大南湖七號煤礦綜采工作面智能化設計與實踐

劉佳金

（中國煤礦機械裝備有限責任公司裝備研究院，北京 100011）

0.引言

《國家能源技術革命創新行動計劃（2016-2030年）》（發改能源〔2016〕513號）明確提出了煤炭行業重點主攻方向，要求開發智能化工作面等技術，重點煤礦區基本實現工作面無人化[1]。隨著人工智能技術發展和人口紅利遞減，要求煤礦高質量發展和轉型升級，建設數字化礦山、智能礦山，推進煤礦“自動化、信息化、智能化”開采，實現高效益高質量發展已成為行業共識[2-3]。2021年6月5日，國家能源局發布《煤礦智能化建設指南（2021年版）》，對煤礦智能化建設提出了總體要求、明確了建設目標，給出了總體架構和建設技術路徑[4-5]。

大南湖7號煤礦位于新疆哈密，礦井規模1200萬噸，一期建設規模為600萬噸，是中煤集團主力生產礦井之一，對其綜采工作面進行智能化設計力求達到國內領先、國際先進水平，對保證礦井安全生產具有重要意義。

1.地質條件

礦井斷層有15條，井田可采煤層18層，礦井前期主要開采3號、5號、6號和7號煤層。3號煤層煤層厚度為0.8m～4.38m，平均2.89m；7號煤層全區煤層厚度為0.51m～19.63m，平均10.37m；7號煤層首采一分區，布置6個工作面，工作面長度200m，走向長度2500m，開采年限約11年。一分區煤層一般厚度為9.81m～14.53m，平均12.13m。工作面傾角5°，俯仰采2°～3°。

煤層頂板為泥巖、粉砂質泥巖、粉砂巖、含碳泥巖、粉砂巖，底板為粗砂巖、泥質粉砂巖、細砂巖，各煤層頂底板多屬于層狀結構極軟巖，煤層頂底板巖石極易軟化甚至崩解，巷道易出現底鼓現象。煤層底板較軟，遇水軟化、底鼓，支架要充分考慮底板軟對開采的影響。煤層頂板較為破碎，要考慮頂板防護。

2.設計總體目標

雖然該工作面整體為近水平工作面傾角5°，俯仰采2°～3°，但該工作面煤層頂底板多屬于層狀結構極軟巖，煤層頂底板巖石極易軟化甚至崩解，巷道易出現底鼓現象。煤層底板較軟，遇水軟化、底鼓，會對自動開采帶來很多不利影響。因此需要保障設備整體運行的連續性，需要在開采過程中及時支護、調整，開采過程中宜連續推進，不宜在開采過程中進行往復調整。

鑒于該工作面所有設備均為新購設備，且需保證在采4m放8m的復雜環境下連續作業，因此該工作面定位為以高端耐用型設備為基礎，以智能監控系統為手段，設計采用“以工作面前部自動化開采為主，人工干預為輔；后部以時間控制為核心的記憶放煤順序放煤”的自動化生產模式；在開采環境下遠程啟停控制，提升整體掌控性和開機效率。開采過程中“煤機記憶截割、支架自動跟機支護和放煤，人員巡視調整、系統整體協同保護”，達到安全、高效、智能開采的目標。該設計以視頻識別技術和人員主動防護技術為主要安全手段，簡單實用，便于實施，能滿足煤礦智能化建設要求，實現了安全、高效、智能、綠色開采。

3.智能化系統設計

3.1 系統結構

為實現上述目標，綜采工作面智能化系統主要包含以下部分：集中控制系統、支架電液控制系統、采煤機監控系統、輸送機監控系統、語音通信控制系統、皮帶機監控系統、視頻監測系統、供電系統、供液系統、人員精確定位系統、工作面自動調直系統、地面綜合監控管理系統。上述系統的組成及相互關系如圖1所示。

3.2 系統功能

3.2.1 井下集中控制系統

集中控制系統作為整套系統的大腦，能夠實現對工作面全部系統信息的集成，進行集中監控，并能夠與操作人員進行互動，實現對工作面及順槽設備的協同控制、保護、預警等功能。集中控制系統包含的功能如下。

（1）能夠在順槽監控中心對工作面設備的集中監控。

（2）具有對采煤機工況監測與遠程控制功能。

（3）具有對液壓支架工況監測與遠程控制功能。

（4）具有對工作面運輸設備工況監測與遠程自動化控制功能。

（5）具有對泵站系統設備工況監測與集中自動化控制功能。

（6）具有對皮帶系統設備工況監控功能。

（7）具有對綜采設備數據集成、處理功能。

（8）具有自動化系統故障自診斷功能（包括對采煤機、液壓支架、三機、泵站、皮帶控制的故障診斷）和故障類型顯示、故障處理步驟提示、語音提示、管理等功能。

（9）具有組建工作面工業以太環網功能，在工作面實現數據的高速傳輸。

（10）具有工作面視頻系統，實現對主要綜采設備進行實時監控。

（11）具有對人員定位信息實時顯示和防碰撞控制功能。

（12）具有對工作面直線度進行監測和系統控制功能。

（13）具有工作面LED照明系統，對視頻系統采集工作面視頻提供良好的光照條件。

（14）集中控制系統具有主機熱備功能，當某臺主機發生故障時，備用主機能無延遲接替，不影響對各子系統的監視和控制。

（15）具有井上下數據傳輸功能接口，可提供第三方系統數據接口。

（16）具有工況數據實時存儲功能。

（17）具有與地面監控分析系統在線雙向通信功能，當地面監控分析系統通過大數據分析技術診斷并發出任何警告或風險提示信息時，會將相關預警下發給集控系統，集控系統可根據信息進行相應的保護控制。當綜采工作面自動化控制系統出現故障時，各子系統自動停機保護，切換至就地控制，不受綜采自動化系統控制，以保證在檢修和自動化控制系統出現故障時，各子系統能單獨運行，不影響生產。集中控制系統的網絡建設架構如圖2所示。

