煤礦井下自動綜采關鍵工藝技術研究

李廣友

（陽煤集團壽陽開元礦業有限責任公司，山西 壽陽 045400）

引言

煤炭作為勞動密集型企業，井下綜采人員數量多、人均產能不足，已經成為限制煤礦經濟效益進一步提升的關鍵。特別是在復雜煤層條件下，采區圍巖穩定性差，在礦壓波動和綜采擾動下的巷道頂板變形量大、信號干擾大等，采煤機、液壓支架的工作過程還是以人工控制為主，缺少統一的聯合控制方法，難以實現采煤機、液壓支架的聯動運行，而且由于礦壓波動大，導致液壓支架支護過程中需要頻繁調整支護阻力，依靠人工調節不僅效率低，而且精度差，給煤礦井下的綜采作業安全造成了較大的影響。隨著自動化控制技術和高速通信技術的發展，一種新的煤礦井下自動綜采關鍵工藝逐步得到推廣應用。

1 煤礦井下高速通信系統

要實現煤礦井下的自動化控制，首先需要滿足井下數據通信便捷、高效、安全、抗干擾性的需求。通過對井下設備運行時通信量的分析，網絡通訊系統的容量至少應滿足6 GB 數據的通信需求，因此開元公司擬建立最大通信容量為10 GB的通信網絡，該網絡以工業以太網為核心，包括地面通信網絡和井下通信網絡兩個部分，中間通過雙配置交換機進行數據中轉和分析。

煤礦井下每個采區設置一個局域交換機，確保該采區內數據的分析和存儲，井下交換機選擇KJJ12 本質安全性交換機[1]，每個交換機上設置一個隔爆電源箱，確保緊急情況下交換機的供電安全性和可靠性，該通信系統具有關鍵數據優先上報功能，對關鍵數據（重大異常、過電流、短路、瓦斯等）進行標定，出現該類數據時能夠獲得優先通信權限，滿足輸出傳輸效率和安全性的需求。

井下綜采面采煤機、刮板輸送機、液壓支架均處在不斷移動的狀態，使用傳統的有線通信的方案雖然傳輸穩定性較好，但電纜過長，容易出現斷裂、損壞等，影響數據通信的穩定性。因此本文提出建立5G 無線數據通信系統，實現對回采工作面設備運行狀態信息數據的實時采集和無線傳輸，通過增加基站密度能有效克服傳統無線通信易被干擾的情況，增加了采煤機、液壓支架的運行靈活性。

2 綜采面智能控制系統

建立煤礦井下綜采面智能控制系統的目的在于實現采煤機和液壓支架的聯動運行[2]，因此該智能控制系統需要將采煤機、液壓支架的運行狀態監測和控制納入集中控制平臺，實現對設備運行狀態的聯合運行控制。新的綜采面智能控制系統包括遠程監控集中控制、電液集中控制以及紅外線位置定位模塊，其整體結構如圖1 所示。

圖1 綜采面智能控制結構示意圖

工作面在割煤過程中需要不斷調節液壓支架的支護狀態，滿足升架、移架、收放護幫板等動作，因此需要對采煤機和液壓支架的相對位置狀態進行實時監測，根據各支架相對于采煤機的位置對其支護狀態進行自動調整。為了滿足自動控制的需求，對采煤機的控制系統進行了相應的改造，形成了以記憶截割為核心的自動控制方案，首先利用作業人員人工控制采煤機完成一個循環的截割作業，系統自動對截割過程中的點位進行捕捉和跟蹤，形成記憶截割軌跡，在轉入記憶截割控制后系統自動調取相應的路徑并加以修正，滿足連續作業的需求，由于井下地質條件相對復雜，因此系統還保留了遠程視頻控制模式，能夠在復雜地質條件下轉換為人工遠程操控，滿足截割作業安全性需求。

在采煤機機身上設置有紅外線信號接收器，在每個液壓支架上設置有紅外線信號發射器，通過識別不同的紅外線信號，來判斷采煤機相對液壓支架組的相對位置狀態，根據不同的位置來控制相應液壓支架的自動跟機、移架、收放護幫板等，液壓支架的跟機控制流程如圖2 所示[3]。

圖2 液壓支架跟機控制流程示意圖

由圖2 可知，在該控制系統中采煤機機身范圍內的液壓支架均要開啟噴霧降塵裝置，滿足截割作業過程中的降塵需求，采煤機前進方向上的液壓支架開始進行收護幫板，防止截割作業過程中碰到護幫板，截割過后進行液壓支架的收架和推溜。

3 支架自動補壓控制系統

液壓支架依靠支護阻力來限制圍巖和頂板的下移，因此保證支架的支護阻力在一個合理的范圍，對提高圍巖穩定性，確保回采作業安全具有十分重要的意義，在實際支護過程中由于存在著流矸、頂板壓力波動影響等，導致液壓支架的支護壓力不斷變化，進而引起支護阻力的變動，給支護安全造成了較大影響。本文提出了一種新的支架自動補壓控制系統（見圖3）[4]，假設支架工作時的最佳支護壓力為P2，則系統設定兩個補壓下限值P1/P0，對應的在系統上設置相應的補壓延遲時間（T0/T1/T2）進行階梯式補壓，避免一次補壓過快導致的泄漏。當系統壓力下降到相應的下限值后自動激活補壓，實現了對整個液壓支架組支護阻力的自動監測和調整，解決了人工調整控制速度慢、精度低的不足，有效提升了井下支護效率和安全性。

圖3 自動補壓控制系統補壓方案

4 結論

1）5G 無線數據通信系統能夠滿足井下數據快速、便捷、安全的通信需求，解決了有線傳輸線路過程、易損壞、安全性差的缺陷；

2）井下綜采智能控制系統，利用記憶截割控制實現了采煤機的自動運行控制，利用紅外線定位系統，實現對采煤機、液壓支架相對位置狀態的自動判定，控制液壓支架執行相應的動作，實現采煤機和液壓支架的聯動運行；

3）液壓支架自動補壓系統，能夠對支架進行分階段自動補壓，確保支護過程中支架支護阻力的穩定性，實現對整個液壓支架組支護阻力的自動監測和調整，解決人工調整控制速度慢、精度低的不足。