綜采放頂煤工作面智能化開采技術在蒲白建新礦的應用

王軍勝

(陜西陜煤蒲白礦業有限公司,陜西 渭南 715517)

0 引言

近年來，蒲白礦業圍繞“創新、安全、高效、智能、綠色”五大發展理念，積極開展綜放智能開采工程實踐，聯合中國煤炭科工集團、西安重工裝備制造集團有限公司、寧夏天地奔牛實業集團有限公司、德國瑪珂公司(MARCO)等技術研發和裝備制造單位，共同攻關，在引進、吸收和消化智能開采技術應用的基礎上，將蒲白建新煤化公司4212工作面作為智能開采科研工作面，從2020年12月至2022年6月進行工程建設與實踐應用。將智能控制系統與機械化設備相結合，通過智能化控制系統全面感知、自學和決策，形成順槽和地面遠程操控采煤模式，實現液壓支架、采煤機、刮板輸送機等自主執行功能，通過采煤機記憶割煤、液壓支架自主跟機移架、高清攝像頭視頻監控等技術裝備，將工作面操作工變為遠程在線監控員，實現無人跟機作業，有人安全巡視，工作面操作工減少5人，實現工作面智能化開采階段性目標。

1 智能開采工作面地質條件

智能開采工作面為建新煤化公司4212工作面，該工作面埋深+570～+648 m，煤厚7.2～8.46 m，煤層傾角2°～4°，自然地壓顯現明顯。工作面頂板以灰色中粒長石、石英砂巖為主，次為灰黑色、深灰色粉砂巖與細砂巖互層；底板以灰雜色炭質泥巖為主、含少量灰白色泥質砂巖。4212工作面切眼長度215 m，走向長度2 045 m，可采儲量457萬t，生產能力307萬t/a，服務年限17.8個月，與相鄰4210工作面采空區區段煤柱寬度為9 m。

2 工作面智能開采概述

4212工作面集成控制系統主要由4部分組成，即工作面綜采單機設備、順槽監控中心、采煤機精確定位系統和支架電液控制系統。

綜采單機設備：包括支架電液控制系統、采煤機控制系統、三機通信控制系統、泵站控制系統、工業視頻系統、人員定位系統、智能煤流控制系統。

順槽監控中心：由操作室、工業計算機、本安顯示器、數據交換機、電液控主機組成，具備顯示4212智能綜采工作面狀態、智能子系統集控、工作面攝像頭、設備運行狀態監測、工作面環境和人員狀態，地面向工作面通話、工作面設備“一鍵啟停”等功能。

采煤機精確定位系統功能：采煤機慣導系統由高精度陀螺儀、紅外傳感器、特高射頻無線定位發射器組成，射頻發射裝置從陀螺儀傳感器獲取采煤機行走狀態數據、采煤機割煤曲線和運輸機全長度位置曲線，通過精準推移，實現工作面調直控制功能。

支架電液控制系統主要功能：支架電液控制系統由支架服務器、支架控制器、液壓換向閥、傳感器等設備線纜組成。顯示支架運行狀態和傳感器信息，遠程控制支架的動作，具備支架單架動作和自動跟機功能，實現主動操作單架、成組跟機移架動作，推拉溜、護幫伸收、拉后溜、伸縮梁伸收等動作，如圖1所示。

圖1 智能綜放工作面集成控制系統示意Fig.1 Schematic diagram of the integrated control system of the intelligent fully mechanized caving face

3 智能化開采技術特征

3.1 液壓支架跟機拉移技術

液壓支架跟機自動拉移技術是指以采煤機位置為基準，結合礦井工作面頂板壓力、傾角、液壓支架姿態、采煤機運行狀態等信息，確定適合的割煤工藝，自動決策并控制液壓支架中部跟機、端頭清浮煤、轉載機自動推進等動作，液壓支架實現跟機自動化工藝，包括采煤機位置的確定、設備正常運行、設置合理的液壓支架電液控制系統、合理的采煤機割煤速度，保證工作面平穩推進，如圖2所示。

圖2 智能綜放工作面支架電液控制界面Fig.2 Electro-hydraulic control interface of intelligent fully mechanized caving working face support

3.2 采煤機記憶截割技術

采煤機記憶截割技術是指在實現液壓支架跟機自動化的基礎上，結合支架跟機階段和象限空間轉換點，將采煤機記憶割煤空間象限分割，按照示范刀所記錄的工作參數、姿態參數、滾筒高度軌跡，進行智能化運算，形成記憶截割模板，在自動截割過程中不斷修正誤差，確保工作面液壓支架自動化控制與采煤機記憶割煤切換的準確匹配，實現自動調高、臥底、加速和減速等功能，降低人工干預的頻率，提高工作面自動化跟機生產效率。智能綜放工作面采煤機截割控制界面，如圖3所示。

圖3 智能綜放工作面采煤機截割控制界面Fig.3 The cutting control interface of the shearer in the intelligent fully mechanized caving face

3.3 遠程集中監控技術

遠程集中監控中心對三機(刮板輸送機、轉載機、膠帶輸送機)、泵站和液壓支架等設備進行集中監測和控制，匯總三機、泵站、開關、電液控主機和采煤機主機監控數據，再將這些數據分發給各個主機，如圖4所示。

圖4 智能綜放工作面三機控制界面Fig.4 The three-machine control interface of the intelligent fully mechanized caving face

