綜機設備智能自動化集成系統的應用研究

王 博，閆冬冬

(1.鄭州工業應用技術學院，河南 鄭州 450000； 2.河南省新鄭煤電有限責任公司，河南 鄭州 450000)

1 14205綜采面基本概況

1.1 采面地質概況

14205工作面位于新鄭煤電公司14采區中部，東鄰待掘的14206工作面，南鄰14運輸上山保護煤柱，西鄰待掘的14203工作面，地面標高+134.9～+137.2 m，工作面標高-191.0～-161.5 m。采面設計可采走向660 m，傾斜長187 m，開采二1煤層，煤層傾角0°～11°，平均煤厚0.8～16.3 m，可采儲量為1 003 412 t。該采面地質條件復雜，工作面里段位于滹沱背斜軸部附近，工作面煤層整體呈一單斜構造(207°～254°∠0°～11°)，受滹沱背斜影響，斷裂構造及煤層頂、底板裂隙較為發育；工作面回采過程中將過SF63-2正斷層，同時工作面周邊發育SF62-1、SF62-2、SF64、F聯1四條正斷層，受斷層影響，可能發育次生構造，煤層松軟、頂板較破碎，同時可能出現頂板淋水、瓦斯異常等現象，為華中地區典型的“三軟”煤層。

1.2 采面回采工藝

采面回采工藝為綜合機械化放頂煤，采放平行作業，工作面采高為2.8 m(偏差≤0.1 m)，割2刀為1個循環，每循環進度1.2 m。采用等量間隔多輪次順序放煤方式放煤，采放比為1∶1.2，全部垮落法管理頂板，端頭頂煤不進行回收。采煤機進刀方式為端部斜切進刀，進刀段長度為30 m，進刀深度0.6 m，采取雙向割煤，前滾筒割頂煤，后滾筒割底煤。采煤機割煤后及時伸出伸縮梁和護幫板護頂，及時跟機移架，后部刮板輸送機不隨支架前移，拉移方式與前部刮板輸送機相同。

1.3 采面綜機設備配套選型

參照集團單位“三軟”煤層開采經驗，結合原12213、11202綜采工作面設備使用情況，同時考慮礦區內設備互換性要求和生產安全、可靠等原則，14205綜采工作面設備選型見表1。

表1 14205工作面綜機設備配套Tab.1 Fully-mechanized machine equipment for No.14205 working face

2 項目智能自動化方案

為全面實現綜采面綜機設備智能自動化，該項目對14205工作面配套的綜機設備進行集成系統控制，通過井下光纖數據傳輸，實現地面主機遠程控制井下綜機設備自動化作業，結合傳感技術采集井下地質條件動態數據反饋控制器，使設備在現場實際生產中根據煤質、負載、支撐壓力等狀況進行智能化動態調整，從而對采高、割煤速度、放煤間隔、推溜拉架、立柱補壓、液化液配比等工藝環節進行智能化控制[1]。該系統共分為六大控制部分，各部分控制原理及功能如下。集成控制系統總體結構如圖1所示。

圖1 集成控制系統總體結構Fig.1 Overall structure of integrated control system

2.1 乳化液泵站智能化供液配比系統

乳化液泵站智能化供液配比系統，由礦用乳化液自動配液站、井下綜合供水凈化站、高壓過濾站、回液過濾站系統組成。供液循環路線為：井下供水管路供水→井下綜合供水凈化站→礦用乳化液自動配液站→乳化液泵站→高壓過濾站→工作面進液管路→工作面液壓元件→工作面回液管路→回液過濾站→乳化液泵站。

此系統可實現乳化液泵自動配液、供液，當乳化液在自動配液時，液體的配比濃度5%，通過BRW400/31.5型乳化液泵站用隔爆兼本質安全型配比電控箱，控制乳化液配比裝置中的電磁水閥和配比泵來實現的。當乳化液箱中的液位降到設定的低液位時，液位傳感器發出補充液體信號給電控箱，在電控箱接收到后，將配比裝置中的進水電磁閥開啟，向乳化液箱補水，同時循環泵開啟，實時檢測乳化液箱的濃度，電控箱接收到濃度信號后，如果濃度低于設定的低濃度值，就給配比泵發送啟動信號，開啟配比泵，往乳化液箱補油，一段時間后停止，然后繼續檢測濃度，直到乳化液箱的濃度達到設定的濃度值，完成了一次補液與配液的程序[2]。同時，系統配備自動模式和手動模式，自動模式下系統按照程序和設定值自行運行；手動模式下可人工進行補水和補油動作。

2.2 工作面綜機智能化集成控制系統

綜采面智能化控制系統是綜采工作面自動化采煤的核心，是整個工作面綜機設備協調機制的大腦，通過操作人員的人機接口與監控平臺，通過建立統一的數據傳輸接口和通信規約[3]，實現與各個子系統的數據通信，將綜放工作面液壓支架、采煤機、刮板輸送機、轉載機、破碎機、膠帶輸送機、乳化液泵站、噴霧泵站、供電系統等系統集成起來，建立工作面千兆級以太環網和井下雙數據交換主機實現工作面自動化控制，利用礦井綜合自動化系統向地面傳輸，在地面主機上進行顯示，實現遠程監測以及各種數據的實時顯示、監控等。