3.2.2 地面綜合監控管理系統

地面綜合監控管理系統能夠實現工作面設備的地面監控、井上和工作面人員的直接對話、工作面全方位的視頻監控、井下設備運行數據的遠程訪問和專家診斷等功能。該系統通過大數據分析技術實現了設備的在線診斷和健康管理。地面綜合監控系統效果如圖3所示。

（1）監測顯示功能：地面集控系統通過煤礦井下環網與工作面集控系統進行實時數據交互，并將相關數據進行顯示。顯示的數據包括設備正常運行數據信息、設備設定參數、設備故障信息以及設備運行預警信息等。此外，地面監測系統接受遠程訪問，訪問時只需在瀏覽器中輸入特定的網址即可。

（2）地面遠程控制功能：當井下集控中心開放控制權限的前提下，地面監控分析系統可實現對井下設備的遠程控制，包括設備單功能的啟停、順序啟停和地面一鍵啟停。當地面遠程監測系統與井下集控系統通信中斷后，井下集控系統按自身邏輯進行保護控制。

（3）井上下語音通話對講功能：在地面調度室安裝多媒體調度系統之后，該系統將與井下的語音系統形成一個語音網絡，可通過網絡實現地面調度室與井下工作面的對講和廣播功能。能提高工作面的管理能效。

（4）大數據成套裝備專家診斷功能：在地面建設大數據成套裝備專家診斷系統服務器和應用軟件后，便可實現對井下相關設備的全面監測。地面服務器將相關數據進行存儲，同時采用自學習算法分析數據，并將分析出的預警信號反饋到工作面集控主機，進行實時預警，確保設備安全。此外，專家診斷系統還可對設備壽命進行數據統計分析，為后期設備維護提出指導方案。

（5）安全控制保護功能：地面調度指揮中心普通操作人員僅具有對綜采工作面數據信息的查看權限。通過設置相應的安全機制，在取得相應授權的條件下，可在地面調度指揮中心對綜采工作面設備實現一鍵啟停功能。

3.3 系統特點

本系統采用成套裝備，實現了各子系統之間的無縫連接，增強了系統的可靠性。具有以下特點：

（1）建設工作面監控中心，通過將綜采工作面的采煤機、支架電液控制系統、工作面運輸機控制系統、泵站控制系統及供電系統有機結合起來，實現高度集中自動化控制。

（2）系統主機硬件設備及操作系統均采用進口定制化產品，系統穩定性強、具有長期工作不死機的優點。

（3）系統數據采集模塊與主機間均為定制化設計，同一品牌兼容性好，數據采集模塊為插拔式設計，易更換、易維護。

（4）系統可根據用戶要求對顯示界面及邏輯保護功能進行定制化開發。

（5）系統模塊性強，集中控制系統與各個子系統均為模塊化設計，單一系統故障不影響其他系統的正常工作。

（6）設備集成度高，將相關配套的附屬設備統一集成到主機殼體內，減少安裝和維護量。

4.智能化工作面建設實踐

根據以上智能化設計方案，在大南湖7號煤礦某工作面進行項目建設實施。經選型配置后，采煤機選用西安煤礦機械有限公司MG620/1660-WD型號。選用中煤張家口煤礦機械有限責任公司的前部刮板機SGZ1000/2000型，后部刮板機SGZ1200/2000型，轉載機SZZ1350/700型號，破碎機PCM700型號，轉載機自移裝置ZY1100，皮帶機自移機尾ZY2700。液壓支架選用中煤北京煤礦機械有限責任公司的ZFY10000/23/45D液壓支架中間架、液壓支架排頭架ZFP11000/24/36D、液壓支架端頭架ZT27000/23/40D、運輸巷超前支架ZQL40500/23/40D、回風巷超前支架ZQL4X7500/23/40WD。供液系統選用浙江中煤機械科技有限公司的BRW500/31.5智能乳化液泵和BPW516/16噴霧泵。經過智能化建設，其工作面實現了工作面設備智能化運行為主、人工干預為輔的智能化開采模式。

5.結語

通過大南湖七號煤礦智能化建設實現了工作面采煤機記憶截割、支架跟機動作、時間記憶放煤、視頻動態實時監控、人工遠程干預、系統整體協同保護的智能化開采模式。大大改善煤礦信息化、自動化和智能化水平，實現井下少人無人作業，根本上實現礦山安全，也解決了礦山普遍面臨招工難、用工難問題。提高生產效率和生產效益，防止和減少安全事故發生，提高企業經營管理水平和決策水平，實現煤礦高質量發展，增強企業可持續發展能力。