煤礦綜采工作面智能化升級改造設(shè)計(jì)

劉佳金

中國煤礦機(jī)械裝備有限責(zé)任公司裝備研究院 北京 100011

智能化是煤炭企業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展過程中的必然趨勢，是世界煤炭技術(shù)革命的新方向，也是今后一個時期國家煤炭科技發(fā)展的主要支撐領(lǐng)域[1-3]。隨著智能技術(shù)的不斷發(fā)展，通過運(yùn)用各種感知、網(wǎng)絡(luò)、通信、集成等技術(shù)，提升開采裝備的自動化和智能化水平，礦井的生產(chǎn)和組織方式將會向“安全、高效、綠色、智能”的方向發(fā)展，逐步實(shí)現(xiàn)礦井“少人則安、無人則安”安全發(fā)展的現(xiàn)實(shí)需要，同時也是提高勞動生產(chǎn)率、增加經(jīng)濟(jì)效益的有效途徑，更是實(shí)現(xiàn)煤炭產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的必然選擇和提升核心競爭力的根本保證[4-5]。

本次擬對中煤集團(tuán)某煤礦回采工作面進(jìn)行智能化升級改造設(shè)計(jì)，力求達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進(jìn)水平。

1 地質(zhì)條件

該煤礦回采工作面煤層厚度0.7～4.2m，平均3.6m。平均屬于厚煤層，煤層傾角2°～6°，平均4°。煤層頂?shù)装逵幸欢ㄆ鸱ぷ髅鏅C(jī)巷側(cè)局部存在煤層變薄區(qū)域，煤層結(jié)構(gòu)簡單，煤體結(jié)構(gòu)為原生結(jié)構(gòu)。機(jī)巷巷道中寬3.8m，中高2.88m，巷道凈斷面10.63m2。副巷巷道上寬2.6m，下寬4.95m，凈高2.65m，巷道凈斷面10.0m2。工作面長150m，走向長度1000m。

2 方案目標(biāo)

2.1 升級改造目標(biāo)

根據(jù)省級監(jiān)管部門相關(guān)要求，該煤礦建設(shè)智能化綜采工作面主要以低投入且現(xiàn)場較實(shí)用、通過初級驗(yàn)收為建設(shè)目標(biāo)。主要設(shè)備選型以技術(shù)先進(jìn)、性能可靠為前提，同時兼顧設(shè)備間的相互配套，保證運(yùn)輸系統(tǒng)流暢，以期達(dá)到采運(yùn)平衡，最大限度地發(fā)揮綜采設(shè)備優(yōu)勢。

2.2 升級改造內(nèi)容

設(shè)備升級改造內(nèi)容主要包括以下方面：

(1)對原有采煤機(jī)系統(tǒng)電控系統(tǒng)進(jìn)行升級改造，使之滿足智能化開采要求。

(2)支架純手動控制液壓系統(tǒng)改為電液控制系統(tǒng)，同時優(yōu)化支架控制工藝。

(3)前部刮板輸送機(jī)新增三機(jī)電液監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對三機(jī)設(shè)備運(yùn)行工況的監(jiān)測和控制。

(4)新采購全新泵站供液系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)泵站系統(tǒng)集中控制和隨動控制。

(5)增加視頻監(jiān)控及工作面環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)，對工作面設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及工作面環(huán)境進(jìn)行可視化監(jiān)控，視頻系統(tǒng)具備動態(tài)自動跟機(jī)監(jiān)測功能。

(6)新增工作面人員精確定位系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)工作面人員精確定位。

(7)新增集控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工作面及順槽系統(tǒng)融合和集成功能，對采煤機(jī)、運(yùn)輸三機(jī)、液壓支架、視頻、供電系統(tǒng)、供液系統(tǒng)、皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)、工作面人員精確定位系統(tǒng)等多項(xiàng)系統(tǒng)及設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程統(tǒng)一監(jiān)測、協(xié)同控制、協(xié)同保護(hù)，并可將全部數(shù)據(jù)打包上傳或提供給第三方系統(tǒng)。

(8)新增地面監(jiān)測及調(diào)度展示系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在地面調(diào)度室對工作面設(shè)備的全自動順序啟停控制，并可查看設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

3 智能化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，該系統(tǒng)由井下智能集中控制系統(tǒng)和地面智能化綜合監(jiān)控管理系統(tǒng)組成，其工作面整體架構(gòu)如圖1所示。

3.1 智能集中控制系統(tǒng)

綜采工作面智能集中控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)與各個子系統(tǒng)之間的通信、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析以及智能化控制，是整套工作面自動化控制系統(tǒng)的核心，是實(shí)現(xiàn)在工作面順槽監(jiān)控中心對綜采設(shè)備進(jìn)行智能化控制，確保各設(shè)備間協(xié)調(diào)、連續(xù)、高效、安全運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)工作面少人化、無人化的關(guān)鍵。

3.2 智能集中控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

集中控制系統(tǒng)與各個子系統(tǒng)之間采用光纖、Modbus、CANBUS、Profibus、OPC、無線等通信方式進(jìn)行連接。通過通信數(shù)據(jù)交互實(shí)現(xiàn)與各個子系統(tǒng)之間的遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制，具體連接方式如圖2所示。

