綜采工作面自動化技術應用與展望

任彥峰

（山西焦煤集團有限責任公司屯蘭礦，山西 古交 030206）

引言

由于煤礦行業工作勞動強度大、危險性高，煤礦在科技日益進步的今天依舊是危險和落后的代名詞，為了減少煤礦職工的勞動強度，降低人員作業危險，將職工將從井下現場解放出來，自動化無人開采成為煤礦開采的必然發展方向。因此，針對綜采工作面自動化技術應用展開分析。

1 自動化工作面的發展背景

隨著陜煤黃陵煤礦第一個國產自動化工作面的回采，掀起了國產自動化工作面的建設高潮，淮南張集、陽煤新元、神東石圪臺等為代表的一大批自動化工作面相繼建成，推動著煤炭礦井開采方式的變革。

2 自動化工作面的組成

自動化綜采工作面主要由液壓支架電液控系統、自動集成供液系統、遠程視頻監控系統、綜采自動化控制系統等功能融合而成。

2.1 電液控系統

電液控系統主要包括支架控制器、支架服務器、本質安全供電電源、各類傳感器、耦合器、線纜等組成。

電液控制系統通過采煤機機身安裝的紅外發射器和液壓支架安裝的紅外接收器互相配合，可以實現采煤機位置的準確定位，傳感器利用通訊網絡將獲取的位置數據上傳至服務器，服務器通過預設的程序對采煤機運行軌跡進行邏輯判斷后，對工作面電液控系統發送控制指令，電液控利用先導回路控制主閥組實現支架護幫、立柱、移架千斤的動作。

三角煤區段的自動跟機是電液控控制的重點和難點，三角煤跟機工藝分7個工藝段設計[1]。工藝1，接續中部跟機，自動跟機采煤至機頭/機尾；工藝2，返刀割底煤至機頭/機尾；工藝3，掃底煤；工藝4，斜切進刀；工藝5，返向上刀至機頭或機尾位置；工藝6，第二刀掃底煤；工藝7，三角煤結束，煤機從機頭位置正常割煤至中部位置，完成三角煤跟機和中部跟機的銜接。

智能集中供液系統是為工作面電液控系統提供完整的供液方案，為工作面提供恒壓、清潔、配比穩定的高質量乳化液，是電液控系統乃至自動化綜采工作面穩定運行的有力保證。智能集中供液系統包括水凈化系統、廢水回收利用系統、自動配液系統、高壓過濾及回液過濾系統、泵站系統、自動控制系統、乳化液箱等組成[2-3]。

2.2 視頻監控系統

自動化工作面根據實際需要在液壓支架、運輸機及皮帶機頭尾、各轉載點安裝帶自清潔功能的視頻監控系統，實現系列車控制中心和地面遠程指揮控制中心對整個綜采工作面關鍵部位的視頻監控。工作面攝像儀采集的視頻畫面實時上傳至監控中心，紅外線傳感器獲得采煤機位置，通過軟件處理后顯示畫面跟隨采煤機無縫切換。

2.3 自動化集中控制系統

集中控制中心利用組態軟件合理編排綜采工作面設備的邏輯動作，實現機電設備的一鍵啟停和自動集中控制。集中控制中心基于工作面覆蓋的工業以太網及現場總線，實現對綜采設備一鍵邏輯啟停、單設備啟停的功能，并具有啟動前的設備保護狀態檢測以及過程中的保護狀態檢測功能。設備運行過程中可以根據視頻圖像及顯示參數對設備進行調整，綜采工作面設備之間嚴密的連鎖關系，保證了系統的安全運行。

集中控制中心能夠對采煤機的運行電流、速度、方向、溫度、搖臂高度等數據進行采集。在此基礎上，可以通過集控中心操作臺對采煤機油泵電機、截割電機、牽引電機啟停以及變換牽引方向、調節牽引速度、搖臂高度等，并通過集控中心顯示器顯示采煤機的各種狀態。

2.4 采煤機記憶截割控制系統

工作面回采作業時，人工進行示范刀作業，采煤機內置編碼器記錄采煤機位置曲線及左右搖臂位置。記憶截割時編碼器將采煤機位置數據傳入采煤機主控器，主控器根據采煤機位置記錄和分析，不斷修正采煤機運動姿態，實現采煤機記憶截割功能。采煤機截割過程可以實時打至學習模式，實現邊截割、邊學習。

2.5 供配電系統

集中控制利用移變、組合開關、變頻器的通訊模塊與集控中心的上位機實現通訊，達到供配電系統集中監測、控制的功能。

3 自動化工作面目前存在的問題

目前，大多數自動化工作面采用記憶割煤+視頻遠程調整運行模式，現階段記憶割煤不能適用于煤層傾角較大、地質環境復雜的條件，導致回采過程缺乏有力指導，而遠程視頻人工調整過程受攝像儀清晰度、位置等影響，且受遠程操作人員經驗與主觀判斷要求較高，其次慣性導航系統、煤巖識別系統投入費用較高。但是目前也并無成熟的應用，因此采煤機常態化的自動割煤在煤層地質條件復雜條件下并未常態話運行。盡管煤礦行業的機電設備安全可靠性得到了極大提升，但是液壓系統跑冒滴漏等設備故障還時有發生，兩順槽超前段頂板的支護、工作面浮煤清理、自移機尾的拉移等沒有完全實現機械化。工作面煤層起伏、頂板破碎、斷層變化等特殊條件下的特殊回采工作，導致現階段自動化綜采工作面可以減輕職工勞動強度，但是并不能大規模減少作業人員、提升生產效率。

目前，記憶割煤、遠程視頻監控割煤、煤巖識別割煤等方式均還不成熟，均有一定的局限性，而具有數字礦山的自動化割煤方式，還需要基于GIS三維仿真技術的發展，逐漸實現工作面地質環境的全透明，包括煤層厚度、傾角、硬度、瓦斯含量、頂板巖性等。透明工作面是實現采煤工藝常態化運行的基礎。自動化工作面存在的問題主要為：一是自動化工作面發展還處在初級階段，設備、人員、資金投入還不夠多，自動化采煤技術還不完善；其次各自動化廠家研發人員大多遠離生產現場，對現場的情況及需求了解不夠，現場的問題不能及時反饋。

4 綜采工作面自動化技術發展方向

機械化方面，依托我國機械行業、材料行業等基礎學科的發展，提升機械系統、液壓系統的安全可靠性，減少人工維護工作，對綜采全過程采用標準化機械作業，減少人工作業環節。

采煤機自動割煤方面可以利用三維地震、瞬變電磁儀、地質雷達、鉆探等手段相結合，對工作面地質狀況進行綜合探測，并應用物聯網、大數據、人工自動技術為依托，應用GIS、遠程控制、三維仿真技術，最終實現透明化工作面，回采過程中以煤巖識別技術實時修正地質模型，實現采煤機的智能截割。

5 結語

綜采工作面自動化回采技術目前仍處在初級階段，其發展是一個大學科的系統工程，需要多學科研究人員共同努力推進。隨著機械化、自動化以及工作面透明技術的發展，自動化、智能化工作面將是煤礦企業發展的必由之路。