智能化集成系統可以實現在集控中心對綜采工作面采煤機、液壓支架、刮板輸送機、轉載機、破碎機、泵站系統、供配電系統的遠程控制，工作狀態遠程監測監控、故障告警、故障記錄；實現運輸系統、泵站系統設備的一鍵啟停，故障聯鎖急停、語音告警；實現采煤機記憶截割采煤；實現工作面液壓支架自動跟機移架、推溜；實現工作面采煤機、液壓支架、運輸系統、供配電系統、泵站系統的聯動閉鎖控制[4]。當平地調度室控制主機和工作面各安設集控操作控制平臺得到遠程操作指令時，會按照預設的啟動順序，如膠帶輸送機機頭破碎機→膠帶輸送機→轉載機→前部刮板輸送機(后部刮板輸送機)→采煤機啟動順序，從而實現自動化、智能一鍵啟動化生產。同時，集中控制系統具有后臺數據庫存儲功能，能夠實現對各單機的參數、故障記錄等進行存儲。

圖2 系統集成控制方案Fig.2 System integrated control scheme

2.3 電液控液壓支架自動化系統

14205工作面液壓支架采用ZE0704型電液控制系統，該系統由支架控制器、電磁閥驅動器、隔爆兼本安型穩壓電源、中繼器、隔離耦合器、電液換向閥組、驅動器、壓力傳感器、位移傳感器、傾角傳感器、紅外線發射器、紅外線接收器等組成[5]。支架控制器可對支架進行各種動作的控制，完成支架單架和成組手動、自動動作。該系統利用電磁繼電器上電磁閥動作控制液壓閥進回液原理，實現液壓支架自動動作，它具有監測支架狀態、執行各種指令、編輯運行程序、液晶顯示屏顯示系統各種狀態等功能[6]。支架控制器操作具有點動模式、功能保持模式、功能切換模式、自動動作及遠程控制模式。

電液控制系統將液壓支架每7架分為1組，串聯至1臺控制器中。可實現液壓支架單架手動、單架自動、成組手動、成組自動、急停閉鎖等功能。在推移運輸機工序時，通過安裝在支架千斤頂行程處的傳感器，可實時監測推移千斤頂活塞桿的行程值，并將位移信號轉化為模擬信號輸送給支架控制器進行分析處理，實現對推溜距離的檢測和控制[6]。壓力傳感器用來實時檢測支架立柱下腔壓力，并將壓力信號轉化為電壓信號輸送給控制器進行分析，測量范圍0～60 MPa[7]。當壓力低于預定壓力時，電液閥芯自動開啟對立柱進行補壓，保障支架有效初撐力。同時通過遠程控制，可在平地電腦主機中操作井下任何單架或成組液壓支架進行作業動作。

2.4 液壓支架自動跟機系統

為實現采煤機割煤后，液壓支架及時推移運輸機并移架，該系統利用紅外線接收器和紅外線發射器構成采煤機位置檢測裝置，紅外線發射器安裝在采煤機上，隨采煤機往復運行，并不斷地向外發射紅外線信號[8]；紅外線接收器安裝在液壓支架上，當采煤機割煤運行過去后，接收器可以將接收到的紅外線信號轉化為模擬信號傳輸至支架控制器，支架控制器根據接收到的信號判斷采煤機的位置及運行方向，從而進行自動作業，如推移運輸機、移架、隨架噴霧、自動分組震動放煤等工藝流程。

2.5 高壓反沖洗過濾系統

考慮井下工作環境復雜，為有效阻礙雜物進入液壓管路，從而影響采面液壓支架運動，對液壓支架泵站排出的高壓液進入反沖洗過濾器的進液管，分別經過反沖換向閥進入過濾芯的外部，再經濾芯過濾后與出液管路相連，并經排出管的出口接頭而輸送到工作面的液壓支架[9]。在進液管與出液管上，分別裝有壓力表與壓力傳感器。當進液與出液管上的2個壓力表上壓力有明顯的壓差時，表示臟物已將濾芯的過濾孔堵塞了一部分，此時通過控制器參數設備，自動啟動高壓過濾器進行反沖洗，從而克服閥件堵塞現象。

2.6 工作面視頻實時監控系統

工作面視頻系統為綜放自動化系統提供對工作面開采現場、關鍵設備運行狀況的視頻輔助監測，工作面每6架安裝1臺云臺攝像儀用于動態跟蹤采煤機割煤，輸送機機頭機尾、轉載點、膠帶機機頭等關鍵區域配置共計10臺云臺攝像儀，攝像儀具備低照度、寬動態、強光抑制、水霧及煤塵穿透功能，同時每6架配置1臺礦用交換機，工作面形成千兆級工業以太網絡傳輸，對工作面煤壁的無死角覆蓋監控，自動跟隨采煤機切換前后滾筒近景與前后遠景實時視頻，通過數據傳送，將井下監視畫面實時上傳平底地面控制室，播放在地面大屏幕監視器上，可同時實現重點視頻調用、視頻存儲及監視功能[10-11]。

3 結論

隨著科學技術的發展，智能化集成控制模式已經被應用于各個行業，使智能化集成控制在礦山井下復雜的工作條件下得以應用實現。文中基于井下采面綜機設備智能自動化集成控制系統的研究，通過14205工作面回采9個月的實踐驗證，實現了以液壓支架跟機自動化技術、采煤機記憶截割技術、工作面視頻監控技術、遠程集中監控技術、自動放頂煤技術、乳化液自動配比技術為核心的六大綜放工作面智能化開采技術。有效提高了綜采面綜機設備的工作效率、降低人工經濟成本，推動了礦山井下生產智能自動化建設，可為今后綜采工作面智能化推廣與應用提供參考。