煤礦綜采工作面自動化系統設計應用*

仝亞華

(西山煤電集團有限責任公司鎮城底礦，山西 太原 030000)

0 引 言

煤炭作為我國的基礎能源，是支撐我國工業化發展的重要保證。傳統機械化采煤使得工作面環境差，作業人員多、礦井生產安全難以保障，極大地限制了煤礦開采效率及綜采設備效能，自動化工作面的應用是目前發展重點方向 。現階段國內外許多大型煤礦均已轉型為自動化采煤，且未來煤礦開采的趨勢向智能化、自動化的方向發展，實現工作面“人少則安，無人則安”安全理念更是煤炭行業發展的目標[3-4]。筆者以鎮城底礦為研究背景，結合實際需求，對綜采工作面自動化系統的設計應用進行分析總結，為綜采自動化技術的應用及推廣提供一定的參考[1]。

1 礦井概況及現狀

鎮城底礦位于山西省古交市西北處，礦井田占地面積約 16.63 km2，礦井西北走向 6.6 km，南北走向平均寬度約為3.6 km，鎮城底礦年設計生產能力為 190 萬噸，現主要開采太原組8#、10#煤層，局部簡單偏中等，煤層平均厚度分別為3.95、3.62 m。22618工作面位于該礦南五盤區。傳統工作面工作效率低、安全保障性差。目前我國許多大型礦山均已經轉型成為自動化礦井，為順應時代的進步及提升礦井開采效率，鎮城底礦需利用科技創新提升綜采面的自動化程度，從而保證企業經濟效益。此設計將進風順槽、輔運大巷布置在同一水平，同時作為進風、行人通道和運輸，破碎機、轉載機、皮帶機布置于進風順槽，在輔助進風布置設備列車，回風順槽同樣與輔運大巷處于同一水平，承擔運料、回風、行人任務。

2 自動化工作面系統設計方案

綜采工作面自動化系統是一種綜合計算機、機電一體、自動控制等機械化技術于一身的綜合機械化運行系統，加強自動化綜采工作面的設計分析研究，通過采煤機實時定位、視頻監控及供配液等提升工作面集約化管理，在保障安全的基礎上，實現降低勞動強度及成本管控目標。

2.1 電液控制系統組成

鎮城底礦22618工作面采用SAC電液控制系統對工作面液壓支架進行控制，電液系統主要由壓力傳感器、行程傳感器、支架控制器、電液換向閥、電源箱等組成，通過監控系統與顯示裝置進行連接，實時反應液壓支架整體工作情況。在每臺液壓支架上配合支架控制器，通過順序連接形成液壓支架將整體信號網絡網，通過數據信號傳輸，將工作面整體礦壓信息進行集中匯總，進行集中監控。工作面電液控制系統配置連接圖如圖1所示。

圖1 工作面電液控制系統配置連接圖

設定的SAC液壓控制系統可以實現工作面的液壓支架參數修改，支架立柱與推移行程的顯示與監測，同時對采煤機的行走位置進行監測，計算工作面推進距離等工作，最為重要的是實現液壓支架數據與采煤機數據的交互，從而實現綜采面自動化控制。

2.2 采煤機自動化控制

綜采面選用新型CAN總線系統采煤機，采煤機支持多種外接接口如485現場總線、CAN現場總線等，同時通過多線協議達到控制精度。通過采用CAN總線可以有效的提升采煤機的實時性及運行穩定性，提升采煤機數據的傳輸速度及數據處理速度，通過ifix組態編程對其進行集中控制。CAN總線系統具有可以避免由于工作面與順槽位置較遠及工作面環境惡劣等特點，通過載波通訊提升通訊穩定性，同時總線系統包含自動割煤及回采三角煤功能，通過對不同運行程序的切換，達到中部、兩端端頭的全自動化割煤任務。

