錦界煤礦智能礦山自動化開采技術與應用

陳拓其，趙祥岍，鐘 凱，高振國

(1.榆林職業技術學院 礦業工程系，山西 榆林 719000； 2.中國礦業大學 礦業工程學院，江蘇 徐州 221116；3.神東錦界煤礦，山西 榆林 719001)

伴隨國民經濟的發展，能源與環境問題愈發突出。當前我國對能源需求量空前提高，而作為新能源代表的水能、風能、核聚變能及地熱能等受限于現階段開發技術，無法支撐我國經濟、科技等發展[1]。雖然，近年來，煤炭在我國能源結構中占比不斷降低，但緩慢下降趨勢表明，煤炭短期內仍是無法被取代的資源。研究安全、經濟、高效的煤炭開采技術，是實現我國能源可持續發展的有效途徑和必由之路[2]。綜合機械化裝備于上世紀70年代引入我國，經過40多年發展，我國綜合機械化裝備發展從消化吸收到完成創新趕超、引領發展的巨大突破[3-8]。煤炭產能大幅提升，煤礦百萬噸死亡率大幅下降[9-11]，但井下以人工操作為主要生產手段的狀況并未改變，只有將工人從生產崗位解放出來，僅需少量人員巡檢，才是實現煤礦安全生產的發展方向[12-15]。根據國家提出“中國制造2025”的發展目標及工業智能化發展的方向，建立“機器替代人工”、工作面少人化、無人化的智慧礦山、煤礦向智能化轉型發展是必然趨勢，是順應當代工業發展的必然結果。

近些年，國內專家根據我國煤炭賦存形式多樣的條件，針對性展開了系統研究，王國法院士等人分析了我國煤礦智能化初級階段發展的任務、目標以及研究難點，提出了智能化煤礦總體架構，并完成超大采高綜采智能化成套裝備研發，使我國裝備智能化水平走在世界前列[6-8]；峰峰集團薛村礦通過改進液壓支架、采煤機等裝備實現薄煤層無人自動化開采，年產量提高至百萬噸[11]。十九大以來，我國進入偉大復興高速發展時期，國家能源集團作為我國能源領軍企業，在黨中央領導下，正努力建設具有全球競爭力的世界一流能源集團，選擇了神東錦界煤礦作為智能礦山自動化開采項目試點，共包括1個平臺(智能礦山平臺)，2個系統建設(生產控制系統、生產執行系統)和采掘設備、主運系統等21個子系統自動化改造及井上下IT基礎設施建設。

1 智能礦山自動化開采建設

榆神礦區位于陜西榆林市北部神木縣以西，錦界煤礦是該礦區二期規劃重點建設的礦井。錦界煤礦東西長12 km，南北長12.55 km，原設計生產能力10 Mt/a。礦井采用斜井、平硐、立井聯合開拓，主運輸系統均采用集控化膠帶輸送機，輔助運輸任務由無軌膠輪車完成。

1.1 礦山自動化建設原理

智能礦山自動化開采技術以實現井下綜采、連掘工作面自動化作業和運輸、通風、排水、輔助運輸自動一體化操作為目標，以采煤機和液壓支架的截割、跟進相互配合與破碎機和靈敏感知的遠程監控操作為手段，以建設智能平臺、生產控制、執行系統為核心，實現信息采集全覆蓋、數據資源全共享、統計分析全自動、業務管理全透明、人機狀態全監控、生產過程全記錄。

1.2 礦山自動化建設方案

錦界智能礦山建設總體規劃為5層架構，智能礦山自動化管理架構如圖1所示。

圖1 智能礦山自動化管理架構Fig.1 Intelligent mine automation management architecture

重點針對生產控制層和生產執行層內容進行改造建設，智能礦山建設主要內容如圖2所示。

圖2 智能礦山建設主要內容Fig.2 Main contents of intelligent mine construction

2 系統自動化控制技術

2.1 工作面設備控制技術

通過在工作面安設無線通訊設備，實現集中控制器對采煤機、支架和輸送機遠程控制。采煤機根據開切眼記憶軌跡進行割煤，記憶軌跡可由集控器重新設置。同時，改造了采煤機電控系統，加裝了定位、傾角、采高傳感器和煤巖識別設備，數據經集控系統處理后傳至支架電控系統，完成跟機移架作業。采煤機在工作面行走時根據監測D齒輪脈沖來確認煤機位置，以支架編號來確認煤機位置，精確到0.1支架。在左右牽引部上安裝有復位傳感器，在機頭尾過渡槽幫上焊接有復位磁鐵，當煤機行走靠近磁鐵時系統監測到復位信號，自動修正采煤機位置，為兩端極限位置停機提供保障。液壓支架均安裝了紅外發射器，配合煤機定位傳感器，使集控系統對采煤機精確定位并控制直接提前收起或追擊伸出護幫板，采煤機定位修正原理如圖3所示。轉載機設有負荷傳感器，當載荷量過大時，集控系統接收數據，對刮板輸送機發出停機命令。

