采煤工作面綜合自動化系統研究

杜 偉

（汾西礦業新產業發展有限責任公司綜合修配廠， 山西 介休 032000）

引言

采煤工作面煤炭開采主要通過采煤機、液壓支架、刮板輸送機等設備相互配合實現，提高采煤工作面開采設備綜合自動化水平，對提升煤炭開采效率、安全保障能力等均有顯著的促進意義[1-3]。現階段礦井采煤工作面綜采設備控制存在功能不完備、不同設備間聯動需要手動控制等問題，無法滿足煤炭高效生產需要[4-5]。為此，文中以山西某礦20305 綜采工作面煤炭開采為工程背景，依據采面實際情況對工作面綜合自動化系統進行研究，以期能在一定程度上提升采面煤炭生產效率。

1 20305 綜采工作面工程概況

山西某礦20305 綜采工作面回采3 號煤層，煤層厚度3.5 m、埋深350 m、傾角6°，采面設計走向長280 m、推進距離1 105 m，開采范圍內煤層賦存條件較好，回采巷道掘進以及物探探測均未發現有對生產影響較為明顯的褶曲、斷層等地質構造，具體采面開采設備配備情況見表1 所示。3 號煤層頂板為砂質泥巖、粉砂巖，質地堅硬，局部發育層理發育；底板黏土巖強度及承載能力較低，遇水容易膨脹。

表1 采面綜采設備配備情況

為提升礦井煤炭綜合開采效率，改善采面作業人員工作環境質量并降低勞動強度，提出在20305綜采工作面回采期間采用綜合自動化控制技術，以期通過該技術實現綜采設備的自動化控制。文中就對采面使用的綜合自動化系統結構、功能以及現場應用情況進行詳細闡述。

2 自動化控制系統方案

2.1 綜采設備運行分析

20305 綜采工作面內綜采設備主要由采煤機、液壓支架、刮板輸送機、破碎機以及帶式輸送機等構成，其中采煤機、液壓支架以及刮板輸送機等是煤炭開采的核心設備。20305 綜采工作面使用的MG500/1180WD 由截割部、牽引部、電氣裝置以及輔助裝置等構成。

采煤機在刮板輸送機導軌上運行，并通過電機牽引機構提供運行動力，利用前后截割滾筒割煤，并調整滾筒截割高度、采煤機形式方向等實現采面煤炭截割。液壓支架用以支撐采面頂板，同時推移刮板輸送機。具體綜采設備運行見圖1 所示。

圖1 綜采設備運行示意圖

2.2 自動化控制系統結構

自動化控制系統結構包括巷道監控中心、地面遠程監控中心以及設備控制層等[6-7]。巷道監控中心用以井下調度指揮，實現采面內視頻監控、綜采設備控制參數調整，并依據采面現場情況向“三機”控制器發出指令，調整“三機”運行狀態；巷道監控中心配備有隔爆電源、支架控制器以及三機控制器。綜采設備控制層包括采煤機、液壓支架以及刮板輸送機等控制系統，按照“三機”控制器發出指令完成動作控制。具體采面自動化控制系統結構見圖2 所示。

圖2 采面自動化控制系統結構圖

自動化控制系統應用目的是解決綜采工作面“三機”協同控制問題，具體功能為：

1）采煤機在割煤前按照預先設定順序依次啟動刮板輸送機、噴霧降塵裝置，采煤結束后依次關閉各設備運行；

2）控制系統采集采煤機運行狀態、位置以及速度等信號，并自動實現液壓支架前移、推溜等工作；

3）監測刮板輸送機負載，控制采煤機推移速度，確保刮板輸送機負載在合理范圍內；

4）自動化控制系統可采用傳感器實時采集“三機”運行參數，并傳輸到上位機存儲、顯示。自動化控制系統中巷道監控中心采用現場總線方式與“三機”控制器進行數據傳輸，“三機”控制器則通過RS485串口通信方式連接各個設備，實現設備間信息傳輸。

2.3 自動化控制技術

采面自動化控制系統采用的技術方案見圖3 所示。“三機”控制器根據采煤機位置信號向液壓支架控制器發出指令，實現液壓支架前移自動控制。液壓支架控制器間采用總線組網，與驅動器、電源以及傳感器等相互配合組成液壓支架控制系統，采用的傳感器主要包括位移傳感器、壓力傳感器；刮板輸送機結構包括液力耦合器；電機、運輸結構以及減速器等，在運行過程中可通過監測工作電流預測刮板輸送機負載，在確保刮板輸送機可靠運行前提下充分發揮刮板輸送機運載能力。

圖3 自動化控制系統運行控制技術框圖

3 自動化控制系統硬件結構

3.1 “三機”控制器

“三機”控制器是綜采工作面自動化控制系統中的核心組成設備，負責“三機”運行參數監測以及協同控制。“三機”控制器對接收到的采煤機、刮板輸送機以及液壓支架等運行參數，并依據采煤機速度、位置等向液壓支架控制器發出指令，“三機”控制器需要向各設備發出動作指令，因此對通信接口模塊可靠性以及功能要求較高。

依據現場需要，在20305 綜采工作面自動化控制系統中選用的“三機”控制器為S7-300PLC，該設備CUP 型號為CPU317-2PN/DP，具備有各模擬量輸入、輸出模塊，供電采用24 V 開關電源。S7-300PLC 運行計算速度控制在1 μs，隨機有DP 接口，便于采煤機、液壓支架以及刮板輸送機等控制系統組網通信。

3.2 傳感器

在自動化控制系統中需要對采煤機運行速度、位置等參數進行實時采集，具體可通過在減速器上安裝編碼器（HEDS-5540）實現，編碼器額定工作電壓5 V、防塵能力5G、每轉脈沖數500，可滿足采煤機監控需求。

液壓支架采用SLM211 壓力傳感器監測立柱壓力，測定范圍0～80 MPa；液壓支架行程監測采用GUD960 傳感器，最大監測行程960 mm。刮板輸送機工作電流監測采用CLD200 傳感器，測量誤差控制在±0.2%（FS）。

4 結語

實現綜采工作面內主要開采設備的綜合自動化控制對提升煤炭開采效率以及安全保障能力等均有顯著促進意義。以20305 綜采工作面為工程背景，針對采面實際情況設計了自動化控制系統，該系統可實現采煤機、液壓支架以及刮板輸送機運行參數的監測、傳輸、處理等，有效提高采面開采設備綜合自動化水平，并避免設備配合失誤導致的各類故障發生。20305 綜采工作面通過使用綜合自動化控制系統，有效提高了采面生產效率。