武甲礦智能掘進工作面初步設計及效益分析

呂澤波

（山西陽城陽泰集團晶鑫煤業股份有限公司， 山西 晉城 048105）

0 引言

掘進工程是煤礦井下主要的生產系統之一，我國每年需要掘進大量的巷道來保證綜采工作面的順利回采[1-3]。隨著科學技術的不斷發展，以智能化為標志的掘進技術已日益受到重視，為提高掘進效率，響應國家及山西省政策，武甲礦決定升級煤礦井下掘進工作面智能化水，本文以武甲礦11201 運輸順槽掘進工作面為研究背景，初步確定了智能化掘進裝備，并對智能化掘進工作面進行了初步設計，并進行了效益分析。

1 智能化掘進工作面概述

通過配套一套完整的智能掘進工作面生產技術裝備，主要包括掘進機、煤礦用液壓錨桿鉆車、煤礦用帶式轉載機、帶式輸送機用自移機尾、移動變電站等設備的工作狀態智能化監測與生產運行智能化集中控制，與工業電視監控技術無縫結合，實現上述設備的就地手動/自動操作、視頻化集中控制與遠程網絡化監控，并結合現場煤層地質條件，完成全智能化掘進工作面裝備的設計、制造、安裝和井下工業試驗，實現掘進工作面設備的無人少人化操控[4-5]。

2 智能掘進裝備

2.1 掘進裝備

根據11201 運輸順槽掘進工作面開采技術條件，初步確定選用EBZ200R 型懸臂式智能掘進機，該設備由切割機構、鏟板總成、第一運輸機、本體總成、行走機構、后支承、操縱臺、液壓系統、除塵噴霧系統、電氣系統、潤滑系統、護板、標識與涂裝構成,整機配置高，安全可靠。配置的切割電機和油泵電機均為適于礦井使用的隔爆型三相異步電動機。掘進裝備主要參數如下：總體長度為11.47 m；總體寬度為3.2 m；總體高度（切割臂水平）為2.345 m；切割頭臥底深度為0.225 m；爬坡能力為±18°；經濟切割硬度≤60 MPa。

2.2 掘進裝備智能化控制系統組成

1）動態傾角傳感器、角度傳感器及油缸內置傳感器的截割頭運動檢測單元的冗余設計，實現截割頭相對于機身的位姿檢測，通過機身傾角傳感器實現機身俯仰角檢測。

2）掘進機主控制器安裝于掘進機機身，集成各類傳感器、慣性導航、設備等實時參數，并接入掘進機的控制端口。主要實現對掘進機狀態量、開關量等數據采集；對掘進機部分做出位置姿態調節、自適應截割等核心操作。

3）掘進機遙控接收器安裝于掘進機機身，并接入掘進機主控制器。主要實現視距遙控模式下視線距離內接收視距遙控器的操作信號。

4）在掘進機機身加裝礦用隔爆兼本安型網絡交換機，用于主控制器、視頻數據等各類數據的匯總，交換機通過鎧裝光纜接入集控中心。

5）在掘進機機身、二運處各加裝一臺無線基站，掘進機集成信號通過無線基站將數據傳輸至二運處無線基站，二運處無線基站通過礦用阻燃光纜與掘進順槽集控中心進行數據交互。

6）機身姿態、位置監測：通過無線通訊與機載導航控制箱進行實時數據交互，實現慣導定位數據實時補償。通過測距傳感器與導航控制箱實現機身距側幫和機身距迎頭的實時距離檢測。

7）視頻監控。掘進機機身左右側各安裝兩臺攝像儀，用于實時監視掘進機左前方和右前方斷面、懸臂左右擺動、鏟板升降和左右裝載裝料情況；機身中間1 路攝像頭監視掘進機前方斷面、懸臂運動情況；機尾1 路集成音頻輸入輸出的攝像儀監控一運卸料處落煤情況；實現工作面視頻在地面實時監測、顯示、存儲。

2.3 掘進裝備智能化控制系統功能

通過在掘進機加裝各類傳感器，將掘進機各類數據實時接入智能化掘進集控軟件系統平臺，實現掘進設備智能化控制。系統具有遠程控制功能、運行狀態監測功能、位置姿態監測功能、位姿補償功能、人員接近識別功能、掘進機智能截割功能等，集控中心監測到掘進工作面供電系統、環境監測系統、運輸系統、掘進機一切正常后，通過集控中心可以進行“一鍵”啟動自動化截割：智能化掘進集中控制軟件系統平臺可錄入掘進巷道斷面模型。此外，通過數學模型解析，結合多種傳感器的使用，由控制器對掘進機截割臂的回轉與升降液壓缸進行控制，根據錄入的斷面尺寸自動截割出規整斷面，自動截割模式下，掘進機自身可根據截割進度向前移動。

3 智能掘進工作面控制系統

3.1 運輸和集中控制系統

集控中心可實現對從掘進工作面掘進頭截割至膠帶輸送機的遠程控制和協調控制，集控中心對工作面運輸系統需要掘進機、膠帶輸送機提供遠程監控的通訊接口及協議，結合智能掘進工作面運輸設備監控系統對掘進機一運、二運以及膠帶輸送機自移機尾進行狀態監測、視頻監控和集中控制。

運輸系統具有就地和遠程控制功能，在就地模式下，可實現運輸系統內各設備就地啟停聯動控制功能。在遠程啟動工作面運輸設備前，集控中心人員需確認大巷的膠帶輸送機已經啟動。分別在運輸系統轉載點、皮帶機頭等處布置相應礦用隔爆兼本安型攝像儀，可供集控室操作人員，遠程觀看設備運行狀態。具體功能有：

