納林河二號井煤礦智能化系統構建及關鍵技術探討

孫進偉,鄭 勇,徐 犇

(遼寧能源煤電產業股份有限公司，沈陽 110122)

在網絡新技術與傳統產業深度融合的新形勢下,各產業正在發生重大變革。其中將智能技術納入傳統設備已成為解決能源供應、能源安全和工業安全等國家問題的重要手段[1-2]。煤炭開采需要面對極為復雜的作業環境,傳統的煤炭開采方式面臨著較大的潛在風險[3-4],影響了煤礦的安全生產,制約著生產效益的提高。智能技術與裝備的應用對我國煤炭開采產業的發展具有重要意義[5-6]。為全面加快智能化工作面建設步伐,推動高產、高效煤炭開采,急需發展以實現無人化開采為目標的智能技術與裝備,因此本文對智能化采煤技術在納林河二號井煤礦的應用進行探討。

1 工程概況

納林河二號井田位于鄂爾多斯市烏審旗納林河礦區南部,于2008年8月開始建設,井田南北長約17.8 km,東西寬約13.5 km,面積約180.67 km2。井田資源儲量1 507.65 Mt,可采儲量796.38 Mt,礦井設計生產能力800 萬噸/a,日生產能力2.4 萬噸/d,礦井服務年限71.1 a,開拓方式為立井開拓,項目總投資約60.75 億元。

納林河二號井3-1上102工作面位于納林河西側,地面標高在+1 149.5～+1 136.7 m之間,相對高差12.7 m。地表為風積半流動和半固定沙丘地貌,新月形沙丘,生長零星楊樹,地表無建筑物。3-1上102工作面位于礦井一盤區,北臨3-1巷煤輔助運輸大巷,南臨首采區邊界,東臨3-1上與3-1煤層分叉線,西臨3-1上103工作面,兩工作面均未開采。工作面煤層平均厚2.0 m,層位穩定,質地堅硬;煤層干燥抗壓強度9.76 MPa，飽和抗壓強度7.66 MPa；煤層堅固性系數小于1.0,屬半堅硬巖石；軟化系數小于0.75,屬于易軟化巖石,巖石質量中等,巖體中等完整,RQD值平均為68%。地質條件復雜,工作面槽波探測異常區達到了15個。根據工作面兩順槽掘進過程中的揭露情況,回風、膠運順槽及切眼共揭露8條斜交正斷層,落差0.5～3.6 m。另外,根據兩順槽揭露的地質構造情況發現,在工作面推進過程中,揭露隱伏構造的可能性較大,且對工作面頂板管理及煤質造成一定影響,為實現工作面智能化帶來了困難。

智能化開采是不斷發展和進步的,主要指通過環境的智能感知、設備的智能控制,在不需要人工直接干預的條件下,由設備獨立完成回采的過程[7]。為實現3-1上102工作面智能化開采及智慧礦山建設,提出了以“遠程一鍵式啟停、自動開采、遠程人工干預,無人值守”為目標的方案,以實現減人、提效的開采模式；同時，達到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、遠程視頻監控、工作面遠程集控的目的[8-10]。

2 智能化開采系統組成

2.1 順槽控制中心與地面調度室

順槽控制中心是井下開采智能工作面的核心部分。如圖1所示,工作面所有數據通過數據傳輸平臺,接入到順槽控制中心。順槽控制中心采用高效工控平臺,具備數據顯示、設備控制、數據分析和生產管理的功能。工控平臺通過數據信息進行分析,對圖像進行識別,采用預警報警機制,生成運行規劃,依據所確定刮板運輸機的實時位置曲線,制定采煤機路徑規劃以及液壓支架自適應規劃來實現智能化。順槽控制中心定期生成設備運行狀態的分析報告,采用關鍵指標的方式,來反映生產進度、分析故障原因、指導日常維修,將更換式維護轉變成預防式服務。工作面數據信息經礦井環網上傳到地面調度室,實現對綜采設備、環境狀態和人員狀態的監測。地面調度室和順槽控制中心采用相同工控平臺,具備遠程控制、智能控制和數據分析等功能。

