綜采工作面自動化技術(shù)應(yīng)用與展望

任彥峰

（山西焦煤集團有限責(zé)任公司屯蘭礦，山西 古交 030206）

引言

由于煤礦行業(yè)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(yè)危險，將職工將從井下現(xiàn)場解放出來，自動化無人開采成為煤礦開采的必然發(fā)展方向。因此，針對綜采工作面自動化技術(shù)應(yīng)用展開分析。

1 自動化工作面的發(fā)展背景

隨著陜煤黃陵煤礦第一個國產(chǎn)自動化工作面的回采，掀起了國產(chǎn)自動化工作面的建設(shè)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(tǒng)、自動集成供液系統(tǒng)、遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)、綜采自動化控制系統(tǒng)等功能融合而成。

2.1 電液控系統(tǒng)

電液控系統(tǒng)主要包括支架控制器、支架服務(wù)器、本質(zhì)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(tǒng)通過采煤機機身安裝的紅外發(fā)射器和液壓支架安裝的紅外接收器互相配合，可以實現(xiàn)采煤機位置的準確定位，傳感器利用通訊網(wǎng)絡(luò)將獲取的位置數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器，服務(wù)器通過預(yù)設(shè)的程序?qū)Σ擅簷C運行軌跡進行邏輯判斷后，對工作面電液控系統(tǒng)發(fā)送控制指令，電液控利用先導(dǎo)回路控制主閥組實現(xiàn)支架護幫、立柱、移架千斤的動作。

三角煤區(qū)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(shè)計[1]。工藝1，接續(xù)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(jié)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(tǒng)是為工作面電液控系統(tǒng)提供完整的供液方案，為工作面提供恒壓、清潔、配比穩(wěn)定的高質(zhì)量乳化液，是電液控系統(tǒng)乃至自動化綜采工作面穩(wěn)定運行的有力保證。智能集中供液系統(tǒng)包括水凈化系統(tǒng)、廢水回收利用系統(tǒng)、自動配液系統(tǒng)、高壓過濾及回液過濾系統(tǒng)、泵站系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)、乳化液箱等組成[2-3]。

2.2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

自動化工作面根據(jù)實際需要在液壓支架、運輸機及皮帶機頭尾、各轉(zhuǎn)載點安裝帶自清潔功能的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)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(guān)鍵部位的視頻監(jiān)控。工作面攝像儀采集的視頻畫面實時上傳至監(jiān)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(tǒng)

集中控制中心利用組態(tài)軟件合理編排綜采工作面設(shè)備的邏輯動作，實現(xiàn)機電設(shè)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(yè)以太網(wǎng)及現(xiàn)場總線，實現(xiàn)對綜采設(shè)備一鍵邏輯啟停、單設(shè)備啟停的功能，并具有啟動前的設(shè)備保護狀態(tài)檢測以及過程中的保護狀態(tài)檢測功能。設(shè)備運行過程中可以根據(jù)視頻圖像及顯示參數(shù)對設(shè)備進行調(diào)整，綜采工作面設(shè)備之間嚴密的連鎖關(guān)系，保證了系統(tǒng)的安全運行。

集中控制中心能夠?qū)Σ擅簷C的運行電流、速度、方向、溫度、搖臂高度等數(shù)據(jù)進行采集。在此基礎(chǔ)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(diào)節(jié)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(tài)。

2.4 采煤機記憶截割控制系統(tǒng)

工作面回采作業(yè)時，人工進行示范刀作業(yè)，采煤機內(nèi)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(shù)據(jù)傳入采煤機主控器，主控器根據(jù)采煤機位置記錄和分析，不斷修正采煤機運動姿態(tài)，實現(xiàn)采煤機記憶截割功能。采煤機截割過程可以實時打至學(xué)習(xí)模式，實現(xiàn)邊截割、邊學(xué)習(xí)。

2.5 供配電系統(tǒng)

集中控制利用移變、組合開關(guān)、變頻器的通訊模塊與集控中心的上位機實現(xiàn)通訊，達到供配電系統(tǒng)集中監(jiān)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(shù)自動化工作面采用記憶割煤+視頻遠程調(diào)整運行模式，現(xiàn)階段記憶割煤不能適用于煤層傾角較大、地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜的條件，導(dǎo)致回采過程缺乏有力指導(dǎo)，而遠程視頻人工調(diào)整過程受攝像儀清晰度、位置等影響，且受遠程操作人員經(jīng)驗與主觀判斷要求較高，其次慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、煤巖識別系統(tǒng)投入費用較高。但是目前也并無成熟的應(yīng)用，因此采煤機常態(tài)化的自動割煤在煤層地質(zhì)條件復(fù)雜條件下并未常態(tài)話運行。盡管煤礦行業(yè)的機電設(shè)備安全可靠性得到了極大提升，但是液壓系統(tǒng)跑冒滴漏等設(shè)備故障還時有發(fā)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(xiàn)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(dǎo)致現(xiàn)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(guī)模減少作業(yè)人員、提升生產(chǎn)效率。

目前，記憶割煤、遠程視頻監(jiān)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(shù)字礦山的自動化割煤方式，還需要基于GIS三維仿真技術(shù)的發(fā)展，逐漸實現(xiàn)工作面地質(zhì)環(huán)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(xiàn)采煤工藝常態(tài)化運行的基礎(chǔ)。自動化工作面存在的問題主要為：一是自動化工作面發(fā)展還處在初級階段，設(shè)備、人員、資金投入還不夠多，自動化采煤技術(shù)還不完善；其次各自動化廠家研發(fā)人員大多遠離生產(chǎn)現(xiàn)場，對現(xiàn)場的情況及需求了解不夠，現(xiàn)場的問題不能及時反饋。

4 綜采工作面自動化技術(shù)發(fā)展方向

機械化方面，依托我國機械行業(yè)、材料行業(yè)等基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展，提升機械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)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(yè)，減少人工作業(yè)環(huán)節(jié)。

采煤機自動割煤方面可以利用三維地震、瞬變電磁儀、地質(zhì)雷達、鉆探等手段相結(jié)合，對工作面地質(zhì)狀況進行綜合探測，并應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工自動技術(shù)為依托，應(yīng)用GIS、遠程控制、三維仿真技術(shù)，最終實現(xiàn)透明化工作面，回采過程中以煤巖識別技術(shù)實時修正地質(zhì)模型，實現(xiàn)采煤機的智能截割。

5 結(jié)語

綜采工作面自動化回采技術(shù)目前仍處在初級階段，其發(fā)展是一個大學(xué)科的系統(tǒng)工程，需要多學(xué)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(shù)的發(fā)展，自動化、智能化工作面將是煤礦企業(yè)發(fā)展的必由之路。