武甲礦綜采工作面智能化升級(jí)研究

呂澤波

（山西陽(yáng)城陽(yáng)泰集團(tuán)晶鑫煤業(yè)股份有限公司， 山西 晉城 048105）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，煤礦井下開采技術(shù)取得了很大的進(jìn)步，為了在安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)上提高經(jīng)濟(jì)效益，越來越多的礦井開始引進(jìn)智能化開采技術(shù)[1-3]。武甲礦目前采用綜合機(jī)械化長(zhǎng)壁開采工藝回采3 號(hào)煤層，現(xiàn)有的開采技術(shù)裝智能化水平較低，已無法滿足礦井綠色、安全、高效開采要求。為進(jìn)一步提高開采效率，本文對(duì)武甲礦綜采工作面智能化升級(jí)進(jìn)行了研究，為后期智能化工作面實(shí)施和應(yīng)用提供參考。

1 總體升級(jí)思路

武甲礦綜采工作面設(shè)備多為新進(jìn)設(shè)備，本文分別對(duì)采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架、順槽集中控制系統(tǒng)、泵站系統(tǒng)、地面分控中心系統(tǒng)和語音通訊控制系統(tǒng)等進(jìn)行改造升級(jí)，智能化控制系統(tǒng)升級(jí)后將實(shí)現(xiàn)工作面成套裝備集中控制與遠(yuǎn)程地面控制、現(xiàn)場(chǎng)工況實(shí)施監(jiān)測(cè)、綜采設(shè)備的數(shù)據(jù)集成、處理、故障自診斷和主動(dòng)預(yù)警等功能，實(shí)現(xiàn)工作面安全、高效、智能化開采。

2 綜采裝備智能化升級(jí)

2.1 采煤機(jī)智能化升級(jí)

采煤機(jī)是綜合采煤成套裝備的主要設(shè)備之一，是從截煤機(jī)發(fā)展演變而來，是一個(gè)集機(jī)械、電氣和液壓為一體的大型復(fù)雜系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)煤礦生產(chǎn)機(jī)械化和現(xiàn)代化的重要設(shè)備之一。目前，采煤機(jī)智能化技術(shù)通過智能感知和人工遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)干預(yù)，實(shí)現(xiàn)“初級(jí)智能+遠(yuǎn)程干預(yù)運(yùn)行”，改造后的控制系統(tǒng)按照現(xiàn)有的中大機(jī)型采煤機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行搭建，需要在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將原有的主控箱替換為自動(dòng)化主控箱，并將原有的檢測(cè)箱替換為自動(dòng)化檢測(cè)箱。此外，增加行走編碼器、搖臂動(dòng)靜態(tài)雙模傾角傳感器、油缸磁滯位移傳感器、機(jī)身傾角傳感器、CAN 轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊、工業(yè)以太網(wǎng)光纖交換機(jī)和帶顯示屏的遙控器等器件，升級(jí)后的采煤機(jī)可實(shí)現(xiàn)姿態(tài)感知、交互通信、記憶截割和設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)等功能。

1）姿態(tài)感知。采煤機(jī)截割高度感知通過安裝在左右搖臂上的動(dòng)靜態(tài)雙模傾角傳感器以及油缸磁滯位移傳感器來實(shí)現(xiàn)，保證采高數(shù)據(jù)的穩(wěn)定、準(zhǔn)確輸出。預(yù)置兩種傳感器配置，可實(shí)現(xiàn)冗余控制，當(dāng)其中一種配置出現(xiàn)問題時(shí)，可以切換到另一種。預(yù)留慣性導(dǎo)航裝置的安裝接口，提供精準(zhǔn)位置信息，并發(fā)送至電液控制中心。

2）交互通信。交互通信所涉及的工作場(chǎng)景包括綜采工作面內(nèi)的采煤機(jī)、順槽監(jiān)控平臺(tái)所在的順槽監(jiān)控中心以及井上的監(jiān)控主機(jī)。采煤機(jī)與順槽主機(jī)以光纖為傳輸線路，采用星型連接的方式。地面控制中心主機(jī)，通過礦山自帶環(huán)網(wǎng)接入，實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)上傳，并依據(jù)這些數(shù)據(jù)提供Web 服務(wù)。