3.4 液壓泵站控制技術

液壓泵站由泵站控制器、就地控制箱、傳感器及通信電纜等組成。實時檢測泵站的運行工況，即泵站溫度、壓力、乳化液配比濃度、液位流量等參數，泵站具備運行故障報警顯示功能，實現泵站智能遠程控制啟停和智能運行。

3.5 工作面視頻監測技術

視頻監測技術將人的視聽感官延伸到工作面，通過安裝在工作面支架上的攝像儀，實時跟蹤監測采煤機、支架、刮板輸送機運行狀態，完成視頻跟機推送、紅外補光、存儲等功能，為工作面可視化遠程監控提供“身臨其境”的視覺感受，服務遠程協調指導安全生產。

3.6 輸送機通信控制技術

輸送機通信控制系統由控制器、本安電源、組合擴音電話、皮帶保護、通訊拉力電纜和智能終端等組成，對刮板輸送機、轉載機、破碎機、順槽皮帶運行狀態實時遠程監控功能，實現刮板輸送機、轉載機、破碎機、順槽皮帶的集中控制。

3.7 智能煤流控制系統

通過煤量檢測儀掃描煤流量，控制系統根據煤流量大小、電機實時輸出功率及有效做功，實時調節前后部刮板輸送機鏈條速度，保證刮板機運輸效率最優，降低刮板輸送機磨損及功耗，延長使用壽命。

4 面臨難題

煤礦開采系統綜合復雜，點多、線長、面廣，主要作業場所動態變化，因此智能化建設受到諸多因素制約，主要是采場條件，具體煤層地質變化、礦壓顯現、災害等。其次是生產布局、裝備可靠性、作業人員素質等。根據中煤集團、陜煤集團等大型煤炭企業智能化開采技術探索成果與實踐經驗，結合蒲白智能開采實踐，提出智能開采存在急需解決的問題。

4.1 智能開采不能常態化

智能綜采工作面裝備的可靠性、穩定性有待提高，特別是高精度傳感、高清視頻傳感器等關鍵部件容易損壞。比如，國產采煤機、電液控制系統等故障率26%，自動跟機拉架不能一次執行到位，慣性導航、雷達等精確度不高，無法實現智能工作面開采常態化運行，需人工周期性干預。

4.2 地質保障對智能開采支撐能力不足

現有智能開采設備適合在簡單地質條件下推廣應用，對復雜地質條件的適應性較差，目前地質條件的探測精度和透明化程度不高，成為制約智能開采技術的瓶頸問題。

4.3 高技能型人才不足

智能開采裝備技術先進，具備煤炭開采、信息技術、管理知識的復合型人才缺乏，技術過硬、富有創新應用精神的技能型人才不足，制約著智能開采技術發展進步。

4.4 裝備設計與現場應用結合不緊密

智能開采裝備設計制造人員對開采現場情況、應用場景了解掌握不夠充分，使裝備適應性、可靠性較差；使用人員對裝備結構性能了解不夠熟悉，裝備機械化、信息化、智能化、自動化功能不能充分發揮，裝備未達到預期效果。

5 智能化開采展望

智能開采系統裝備由4部分組成，即執行層、感知層、控制層、分析決策層。執行層包括采煤機、液壓支架、運輸設備、泵站動力源等綜采裝備。感知層包括裝備感知或環境感知，主要功能是監測設備的壓力、行程、溫度、電流等工況參數；環境感知層包括視頻、瓦斯、鉆孔、地質勘探、掘進數據等環境參數。控制層包括電液控制、采煤機控制、集成供液控制、供電控制系統等。分析決策層由綜采裝備工況數據倉庫組成的智能分析應用以及實現采煤機截割模板和支架全程自適應跟機的智能決策應用，將人工智能決策下發給綜采控制系統進行監測控制，實現感知、分析、決策、控制的閉環管理。

5.1 建設智能綜合管控平臺

構建基于數據驅動的煤礦工業互聯網平臺，推進智能化建設發展。運用5G+網絡將采煤機、液壓支架、泵站等設備數據集中采集，通過集控中心實現對工作面所有設備實時監測與快速響應控制。建立統一的數據服務接口、信息采集標準、數據格式、通信協議，實現數據的統一集中管理、共享及智能聯動控制，為安全生產、動態監控、經營決策等提供多維數據支持。

5.2 設備全生命周期管理

從設備前期管理、使用階段管理、后期管理3個方面來進行，創新管理方式和內容，提升設備全生命周期管理的實際效果，充分發揮設備效能。

5.3 地質保障系統建設

從智能探測技術與裝備、地質保障數據庫建設、高精度地質模型構建與應用、采掘工作面地質透明化等方面開展地質保障平臺建設，打破礦井各系統間信息壁壘，實現地質信息數據的集中展示、數據共享。

5.4 達到人員設備高精度定位與多設備協同控制

傳統定位技術是平面定位，定位精度難以滿足智能開采需要。目前采煤機、液壓支架、刮板輸送機、液壓泵站等單個設備具有不同程度的智能化功能，但均是單機控制。需要清晰界定不同設備間智能聯動控制功能邊界，實現多臺設備協同智能控制，通過三維高精度定位技術，實現液壓支架群組自適應調整與協同控制。

6 結語

智能綜放工作面建設應堅持以職工為中心，切實把職工從重體力和危及生命健康的崗位上替換下來。同時需要在充分研究應用場景的基礎上，有效整合社會資源，堅持整體規劃、分步實施的思路，在做好頂層設計的基礎上，在建設應用的過程中，不斷應用萬兆無線網、高端集控平臺、大數據、人工智能、物聯網等新技術，持續推進礦井智能化建設，打造本質安全綠色高效礦井。