智能化采煤工作面生產系統建設研究

陳明生

（山西焦煤集團西山煤電股份有限公司鎮城底礦，山西 古交 030203）

1 工程概況

鎮城底礦22603 工作面地表位于王家坡西，區域可采煤層為2#、3#煤層，煤層結構穩定，均厚3.2 m。工作面采用走向長壁后退式綜合機械化一次采全高采煤法，全部垮落法管理頂板，割煤高度2.34～3.2 m。22603 工作面作為礦井主要接替工作面，開采強度較大，對開采設備的操作要求較高，工作面回采期間，巷道圍巖變形程度大。針對以上問題，提出在22603 工作面構建智能化綜采工作面的構想，以實現整個工作面的遠程集控智能化運營。

2 順槽控制系統

鎮城底礦22603 工作面采用KTC101 型集控系統作為對整個智能化工作面信息集成控制的平臺，其中，KTC101-Z-BP 型主控制器主要用于整個變頻系統的檢測與控制，KTC101-Z 型主控制器主要用于三機設備的預警與控制。順槽控制系統是實現智能化工作面建設的關鍵核心，工作面所有的采集數據均通過數據傳輸平臺連接至順槽控制中心，通過工控平臺對圖像數據進行識別分析，采用預警機制，生成科學的運行規劃。在工作面回采期間，根據刮板輸送機移動的位置軌跡，對采煤機運行路徑進行設計，制定液壓支架耦合自適應的規劃，實現工作面智能化生產。順槽控制系統能夠按照設定的周期生成設備運行狀態統計報告，通過對出現異常的關鍵性指標進行分析，有效地反映設備故障原因，實現對設備的有效維護，以及傳統更換式維護向智能化預防式服務的平穩過渡[1]。

工控平臺是智能化工作面控制系統的核心部分，具備強大的數據分析與自主決策功能，同時支持多種通訊協議。順槽控制中心工控平臺能夠實時顯示設備的運行狀況，根據設備運行規律，生成運行規劃。該平臺主要實現數據采集、數據顯示、設備控制、數據分析、智能控制以及保護功能[2]。

（1）數據采集功能是工控平臺的基礎功能，主要通過交換機來反饋工作面設備、環境監測與人員定位信息。

（2）數據顯示功能具備生成和顯示工作面三維立體圖、工作面各設備組件運行、受力情況以及設備維護狀態的作用。順槽控制系統數據顯示示意如圖1。

圖1 順槽控制系統數據顯示示意圖

（3）設備控制功能包括設備間聯動、設備環境聯動與設備人員聯動，主要實現采煤機與液壓支架防碰撞、采煤機與三機載荷平衡、工作面瓦斯濃度和采煤機聯動、工作面粉塵和液壓支架噴霧聯動、液壓支架和泵站聯動等功能。

（4）數據分析功能是實現智能化工作面建設的基本前提，主要包含對生產數據、設備運行維護狀態以及視頻圖像識別等多種綜合性功能，利用傳感器監測，實現對工作面任意時間段內產量、推進度、設備開機率、液壓系統壓力、液壓支架關鍵部分應力、機械設備振動狀態、工作面片幫冒頂的識別與分析功能。

（5）智能控制功能建立于工控平臺數據分析功能的基礎之上，通過將生產監控數據與系統設定數據進行對比分析，科學地形成運行規劃，實現對系統的整體協調、修正功能。其工作內容主要包括對工作面推進直線度、液壓支架耦合自適應、采煤機智能化路徑以及三機自移控制等。

（6）保護功能主要承載對設備工作環境、人員的保護，包括對工作面煤壁片幫、頂板冒落、采煤機和液壓支架碰撞、電機過載以及施工人員人身安全的保護。

3 液壓支架及超前支架電液控制系統

電液控制系統主要執行對工作面液壓支架與超前支架的控制功能，同時兼做工作面的數據傳輸平臺。智能電液控制系統采用以太網現場總線控制方式，較之于傳統通過CAN 總線控制方式而言，數據傳輸效率、控制范圍與執行能力大大提高。通過工控平臺的控制，電液系統能夠對局部以及全工作面范圍內液壓支架的運行姿態進行實時的修正與調整，精確高效地完成支架單架或成組動作，實現對液壓支架的自適應控制[3]。

液壓支架及超前支架電液控制系統主要由上位機、控制器、傳感器、液壓主閥和供電系統五大部分構成。其中，控制器、傳感器與液壓主閥相連，控制器下連LED 照明燈、視頻攝像頭，控制器之間通過標準conm/4c 型電纜連接，形成電液控制系統，并由交換機接入至工控平臺。智能化工作面電液控制系統連接示意如圖2。