3）記憶截割。按照學(xué)習(xí)的內(nèi)容，記錄采煤機(jī)位置參數(shù)、滾筒軌跡等，進(jìn)行智能化運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的自動(dòng)調(diào)高、臥底等功能。

4）設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)。包括以下功能：顯示液壓油箱的溫度、壓力；對(duì)搖臂、牽引齒輪油箱的溫度保護(hù)；對(duì)冷卻水回路的壓力、流量保護(hù)以及對(duì)電控箱回路的流量保護(hù)；對(duì)調(diào)高油泵、制動(dòng)油泵的壓力保護(hù)；提供瓦斯超限及整機(jī)斷電后的延時(shí)檢測(cè)；提供各電機(jī)的電流、溫度保護(hù)。此外，采煤機(jī)提供“恒功率牽引保護(hù)”，可根據(jù)實(shí)際電流的需要設(shè)置“加速區(qū)”“恒速區(qū)”“減速區(qū)”“重載反牽區(qū)”和“超溫降容保護(hù)”的閾值參數(shù)。

2.2 液壓支架智能化升級(jí)

原支架配置ZE07-03 型電液控制系統(tǒng)，在原有控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上對(duì)設(shè)備進(jìn)行改造，保留原有設(shè)備的電液控主閥、位移傳感器和壓力傳感器，更換原有支架控制器、電磁閥驅(qū)動(dòng)器、隔離耦合器、紅外線發(fā)射器、紅外線接收器和隔爆兼本安型穩(wěn)壓電源，增加中繼器、傾角傳感器、支架警示燈以及相關(guān)連接器。

1）姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。工作面中間架每架配置4 件傾角傳感器，能夠在順槽集控中心自動(dòng)化平臺(tái)實(shí)時(shí)反饋支架姿態(tài)（支架高度、支架狀態(tài)），具備支架全姿態(tài)監(jiān)測(cè)。同時(shí)，通過傾角傳感器狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)與支架防干涉功能。

2）工作面人員定位系統(tǒng)。系統(tǒng)采用定位器近距離檢測(cè)，通過人員攜帶標(biāo)識(shí)卡對(duì)經(jīng)過路徑布放的定位器進(jìn)行信號(hào)評(píng)估，并通過Lora 通道上傳到信號(hào)轉(zhuǎn)換器。信號(hào)轉(zhuǎn)換器接收到標(biāo)識(shí)卡上傳的信息后，根據(jù)無線電衰減模型計(jì)算出當(dāng)前定位卡的預(yù)測(cè)位置，并根據(jù)預(yù)定邏輯測(cè)算出準(zhǔn)確的當(dāng)前位置，通過以太網(wǎng)接口UDP方式上傳到后臺(tái)處理。

3）工作面視頻監(jiān)控系統(tǒng)。工作面每6 架支架配備1 個(gè)礦用云臺(tái)攝像頭，每12 架支架配備1 臺(tái)礦用本安型交換機(jī)，并配備云臺(tái)攝像機(jī)跟隨軟件、地面視頻存儲(chǔ)服務(wù)器及軟件，云臺(tái)攝像頭能夠根據(jù)自動(dòng)化系統(tǒng)得到的煤機(jī)位置信息實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟機(jī)旋轉(zhuǎn)，確保采煤過程中對(duì)煤機(jī)前后滾筒區(qū)域的跟機(jī)監(jiān)控。當(dāng)采煤機(jī)超出監(jiān)控范圍后，能夠自動(dòng)切換合適位置的攝像頭持續(xù)監(jiān)控。

2.3 三機(jī)動(dòng)力部監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

刮板輸送設(shè)備配套的工況監(jiān)控及綜合保護(hù)系統(tǒng)，用于對(duì)布置在綜放工作面及順槽的刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)和破碎機(jī)的減速器輸入、輸出軸的軸承溫度、潤(rùn)滑油油溫、電動(dòng)機(jī)的軸端軸承溫度、定子繞組溫度及各個(gè)傳動(dòng)部冷卻水回路的溫度、壓力、流量等關(guān)鍵工況參數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，并將采集到的工況數(shù)據(jù)通過標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議上傳到上位機(jī)集中顯示。

在轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、刮板輸送機(jī)的機(jī)頭和機(jī)尾各個(gè)傳動(dòng)部的就近位置分別布置1 臺(tái)礦用隔爆兼本安型監(jiān)測(cè)站，并在設(shè)備列車處同樣布置1 臺(tái)礦用隔爆兼本安型監(jiān)測(cè)站，作為工況狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置的分站及主站，分站和主站具有預(yù)超限報(bào)警功能。各站之間通過高強(qiáng)度礦用通訊電纜聯(lián)接，以RS485 通訊協(xié)議組網(wǎng)三機(jī)輸送設(shè)備的動(dòng)力部工況狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

2.4 工作面煤流監(jiān)測(cè)智能控制系統(tǒng)

在刮板機(jī)機(jī)頭合適位置安裝1 臺(tái)紅外煤位傳感器檢測(cè)工作面運(yùn)輸機(jī)煤流量，紅外煤位傳感器采用激光掃描的形式實(shí)現(xiàn)煤量掃描，然后將掃描到的刮板機(jī)斷面煤層厚度和斷面橫截面積數(shù)據(jù)發(fā)送到可編程控制箱。刮板機(jī)采用基于權(quán)重的煤量算法，結(jié)合激光雷達(dá)進(jìn)行煤量掃描、DTC+有功功率算法和采煤機(jī)綜合參數(shù)算法，實(shí)現(xiàn)煤流負(fù)荷智能控制。智能煤流負(fù)荷平衡控制系統(tǒng)能夠與集控中心通訊根據(jù)刮板機(jī)斷鏈、斷電的信號(hào)自動(dòng)停止割煤。刮板機(jī)具有低速檢修和多級(jí)工作模式，啟動(dòng)時(shí)機(jī)尾電機(jī)轉(zhuǎn)速智能控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)頭機(jī)尾同轉(zhuǎn)速，機(jī)頭不堆鏈。

2.5 泵站控制及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

在原有的乳化泵上配備1 個(gè)潤(rùn)滑油壓力傳感器、1 個(gè)潤(rùn)滑油溫度傳感器和1 個(gè)潤(rùn)滑油位傳感器。在乳化液箱輸出口配備2 個(gè)總出口壓力傳感器、1 個(gè)液位傳感器。噴霧泵配備1 個(gè)潤(rùn)滑油壓力傳感器、1 個(gè)潤(rùn)滑油溫度傳感器和1 個(gè)潤(rùn)滑油位傳感器。在水液箱輸出口配備1 個(gè)總出口壓力傳感器、1 個(gè)水位傳感器。升級(jí)后，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)乳化液泵站機(jī)噴霧泵站潤(rùn)滑油的壓力、溫度和油位以用乳化液的壓力和液位。

2.6 工作面地面監(jiān)控系統(tǒng)

本系統(tǒng)為新增系統(tǒng)，配備地面主機(jī)2 臺(tái)、地面交換機(jī)1 臺(tái)、Web 服務(wù)器2 臺(tái)、顯示器2 臺(tái)、地面操作臺(tái)3 臺(tái)、地面自動(dòng)化主機(jī)軟件1 套、內(nèi)部安裝電纜及附件1 套。系統(tǒng)升級(jí)后，可實(shí)現(xiàn)和井下順槽集控中心相同功能，在地面實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面設(shè)備的一鍵啟停、設(shè)備單啟、單停，設(shè)備數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)以及集成功能。

3 結(jié)語

本文對(duì)武甲礦綜采工作面智能化升級(jí)進(jìn)行了初步研究，相關(guān)研究結(jié)果可為后期智能化工作面的實(shí)施和應(yīng)用提供參考。后期在實(shí)際改造升級(jí)過程中，應(yīng)在滿足智能化要求的基礎(chǔ)上保留礦井現(xiàn)有的控制元件。同時(shí)，在實(shí)施過程中，應(yīng)根據(jù)礦井開采技術(shù)條件和智能化工作面改造升級(jí)驗(yàn)收文件等實(shí)際情況進(jìn)行。