礦井自動化綜采關(guān)鍵技術(shù)的研究

廖振華

（山西寧武德盛煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036700）

引言

隨著煤炭市場競爭的不斷加劇，各煤炭生產(chǎn)企業(yè)不斷對綜采技術(shù)方案進行升級，提升井下綜采作業(yè)效率和自動化程度。但由于煤礦井下地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜、作業(yè)環(huán)境惡劣，在綜采作業(yè)過程中的遠程監(jiān)測均是通過各類傳感器進行，直觀性差、無法準(zhǔn)確判斷傳感器的工作狀態(tài)是否完好，而且對液壓支架支護狀態(tài)的監(jiān)測準(zhǔn)確性差，無法及時對支架的支護姿態(tài)進行判斷和調(diào)整，導(dǎo)致采煤機綜采作業(yè)過程中經(jīng)常和液壓支架出現(xiàn)片幫異常情況，給井下的綜采作業(yè)效率和綜采作業(yè)安全帶來了嚴(yán)重的隱患。因此需要在井下配備專業(yè)的人員對各類傳感器的運行狀態(tài)和液壓支架的支護狀態(tài)進行判斷和調(diào)整，而利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和高清攝像技術(shù)建立的井下高清視頻實時監(jiān)測系統(tǒng)、液壓支架姿態(tài)智能監(jiān)測和防片幫控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)“無人”化綜采作業(yè)。

1 自動化綜采控制系統(tǒng)

自動化綜采控制系統(tǒng)主要以物聯(lián)網(wǎng)為核心，將采煤機、液壓支架、刮板輸送機等綜采面作業(yè)設(shè)備連接起來，通過大量的傳感器來實現(xiàn)對各設(shè)備運行狀態(tài)的實時監(jiān)測，通過采集大量的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)和綜采作業(yè)流程優(yōu)化，設(shè)置各個設(shè)備運行間的邏輯控制關(guān)系，從而實現(xiàn)對井下綜采作業(yè)過程的自動化控制，該自動化聯(lián)控系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]。

由圖1可知，該系統(tǒng)以主動感知和自動決策為核心，主動感知主要是通過在各類設(shè)備上添加壓力傳感器、傾角傳感器、位置傳感器、高清視頻攝像儀，實現(xiàn)對井下綜采作業(yè)過程的全過程監(jiān)測。自動決策是指通過對各設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)測結(jié)果的匯總，綜合判斷各設(shè)備運行狀態(tài)是否滿足聯(lián)合綜采的需求，自動對設(shè)備運行狀態(tài)進行調(diào)整，實現(xiàn)無人化值守作業(yè)。在系統(tǒng)運行過程中，各個設(shè)備的監(jiān)測信息均通過以太網(wǎng)絡(luò)進行傳遞，滿足數(shù)據(jù)傳輸安全性和快速性的需求。

圖1 自動化綜采控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

該系統(tǒng)采用了模塊化的設(shè)計思想，能夠根據(jù)不同煤礦綜采面的布置結(jié)構(gòu)，靈活選擇智能控制系統(tǒng)中的設(shè)備，具有可靠性高、穩(wěn)定性好、適應(yīng)性強的特點。

2 高清視頻監(jiān)測系統(tǒng)

由于井下液壓支架組數(shù)量大，為了減少高清視頻監(jiān)測系統(tǒng)的投入同時最大限度地消除視覺盲點[2]，因此采用了具有旋轉(zhuǎn)功能和俯仰角調(diào)節(jié)功能的高清視頻監(jiān)測儀，為了確保在低可見度下的監(jiān)測準(zhǔn)確性，視頻監(jiān)測系統(tǒng)還具有紅外補光的功能。攝像設(shè)備具有防爆、防水功能，配有自動清洗裝置，定期自動進行噴淋清洗，確保監(jiān)測的清晰度。

根據(jù)井下液壓支架和采煤機的布置關(guān)系，結(jié)合視頻監(jiān)測設(shè)備的性能參數(shù)，以6個支架為一個監(jiān)測小單元，攝像機安裝在中間支架的頂梁上，以視頻監(jiān)測設(shè)備能夠監(jiān)控到范圍內(nèi)截割滾筒的截割情況為準(zhǔn)。為了滿足井下復(fù)雜環(huán)境下，視頻信號傳輸?shù)木_性和快速性，系統(tǒng)以工業(yè)以太網(wǎng)為數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的核心，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群桶踩訹3]，見圖2。

圖2 井下高清視頻監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3 支架姿態(tài)智能監(jiān)測和防片幫控制系統(tǒng)

對液壓支架支護狀態(tài)的監(jiān)測，主要是通過在支架上設(shè)置傾角傳感器、壓力傳感器、行程傳感器等，通過對支架支護高度、支護俯仰角、液壓缸工作壓力的監(jiān)測來判斷支架的支護狀態(tài)，對支架的最大支護高度、俯仰角度等設(shè)置超限報警，報警后系統(tǒng)自動對支護狀態(tài)進行調(diào)整，避免支架出現(xiàn)支護失穩(wěn)現(xiàn)象。為了避免在調(diào)節(jié)過程中各支架因支護高度不同而導(dǎo)致的煤矸石從夾縫中滑落傷人的情況，設(shè)置兩個相鄰支架間的支護高度差不能超過400 mm[4]，否則會觸發(fā)報警，并自動調(diào)整。

由于綜采作業(yè)高度越大，作業(yè)過程中越容易發(fā)生片幫現(xiàn)象，因此在大采高支護作業(yè)時，需要對支架的支護壓力和強度進行監(jiān)控，若各個支架超壓嚴(yán)重說明存在較大的片幫和冒頂隱患，因此控制系統(tǒng)發(fā)出報警控制信號，對液壓支架進行自動補壓和支護狀態(tài)調(diào)整，防止綜采作業(yè)過程中出現(xiàn)片幫和冒頂事故。

在液壓支架的頂部設(shè)置有接近傳感器，用于對支架護幫板是否到位進行檢查，若回收到位則不會觸發(fā)警戒信號，若出現(xiàn)回收不到位情況，則系統(tǒng)發(fā)出聲光報警同時控制停止采煤機的進給綜采作業(yè)，防止采煤機和液壓支架發(fā)生碰撞。

通過對該礦井自動化聯(lián)控綜采技術(shù)的實際應(yīng)用，煤礦井下綜采面的單班作業(yè)人員由53人降低到了目前的25人，作業(yè)人數(shù)降低了52.8%，顯著提升了煤礦井下的綜采作業(yè)自動化程度。

4 結(jié)論

1）依此設(shè)計的采用模塊化的設(shè)計思想，能夠根據(jù)不同煤礦綜采面的布置結(jié)構(gòu)，靈活地選擇智能控制系統(tǒng)中的設(shè)備，自動化聯(lián)控系統(tǒng)具有可靠性高、穩(wěn)定性好、適應(yīng)性強的特點；

2）高清視頻監(jiān)測系統(tǒng)能實現(xiàn)對井下綜采作業(yè)過程的高清監(jiān)控，實現(xiàn)了對綜采面采煤機、液壓支架的工作狀態(tài)進行全方位的可視化監(jiān)測；

3）支架姿態(tài)智能監(jiān)測和防片幫控制系統(tǒng)，能夠有效地提高支架支護的穩(wěn)定性，避免掘進作業(yè)過程中采煤機和支架的碰撞，提升了井下綜采作業(yè)安全性；

4）新的聯(lián)控綜采技術(shù)能夠?qū)⒕C采面作業(yè)人員數(shù)量降低52.8%，極大地提升了井下綜采作業(yè)的自動化程度。