采煤機實時監控系統，采用快速通訊網絡及穩定工作環網進行傳輸，通過編寫遠程監控程序及組態化畫面設計，達到工作面設備的在線遠程監控。通過對現場環境、作業環境、運行狀態等進行實時顯示，為管理人員提供決策依據。通過動力載波技術將監測數據傳輸至監控系統，實現地面及順槽的遠程控制。系統由隔爆計算機、視頻客戶端、組態客戶端及操作臺等組成，達到實時監控液壓支架、采煤機運行視頻畫面的操作[2]。為了保證采煤機運行安全性，在采煤機的機尾布置瓦斯傳感器，將瓦斯傳感器的數據傳輸至順槽監控主機，達到采煤機運行及瓦斯濃度監測的聯動，采煤機牽引雙速度及瓦斯濃度聯動系統圖如圖2所示。

在綜采工作面輔助運輸巷布置列車設備，系統采用KTC101控制系統，控制系統為雙系統控制，其中一套為皮帶控制系統，另一套為工作面控制系統，兩套系統通過KFD101-A智能終端進行耦合連接，雙系統通過工業環網將系統數據實時傳輸至地面數據服務器上，通過ifix進行組態編程，實現一鍵啟停控制。工作面控制系統在轉載機機頭位置布置KTC101-IC擴音器，用于控制破碎機及轉載機，同時每沿工作面走向15 m間隔位置布置KTK101-1電話，電話間用25 m的電纜進行連接，在末端電話位置安裝終端。皮帶控制系統在沿線位置布置本質安全型閉鎖開關及KTK101-2-HA組合擴音器，同時在皮帶機頭布置KJS101-8(12)下機位，保護機頭檢測。

圖2 采煤機牽引雙速度及瓦斯濃度聯動系統圖

2.3 視頻監控系統

視頻系統是管理人員清楚檢測采煤現場及運行設備管理的重要保證，通過在液壓支架上部安裝視頻監控儀，將連接器與綜合接入器進行相連，實時將工作面視頻信號基于太網傳輸至順槽監測中心計算機端，達到工作面工況的監測，同時濃度傳感器同樣將監測數據傳輸至順槽監控中心端，完成數據的集中控制。工作面視頻監控系統單元配置如圖3所示。

圖3 工作面視頻監控系統單元配置如圖

在實際工作工程中，發現工作面壓力機流量不足，需要調節乳化液泵的數量，為滿足生產需求，最終確定，通過供液泵直接輸送至液箱，通過加壓后輸送至工作面，泵站裝有乳化箱、水箱、軟化水凈化裝置，泵站設備通過PLC控制系統進行控制，實現自動化控制。

在完成分部設計后，設計一款語音通訊系統，用于覆蓋整個工作現場，通過語音播報功能，對任何操作信息和報警信息進行反饋，并由機載顯示屏進行顯示，通過工業環網與各區域間的通信連接，實現集中控制，統一調度的目的。如圖4所示。

圖4 語音通訊系統

3 應用分析

對綜采面自動化控制系統進行應用研究，發現設計的自動化控制系統達到如下成果：①液壓支架支護質量明顯提升，瓦斯及滾幫現象得到有效控制；②液壓支架實現電液控制，監控系統可實時顯示液壓支架支撐力，保證了支護質量；③實現運輸系統、支架及工作面的三集中控制，提升工作效率；④頂板壓力實時顯示，為礦壓控制提供一定的依據；⑤提升了工作面自動化程度，減少工作面人員，提升了工作面人員安全程度，同時優化了工藝環節。在三個月的使用過程中，未有設備出現故障及大型零件更換，提升了設備運行效率[3]。自動化控制系統如圖5所示。

自2020年10月1日至2021年3月底,22618工作面的產量為76.85萬噸，其中材料費433.79萬元，噸煤成本為5.93元/噸，比原工作面噸煤成本降低 4.08元/噸。同時經過設計的自動化綜采面比普通綜采面在此時間段內多生產22萬噸煤，降低成本380余萬元，自動化改造方案可行。

圖5 自動化控制系統

4 結 語

以鎮城底礦22618自動化工作面為研究背景，對工作面自動化進行設計應用實踐，重點對工組面液壓支架電液控制、采煤機自動化控制、運輸系統集中控制、視頻監控系統等進行應用分析，給出了綜采工作面自動化控制設計方案，通過實踐應用，可有效提升工作面自動化程度，減少工作面人員，提升了工作面人員安全性，為礦井自動化開采提供一定的參考。