1）定位截割時，實現對一運刮板輸送機、二運轉載機及膠帶輸送機自移機尾的單設備遠程起停控制和聯鎖啟停。

2）集控中心可實現對一運刮板運輸機、二運轉載機及膠帶輸送機的順序遠程起停控制，起動順序：膠帶輸送機自移機尾—二運轉載機—一運刮板運輸機；停止順序：一運刮板運輸機—二運轉載機—膠帶輸送機自移機尾。

3）集控中心可對一運刮板運輸機、二運轉載機、膠帶輸送機自移機尾開關狀態顯示，包括各個回路運行狀態、電流大小、電壓大小以及漏電、斷相、過載等故障狀態顯示。

4）膠帶輸送機配套自移機尾，協同掘進機作業。

3.2 遠程控制系統

在掘進大巷安裝一臺集中操作臺作為工作面集中控制操作中心。集控中心放置于硐室或風門處，借助于網絡通訊信號實現工作面所有設備的遠程集中控制。集控中心內部集成2 臺控制主機、4 臺21 寸寬屏顯示器、嵌入式操作面板、鍵鼠一體式不銹鋼鍵盤、音箱、麥克風、照明燈、攝像儀和急停按鈕等。集控中心內設備布置應當遵循空間合理利用、布線簡潔、易于維修的原則，并有對集控中心操作員、設備及線纜的保護裝置。遠程控制系統可以實時與掘進機機身的無線基站互聯互通，從而實時監測、控制掘進面作業，系統集成掘進工作面環境監測，并可對環境監測數據智能分析；此外系統具有手動操作、視距遙控、遠程集中控制、一鍵啟停四種操作方式。四種模式可以相互切換單獨運行且不能同時選擇多種模式，保證了機器和人身安全。

3.3 視頻監控系統

系統由掘進面視頻（含照明）、巷道視頻（含照明）以及視頻傳輸網絡組成。掘進機機身左右、中部和尾部的視頻數據，傳至集控中心進行監測和視頻拼接；運輸系統搭接點、轉載點、自移機尾等位置的視頻數據，傳至集控中心進行監測，可以對視頻圖像放大、縮小、分屏、獨占全屏等操作，并實時保存視頻數據；此外，視頻系統具有第三方接口，第三方自動化軟件通過接口可訪問工作面實時視頻移流數據。

3.4 地面監控系統

采區軌道巷集控中心可通過井下千兆工業以太環網與地面調度中心建立網絡連接，實現地面分控中心對智能掘進工作面的實時監測。系統采用以太網實現掘進工作面各設備的數據上傳，通過礦井傳輸網絡，將掘進工作面各設備的數據傳到地面，實現地面調度中心對掘進工作面各設備的監測、顯示；同時進行視頻管理，查詢，存儲等功能；錄像保存時間不少于20 d，系統可將掘進工作面監控顯示于地面調度中心的監控大屏上，更細致、直觀地供相關人員及領導視察掘進工作面工作情況和安全情況。

4 掘進工作面智能化改造效益分析

4.1 新增投資分析

武甲礦智能化掘進系統包括智能型掘進機、除塵風機、機載臨時支護裝置、二運裝載皮帶、錨桿鉆車及掘進智能控制系統，其中除塵風機、二運裝載皮帶及錨桿鉆車為已有設備，掘進裝備（包括機載臨時支護裝置）已磨損嚴重，需重新購置；此外，工作面智能控制系統均為新采購設備，地面控制系統借助礦井原有設備。以一個智能化掘進工作面為例，智能掘進機及機載臨時支護裝置投資估算為300.00 萬元，智能控制系統投資估算為150.00 萬元，即構建一個智能掘進工作面新增投資估算為450.00 萬元。

4.2 收益分析

1）掘進效率分析。武甲礦以往的回采巷道掘進工作面月進尺約為250 m，智能化改造后月進尺預計可以達到400 m，掘進效率可提高60.00%以上，該礦工作面平均掘進長度為2 800 m，掘進一條回采巷道可節約5.2 個月。

2）人工成本。以往的掘進巷道單工作面生產所需人員為20 人，檢修人員為15 人，按照“三八制”作業制度，各工作日需要兩個生產班，一個檢修班，共55 人，每人平均月工資為1.0 萬元，掘進一條2 800 m的巷道需要11.20 個月，則所需人工費用為616.00 萬元；智能化改造后掘進巷道單工作面生產所需人員為10人，檢修人員為15 人，掘進一條巷道2 800 m 長的巷道需要6.00 個月，則所需人工費用為210.00 萬元。智能化改造后掘進單條巷道可降低人工成本406.00 萬元。

由此可知，武甲礦掘進工作面智能化改造升級后，單工作面可提高掘進效率60.00%，節約時間5.20 個月，降低人工成本406.00 萬元，此外，技術裝備的升級會有效降低掘進過程中巷道安全隱患，在一定程度上可提高安全效益，降低安全投入。智能化掘進工作面的應用將為礦井帶來良好的安全、技術及經濟效益。

5 結語

本文對武甲礦智能化掘進裝備與控制系統進行了初步研究，后期在實施過程中還應該注重智能化掘進工作面建設的條件，成立智能化工作面運行與管理機構，負責制定智能化建設工作規劃和實施方案；建立健全和落實智能化建設的各項管理規章制度；了解國內煤礦智能化建設發展的現狀和趨勢，認真借鑒其他煤礦智能化建設發展的經驗，加快建設發展步伐，減少投資浪費，提高建設效率和效益。