2.2 液壓支架及超前支架電液控制系統

電液控制系統在井下智能工作面中起到協調控制液壓支架的作用,同時具有工作面數據傳輸平臺的功能。常規的電液控系統往往使用CAN總線的控制方式,在此采用的電液控制系統以現如今最先進的以太網現場總線控制方式運行,通過傳感器來確定液壓支架的狀態,如油缸行程、油缸壓力以及支架高度,通過控制液壓主閥來執行單架動作或成組動作。在智能工作面中,電液控制系統在工控平臺的控制下可以在局部或全工作面范圍內對液壓支架等做進一步調整和修正,實現自適應控制。如圖2所示,電液控制系統包含控制器、傳感器、主閥和供電系統。系統布置情況主要由液壓主閥、傳感器和控制器相連。控制器之間通過電纜連接,組成電液控制系統。

圖2 單控制器連接示意圖Fig.2 Connection diagram of single controllers

2.3 采煤機控制與精確定位系統

采煤機控制系統是下智能工作面系統的另一重要組成部分,其中包含采煤機就地控制和工控平臺控制。工控平臺控制由采煤機路徑規劃、防碰撞、安全防護、環境聯動等功能組成。采煤機數據傳輸可以通過采煤機自身的數據線進行傳輸,同時也可以通過工作面數據傳輸平臺進行傳輸。如圖3所示,采煤機上位機通過交換機和工控平臺相連,與此同時采煤機的數據也通過工作面數據傳輸平臺接入到工控平臺,實現數據雙向通訊。

圖3 采煤機控制系統連接示意圖Fig.3 Connection diagram of shearer control system

目前常用的采煤機記憶割煤方式無法適應工作面變化,只適用于頂底板沒有變化的理想情況。在實際生產中,工控平臺需要生成采煤機下6刀的路徑規劃,保證工作面的正確平穩推進。在液壓支架控制器上輸入工作面高度修正值或在槽控室上位機上輸入工作面高度修正值,即可得到工作面對應的采割曲線。采煤機執行工控平臺的路徑規劃功能。在綜采工作面內,因無法確定地理基準點,所以工作面自動推進時,無法保證工作面平直,這是制約智能化工作面的一個重要因素。如圖4所示,采用陀螺儀等技術,工控平臺可以計算出刮板運輸機的位置曲線。基于液壓支架、采煤機和刮板運輸機的實時位置,工控平臺可以生成采煤機6次循環的路徑規劃。采煤機、刮板運輸機和液壓支架系統執行此路徑規劃,實現工作面平直控制和智能推進。

圖4 慣性導航系統工作面布置圖Fig.4 Layout of inertial navigation system of the working face

2.4 三機、順槽皮帶機、泵站控制系統

刮板運輸機的平直是采煤工作面中實現“三直兩平”的關鍵。如圖5所示,基于三機的位置,通過工作面液壓支架進行調整,實現刮板運輸機和工作面液壓支架的平直。通過分析安裝在工作面端頭的視頻攝像頭圖像,工控平臺可以對大塊煤進行識別,對轉載機進行保護。泵站控制作為智能工作面的組成部分,包含就地控制、邏輯控制和智能控制功能。

圖5 三機/順槽運輸機控制布置圖Fig.5 Control layout of three-machine/gateway conveyor

2.5 工作面視頻系統

工作面視頻系統由安裝在工作面內的云臺攝像頭組成,通過數據傳輸平臺將視頻圖像傳輸到工控平臺。工控平臺通過圖像識別和圖像比對,確認工作面內護幫板的位置、刮板運輸機的位置、支架底座前端的位置、煤壁以及頂板的狀態。基于分析結果,對采煤機和液壓支架進行相應的調整,保證工作面平直,提高對煤壁和頂板的支撐質量,防止煤機和支架間的干涉。