圖3 采煤機定位修正原理Fig.3 Schematic diagram of coal machine positioning correction

2.2 泵站控制技術

通過在泵站安設溫度、壓力傳感器實現對泵站運行時溫度、油壓、水壓、各管路壓力進行實時監測，集控系統根據反饋壓力和溫度控制電磁閥，實現泵站加載、卸載及停泵的操作。

2.3 無線通信技術

為實現工作面與調度中心數據的高速傳輸，通過在綜采工作面和兩側巷道等距安裝無線通訊綜合分站，由集控系統各分站經連接，實現工作面巷道無線網絡全覆蓋，同時，通過搭建井下萬兆工業環網，完成IT基礎建設。

2.4 視頻監控技術

為實現無人操作設備作業，分別在液壓支架、采煤機機身和搖臂、刮板輸送機機和機尾以及馬蒂兒安裝可轉動監控攝像頭。具體技術如下：①每隔4架液壓支架安裝1個可轉動監控攝像頭完成對工作面無死角監控，同時，每隔10架液壓支架安裝一個紅外傳感器，在攝像清晰度差時，完成采煤機紅外輔助成形；②采煤機上攝像頭用于對機身核心部位、搖臂實時監控以及補充機身前方工作面視頻影像，攝像頭由集控系統控制隨采煤機運行轉動；③輸送機和攝像頭主要用于監控煤流狀態和是否有無法運輸的大塊煤。

3 綜采工作面生產應用

3.1 “十二工步”自動割煤工藝

錦界煤礦由集控系統控制進行的綜采工作面自動化采煤技術已在31115、31214、31410工作面成功應用，并形成了該技術下的“十二工步”綜合機械化自動割煤工藝，主要通過設置自動化割煤區間和兩端三角煤折返點可以控制采煤機在指定點執行規定割煤動作。“十二工步”自動割煤工藝流程如圖4所示。

圖4 “十二工步”自動割煤工藝流程Fig.4 "Twelve Steps" automatic coal cutting process flow

具體操作步驟如下:①機頭到機尾區間，根據記憶采高臥底調整左右滾筒高度；②機尾極限位置，停牽引、滾筒換向、自動返刀，反向牽引；③機尾極限位置到機尾三角煤折返點，采煤機進煤窩，根據設定高度值調整前滾筒(左滾筒)高度；④機尾三角煤折返點，停牽引、滾筒換向、自動返刀，反向牽引；⑤機尾三角煤折返點到機尾極限位置，根據記憶采高臥底調整左右滾筒高度；⑥機尾極限位置，停牽引、滾筒換向、自動返刀，反向牽引；⑦機尾到機頭區間，根據記憶采高臥底調整左右滾筒高度；⑧機頭極限位置，停牽引、滾筒換向、自動返刀，反向牽引；⑨機頭極限位置到機頭三角煤折返點，采煤機進煤窩，根據設定高度值調整前滾筒(右滾筒)高度；⑩機頭三角煤折返點，停牽引、滾筒換向、自動返刀，反向牽引；機頭三角煤折返點到機頭極限位置，根據記憶采高臥底調整左右滾筒高度；機頭極限位置，停牽引、滾筒換向、自動返刀，反向牽引。

3.2 實施效果

(1)首次實現了采煤機的雙向雙軌跡自動記憶割煤功能；成功解決了采煤機機頭機尾割透不自動返刀或誤抬刀等問題；杜絕記憶割煤過程中煤機滾筒誤割轉載機的現象；減少了采煤機自動割煤工藝過程中人工干預工作量和自動割煤加甩刀對記憶數據的準確性的影響；有效補充了記憶割煤過程中控制不足。

(2)減少了正常生產時工作面作業人員，同時采煤機司機主要由實際操作變為觀察和干預，大大降低工作強度，減少員工職業健康危害；將控制臺，馬蒂兒及機頭工3個崗位合并，在馬蒂兒處安裝集控系統，只需1人即可完成3個崗位工作，實現綜采工作面自動化后可極大程度上節約人工成本。

(3)“十二工步”自動割煤工法在神東錦界煤礦31115、31214、31410綜采工作面成功使用。

3.3 存在問題

(1)錦界煤礦已實現綜采工作面自動化作業，但仍需要人員巡視，距離自動無人化開采和智能化開采需要繼續突破集控、煤巖識別等核心技術。

(2)系統穩定程度不足，遇到特殊地質構造和工作面割三角煤進刀時，集控系統操作誤差大，遠程操作效果不理想，需要人工干預作業。

(3)監控清晰度有限。工作面生產時煤巖粉塵以及降塵水霧會對影像采集清晰度有很大影響，需要進一步精化井下監測設備布置和提高設備除塵能力。

4 結論

(1)介紹了錦界煤礦集控系統設計和各子系統控制技術，能夠實現集控系統控制下三機配合割煤，轉載機超載停刮板輸送機以及工作面無死角監控，為進一步透明工作面數字化的建立奠定了基礎。

(2)通過設置自動化割煤區間和兩端三角煤折返點可以控制采煤機在指定點執行規定割煤動作，將自動化割煤循環細分為12工步。

(3)“十二工步”自動割煤工藝實現了遠程操控采煤，保護從業人員安全健康，提高了設備作業效率，實現煤礦由勞動密集型向技術密集型轉變；通過“機械化換人、自動化減人”保障礦井安全生產，社會效益顯著。