來計算出設備支架當前的真實姿態，并通過三維方式展示在界面上進行展示。在設備支架正常支撐的情況下，因頂板松動等原因導致立柱壓力低于設定值時，電控系統則會自動發送升柱指令將立柱壓力補充達到初撐力的要求，以此實現對支柱的安全保護。另外，通過安裝在設備支架立柱下腔的壓力傳感器實時監測工作面壓力分布情況，并在自動化主機軟件上進行實時顯示和存儲，使用礦壓分析軟件顯示工作面壓力顯現云圖，并可查詢任意支架的壓力歷史數據。設備支架電控及姿態監測系統的工作原理見圖2。

圖2 設備支架電控及姿態監測系統的工作原理

4.2 地面監控分系統設計

地面監控也是10-102 工作面集中控制系統的重要組成部分，主要負責對采煤機工作狀況、液壓支架、刮板輸送機、泵站系統等地面設備及系統進行總體分項控制。其中，在對采煤機進行監控控制時，可通過安裝在采煤機設備上的GPS、速度傳感器、位移傳感器、溫度傳感器等儀器來對采煤機的工作位置、工作速度、左右滾筒高度、左右搖臂軸承溫度、機身仰俯角度、牽引方向、各電機工作電流等參數進行實時監測；并通過智能顯示界面進行相關信息的實時顯示，同時針對采煤機中出現的故障信息發出相應的報警提示。采煤機監控界面見圖3。地面的其他設備監控原理與采煤機的基本相同。針對液壓支架，主要對設備中的各支架壓力值、各支架推移行程、各電磁閥動作狀態、主機與工作面控制系統通信狀態、采煤機位置方向、工作面推進度、支架推移行程值、立柱壓力、故障信息等進行監測顯示；針對泵站系統，主要對泵站潤滑油油溫、油位、進出液壓力、液箱液位、乳化油油箱油位、乳化液濃度、出口壓力等參數進行監測并實時顯示。在完成地面多個設備的分項監控后，通過控制中心進行數據信息匯總，并通過不同界面切換的方式來完成對整個地面設備的全面監測及顯示控制，實現了地面設備的智能化全面監測控制。

圖3 采煤機監控界面

4.3 視頻監控分系統設計

視頻監控分系統主要由礦用本安型云臺攝像儀、礦用隔爆兼本安型直流穩壓電源、礦用本安型交換機、礦用本安型云臺攝像儀、礦用本安型交換機、圖像處理板、視頻存儲管理服務器、地面視頻調度軟件等部分組成。該監控系統能將前端檢測到并經過處理后的設備運行信息進行實時顯示，實現對工作面開采現場、關鍵設備運行狀況的視頻輔助監測[5]。同時，該監控系統中的云臺攝像頭能夠根據自動化系統得到的煤機位置信息實現自動跟機旋轉，確保采煤過程中對煤機前后滾筒區域的跟機監控，當采煤機超出監控范圍后能夠自動切換合適位置的攝像頭持續監控。另外，由于在各類設備的電液控系統控制器內部集成了人員定位基站，可通過檢測進入工作面人員隨身攜帶的識別卡信號來實現人員位置的精確定位，保障在前后2～3 架支架范圍內行程安全閉鎖空間內工作面人員安全。設備不同位置的定位顯示見圖4。

圖4 設備不同位置的定位顯示

4.4 順槽集中控制分系統設計

順槽集中控制系統主要是收集10-102 工作面中各類設備控制分系統的相關監測及控制信號，經過計算機控制系統進行集中控制。整套系統主要包括工作面集控倉、礦用隔爆兼本安型計算機、礦用隔爆型顯示器、礦用本安型鍵盤、礦用網絡交換機、礦用隔爆兼本質安全型穩壓電源、礦用本安型集控操作臺等組成[6]。在該分系統運行過程中，工作面中各設備監控數據信息通過視頻解碼器解碼后，傳輸至千兆交換機中，通過以太網將監控信號傳輸至控制主機，最終傳輸至主機顯示界面進行不同界面信號的實時顯示。同時，該控制分系統中配備了KTC101 語音控制模塊，可通過CAN 通訊、RS485 通訊等進行信號傳輸，實現整套系統的語音自動化控制。順槽集中控制分系統的工作原理見圖5。

圖5 順槽集中控制分系統的工作原理

5 工作面集中控制系統實際運行效果評價

在完成對木瓜煤礦10-102 工作面集中控制系統的總體設計及關鍵分系統設計基礎上，為進一步掌握所設計控制系統的綜合性能，將其在該工作面進行了實際試運行測試。主要是在該工作面中關鍵設備安裝相應的傳感器，并在設計位置安裝控制主機及相應監控探頭，以此來深入驗證所設計控制系統的整體性能。

經過為期6 個月現場試運行測試，結果顯示，該控制系統能全面、準確地對工作面中各設備運行情況進行實時監控，并通過多窗口快速切換界面進行實時顯示。顯示信息較為全面，且能動態顯示，當某一個設備出現故障問題時，該控制系統及相應的分系統也能及時發出相應的報警提示，并在顯示界面中對故障類型及故障發生位置進行準備顯示。工作人員可根據此提示信息對故障問題進行快速查找及維修。據估算，該控制系統成功應用后，與木瓜煤礦其他工作面相比，該井下工作面的采煤效率提高了將近50%，各類故障概率大大降低，單一故障查找及排除時間同比縮短。在6 個月內此工作面為企業節約了將近60～100 萬的維修費用支出；人員的勞動強度也大大降低，得到木瓜煤礦相關負責人的一致好評。此工作面集中控制系統的成功應用，為其在木瓜煤礦其他工作面及其他煤礦領域的推廣應用提供了參考，具有實際應用價值。

6 結語

隨著我國自動化、智能化集中控制技術的飛速發展，將當前先進的控制系統應用在煤礦工作面改造設計中，是我國煤礦企業重點鼓勵及發展的方向。而實現工作面中各作業設備的系統監測、系統控制、智能報警，則是提高煤礦開采效率及工作面作業安全的必然方向。為此，結合木瓜煤礦的實際情況，開展了木瓜煤礦10-102 工作面的集中控制系統設計研究，并進行了現場使用、跟蹤測試。結果顯示，該集中控制系統具有高監控精度，高穩定性；大大降低了設備的故障概率及故障排除時間，取得了較好的經濟效益，得到企業人員的一致好評。同時，也為其他企業提供了可資借鑒的參考。