圖2 智能化工作面電液控制系統連接示意圖

液壓支架及超前支架電液控制系統采用分層技術將液壓支架的運行狀態、數據分析顯示集成于同一界面上。該控制系統主要實現支架運行狀態顯示、支架運行控制、無線遙控、急停閉鎖、采煤機路徑設計規劃以及礦壓分析與預警等功能。其中，支架運行狀態顯示功能主要具備直觀顯示支架立柱壓力、煤機位置方向、采煤機推移軌跡行程、位置與支架護幫板狀態等；支架運行控制功能主要通過控制相鄰支架或隔架的單組動作與組合動作，執行跟機自動化動作，實現對三角煤的自動截割功能；無線遙控功能主要是通過無線遙控指令，遠程指導工作面支架與超前支架的推進動作，實現工作面智能化支護工藝；急停閉鎖功能主要實現針對突發事件下對設備的運行狀態的有效控制，當工作面出現突發情況時，通過控制急停按鈕，停止設備運行，確保工作面人員與設備的安全；采煤機路徑設計規劃功能主要通過工控平臺智能控制功能，形成路徑運行規劃，實現對采煤機智能化控制[4]；礦壓分析與預警功能通過接收工控平臺的礦壓規劃指令，能夠實現對工作面頂板初期來壓與周期來壓強度、周期的有效分析，從而對下一次頂板來壓情況進行預測，有效預防頂板災害的出現。

4 三機控制系統

工作面設備的“三直兩平”是檢驗智能化工作面建設與實現礦井安全高效生產的關鍵性指標。三機控制系統以對采煤機的精確定位為基礎，利用行程傳感器、圖像識別技術與工控平臺的數據分析處理功能，生成刮板輸送機的運行軌跡曲線，并在此基礎上，實時調整工作面液壓支架的位置，實現工作面液壓支架、刮板輸送機與采煤機的平直。此外，三機控制系統能夠通過工控平臺分析處理工作面端頭的視頻數據，對大塊煤體進行有效識別與處理，避免轉載機受到損壞。

針對鎮城底礦22603 工作面的地質構造及開采情況，引進3 臺型號為VJYJVFG-500M4-4T3300V/1200kW 的高壓變頻一體機驅動工作面刮板輸送機、 一臺型號為VJVFT-400L-4T1140V/500kW 的一體機驅動轉載機。

三機控制系統主要由三機就地控制箱、數據交換機和工控平臺三部分構成。三機就地控制箱通過工作面數據傳輸平臺與工控平臺相連，實現數據交換與傳輸。三機控制系統布置示意如圖3。

5 采煤機控制系統

采煤機控制系統是智能化工作面建設的重要組成部分，同時也是實現對煤炭資源高效回采的關鍵性技術核心。采煤機控制系統分為采煤機就地控制與工控平臺兩大部分，具有規劃采煤機采煤路徑、安全防護、實現綜采與環境聯動等功能。采煤機數據傳輸采用雙向傳輸的方式，既可以通過自身的數據線進行數據交換，也能夠借助工作面數據傳輸平臺完成對數據的傳輸與接收，具有較強的反干擾能力與環境適應度。

采煤機控制系統主要由上位機、工控平臺、數據交換機三大部分組成。控制系統安裝在順槽控制室內，采煤機上位機通過交換機和工控平臺相連，生產數據通過工作面的數據傳輸平臺接入至工控平臺，實現數據的雙向傳輸通信功能。采煤機控制系統連接示意如圖4。

圖3 三機控制系統布置示意圖

圖4 采煤機控制系統連接示意圖

采煤機控制系統主要實現對采煤機路徑規劃與控制。目前，對于巷道頂底板穩定、賦存結構沒有明顯變化的情況，智能化工作面采用的采煤機記憶截割方式已取得了一定成效，但對于巷道頂底板結構復雜、工作面變化較大的情況，智能化采煤作業仍存在一定的局限性。為有效解決這一難題，實現采煤作業的平穩推進，采煤機智能控制系統通過工控平臺的數據處理分析，生成采煤機下六刀的路徑規劃，通過順槽控制室內的采煤機上位機上輸入工作面高度修正值的方式，獲取與工作面地質構造相適應的截割曲線，實現對煤層的高效智能化截割。該系統較之傳統采煤機記憶截割工藝，在精度與適應上明顯提高[5]。智能化采煤機路徑規劃對比示意如圖5。

圖5 智能化采煤機路徑規劃對比示意圖

6 實踐效果

鎮城底礦22603 工作面構建智能化工作面控制系統，實現了綜采工作面自行感知、決策及生產設備自動協調聯動等智能化開采模式，大大降低了人力投入，提高了回采安全性。鎮城底礦22603 工作面施行智能化工作面期間，操作人員由14 人減少至3 人，液壓支架調直誤差平均降低了38%以上，工作面回采安全性與效率得到了有效保障。

7 結語

隨著網絡技術與傳統工業的深度融合，以智能化生產驅動煤礦建設、實現工業產業升級改造的趨勢成為熱潮，煤礦的安全高效開采與智慧化礦山建設的聯系愈發緊密。本文以煤礦智能化工作面生產系統建設為背景，通過融合采煤機自動截割、液壓支架及端頭支架的自動移架、運輸系統智能運行等關鍵技術，構建了智能化工作面生產系統的基本雛形，旨在構建高效智能的開采生產體系，實現整個工作面的“有人巡視、無人操作、遠程干預、安全高效、綠色節能”的智慧運營。