通過對大塊煤的構造識別，進一步保護轉載機。視頻系統也可以簡單地作為操作人員眼睛的延伸。此外還可以通過視頻攝像避免可能出現漏架的情況。如圖6所示,按照工作面設計要求安裝攝像頭,通常每4架安裝一臺工作面攝像頭,一般安裝在支架頂梁處。對于大采高工作面,可以通過設計攝像頭的安裝方式,滿足對頂板、底板觀察的要求。視頻攝像頭由控制器供電和控制。安裝在工作面端頭的攝像頭(超前支架、轉載、破碎、順槽皮帶、泵站)經過節點交換機將視頻圖像傳輸到控制室。

圖6 工作面攝像頭連接示意圖Fig.6 Connection diagram of cameras on the working face

3 智能化開采安全監控系統

3.1 工作面礦壓、地質信息監測系統

工作面礦壓監測系統作為智能化開采安全監控系統的組成部分。工控平臺對來自工作面立柱壓力數據,巷道超前支架立柱壓力數據以及順槽頂板位移傳感器的數據進行分析,生成工作面礦壓分布曲線以及液壓支架支護規劃。如圖7所示,系統由工作面壓力傳感器、超前支架壓力傳感器、巷道壓力位移測量元件等組成。通過地質雷達(Ground Penetrating Radar, GPR)的無線電波檢測或其他技術,檢測回采走向上的介質分布,同時對不可見目標體或地下界面進行掃描,以確定井下工作面煤層地質條件,建立真實、精確、動態的工作面煤層地質模型。

圖7 工作面礦壓分析連接Fig.7 Connection diagram for ground pressure analysis of the working face

3.2 工作面人員定位功能

工作面人員的定位通過施工人員攜帶的RFID射頻發射器和工作面電液控制系統控制器進行雙向通訊。RFID數據經過數據傳輸平臺進入到工控上位機。工控平臺依據人員位置、人員權限及設備運行狀態等,制定相應保護措施。如圖8所示,系統由順槽和工作面人員無線定位卡、交換機、控制室組成。

圖8 人員定位系統布置圖Fig.8 Layout of personnel positioning system

3.3 工作面環境監測系統

工作面環境監測系統包括安裝在工作面上的環境監測儀器,通過數據傳輸平臺進入到工控平臺,礦井環境監測數據可通過交換機進入到工控平臺,工控平臺接收文本格式數據。如圖9所示,系統由環境檢測傳感器(粉塵傳感器、瓦斯傳感器、二氧化碳傳感器)和工控平臺組成。

圖9 環境監測系統布置圖Fig.9 Layout of environmental monitoring system

4 應用預期成果

納林河二號井102工作面已經完成設備井下單機調試及聯合試運轉監測設備運行狀況、工作面視頻跟機自動切換、監測工作面運行狀態等工作。如圖10所示,智能化設備監測結果表明，在井下工作面智能化系統能夠較好地滿足生產和安全要求。后期將分步從納林河二號井的回采工藝、技術裝備等方面入手,查找智能化割煤的影響因素,并提出解決方案。本著政策先行,技術裝備逐步跟進的原則,將影響智能化割煤的問題逐一解決,使現有的有人監護智能化割煤成為常態,到年底基本實現工作面智能化割煤產量達到月度計劃煤量的80%。根據技術裝備水平和人員素質情況,逐步精簡智能化工作面崗位設置及人員數量以實現智能化開采。

圖10 工作面圖像識別結果Fig.10 Image recognition results of the working face

5 結論

煤礦智能化在井下系統應用主要包括電液控系統、三機控制通訊系統、智能刮板控制系統等。以煤礦智能化開采及智慧礦山建設為框架,構建以遠程一鍵式啟停、自動開采為主,遠程人工干預為輔，特別是在滿足井下人員安全與生產高效的前提下,以最終實現無人值守為目標的減人、提效開采模式,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、遠程視頻監控、工作面遠程集控等關鍵技術。實現在復雜地質工作條件下整個采煤工作面的有人巡視、無人操作、遠程干預、安全高效、綠色節能的智慧運營模式。