3.3 集中控制系統(tǒng)監(jiān)測功能

集中控制系統(tǒng)的監(jiān)測畫面由主界面和各個系統(tǒng)的子界面組成。主界面對系統(tǒng)核心的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，對三機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和信息能夠直觀地監(jiān)測，便于操作人員及時掌握相關(guān)工況信息，進(jìn)行控制。具體的監(jiān)測信息包括集中控制系統(tǒng)與工作面設(shè)備間的通信狀態(tài)顯示。采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)信息、采高及工藝信息；刮板運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)信息、工作負(fù)荷信息；支架的壓力及推移行程等相關(guān)信息；能夠?qū)⒐ぷ髅嬲Z音系統(tǒng)狀態(tài)顯示，包括電話閉鎖狀態(tài)顯示、急停狀態(tài)顯示和斷路位置顯示(斷路的具體架號)。各個子系統(tǒng)的就緒狀態(tài)信息；工作面產(chǎn)量信息、采高信息；設(shè)備運(yùn)行的故障信息等相關(guān)參數(shù)。

此外在集中控制系統(tǒng)的主界面中還能夠顯示工作面設(shè)備與監(jiān)控中心各主控計(jì)算機(jī)的通信狀態(tài)顯示。集中控制系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)上述界面的監(jiān)測功能外還能夠?qū)崿F(xiàn)對各子系統(tǒng)設(shè)備重要運(yùn)行參數(shù)歷史數(shù)據(jù)存儲功能，能以歷史曲線和數(shù)據(jù)列表方式查詢；具有歷史故障查詢功能，對所有可能出現(xiàn)故障的地方進(jìn)行記錄。管理員權(quán)限的人員還可在監(jiān)控中心進(jìn)行工作面視頻顯示，可對視頻進(jìn)行管理、查詢、存儲。

3.4 地面監(jiān)測及調(diào)度展示系統(tǒng)功能

3.4.1 監(jiān)測顯示功能

地面集控系統(tǒng)通過煤礦井下環(huán)網(wǎng)與工作面集控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)交互，并將相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。顯示的數(shù)據(jù)包括設(shè)備正常運(yùn)行數(shù)據(jù)信息、設(shè)備設(shè)定參數(shù)、設(shè)備故障信息以及設(shè)備運(yùn)行預(yù)警信息等。

3.4.2 地面遠(yuǎn)程控制功能

當(dāng)井下集控中心開放控制權(quán)限的前提下，綜合監(jiān)控管理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對井下設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，包括設(shè)備單功能的啟停、順序啟停和地面一鍵啟停。當(dāng)?shù)孛孢h(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)與井下集控系統(tǒng)通信中斷后，井下集控系統(tǒng)按自身邏輯進(jìn)行保護(hù)控制。

3.4.3 視頻監(jiān)視畫面顯示功能

地面視頻處理系統(tǒng)將井下發(fā)送上來的數(shù)據(jù)解壓并可跟現(xiàn)有礦井使用的視頻監(jiān)控系統(tǒng)相兼容，同時實(shí)現(xiàn)視頻信息歸類和存儲錄像、錄像反調(diào)等功能，該系統(tǒng)具備整個工作面視頻錄像的處理容量，可供一個工作面加部分其他監(jiān)控?cái)z像機(jī)的圖像處理。

遠(yuǎn)程視頻訪問系統(tǒng)是基于網(wǎng)絡(luò)視頻的系統(tǒng)，該系統(tǒng)可將視頻信息以局域網(wǎng)、工業(yè)環(huán)網(wǎng)、以太網(wǎng)等模式發(fā)送到個人電腦、辦公電腦、工業(yè)服務(wù)器等客戶端查看；且該系統(tǒng)具備手機(jī)WAP訪問功能，可在智能手機(jī)上安裝手機(jī)客戶端軟件，從而支持手機(jī)上網(wǎng)的用戶實(shí)現(xiàn)登錄查看視頻圖像。

3.4.4 安全控制保護(hù)功能

(1)地面調(diào)度指揮中心普通操作人員僅具有對綜采工作面數(shù)據(jù)信息的查看權(quán)限；

(2)通過設(shè)置相應(yīng)的安全機(jī)制，在取得相應(yīng)授權(quán)的條件下，可在地面調(diào)度指揮中心對綜采工作面設(shè)備實(shí)現(xiàn)一鍵起停功能。

3.5 數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程發(fā)布功能

數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)通過煤礦井下環(huán)網(wǎng)與工作面集控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)交互，并將相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。顯示的數(shù)據(jù)包括設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、正常運(yùn)行的實(shí)時數(shù)據(jù)信息、設(shè)備設(shè)定參數(shù)、設(shè)備預(yù)警信息和故障信息等。

數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)以移動終端設(shè)備如手機(jī)、平板電腦為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)通過APP發(fā)布生產(chǎn)數(shù)據(jù)，同時也可用臺式機(jī)或筆記本電腦進(jìn)行WEB訪問。該系統(tǒng)應(yīng)允許授權(quán)過的終端進(jìn)行訪問，便于煤礦的生產(chǎn)管理。

結(jié)語

本建設(shè)方案以省級地方標(biāo)準(zhǔn)為主，綜合考慮煤礦基本地質(zhì)條件、現(xiàn)有設(shè)備人員、開采方式、生產(chǎn)接續(xù)及資金預(yù)算情況，以滿足地方政府基本建設(shè)驗(yàn)收要求為標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)現(xiàn)以“采煤機(jī)記憶截割、支架自動跟機(jī)動作、鍵盤遙控放煤、三機(jī)順序啟停、視頻實(shí)時監(jiān)測監(jiān)控”的智能化開采模式，達(dá)到地面一鍵啟停控制的遠(yuǎn)程監(jiān)測監(jiān)控應(yīng)用和展示、示范的目標(biāo)。