綜采工作面智能化集控系統分析及應用

苗飛飛

（山西西山晉興能源有限公司斜溝煤礦，山西 呂梁 035300）

我國煤炭資源豐富，開采環境復雜，目前煤炭需求持續增長，推進煤礦智能化建設是促進煤炭綠色、安全、高效開采的重要手段[1-5]。智能無人采礦打破了傳統的人工操作基礎上以單機位置控制目標的思想，提高了綜采自動化程度，但煤礦智能化建設水平不平衡。斜溝煤礦以提高安全性、減少井下人員、提高生產效率為原則，以建成智能化示范礦井為目標，加快推進智能化建設工作，實現了“自主移架＋記憶割煤＋跟機干預＋集控”采煤模式。本文以斜溝煤礦18106 工作面為工程背景，結合該工作面的地質條件及開采技術條件詳細分析了綜采面智能化集控系統，為煤礦智能化的發展提供了理論需要。

1 工作面概況

斜溝煤礦18106 工作面走向長度為3740 m，傾向長度為285.5 m，總面積1 067 670 m2，煤層傾角7.9°。工作面地面標高+1015～+1209 m，井下標高+814～+847 m。18106 工作面煤層平均厚度為5.8 m，以暗煤為主，含亮煤條帶，含黃鐵礦碎片，可見殘留植物碎片，含少量劣質煤。最下面一層夾矸局部增厚，最厚處1.6 m。煤層普氏硬度為2～3。18106 工作面直接頂為中細粒砂巖，平均厚度2.46 m，巖性特征為灰白色，成分以石英為主，含少量暗色礦物，含方解石脈，局部尖滅。巖層普氏硬度為6～7。基本頂為中粗粒砂巖，平均厚度為11.04 m，巖性為灰白色，塊狀構造，可見植物化石，成分以長石為主，可見脈狀煤質條帶。巖層普氏硬度5～6。直接底為泥巖，平均厚度3 m，灰黑色，泥質結構，塊狀構造，含植物化石，局部尖滅。巖層普氏硬度為2～3。18106 工作面東側為18108 回采工作面及采空區（煤柱寬度11.7～19.7 m），西側為18104 采空區（煤柱寬度12.8～19.4 m），南側為實煤區，北側為11 采區上山大巷。

2 智能化集控系統概況

斜溝煤礦18106 工作面智能化集控系統由多個部分組成，分別為集控中心、具備記憶截割的采煤機控制系統、電液控制的液壓支架、工作面萬兆環網交換機、工作面無線通信系統、無線視頻監控系統、泵站集中控制系統、運輸機高壓變頻器驅動、順槽皮帶遠程集控、工作面3D 可視化功能，如圖1。

圖1 智能化集成控制系統示意圖

該智能化集控系統主要包括以下內容：

1）工作面集控中心是整個工作面協調機制的中心，主要由操作室與塔式主機組成。集控中心內集成了三機工況數據、語音視頻數據、遠程控制功能、泵站子系統、電液控子系統等，實現了工作面運輸機、轉載機、破碎機、泵站系統的“一鍵啟停”和單機啟停操作以及工作面設備運行狀態的集中監控，以及工作面生產情況的視頻集中監控。

2）采煤機具備自動化記憶割煤功能。采煤機能記憶中部和頭尾割三角煤示范進刀時的采機位置和相應位置的左右搖臂高度，打開自動化功能后采煤機按記憶數據進行仿形截割。當工作面條件變化時，可使用遙控器進行人工干預，采煤機會自動保存干預數據，不斷進行智能學習，優化采煤工藝。

3）工作面液壓支架實現了電液控制。工作面每臺液壓支架上安裝1 套電液控制系統（帶操作屏幕）；1 個一級護幫壓力傳感器用于檢測前護幫位置；2 個立柱壓力傳感器用于檢測立柱壓力；1 個伸縮量傳感器用于檢測前伸縮量位置；1 個推移油缸位置傳感器用于檢測推移行程。電液控系統具有自動化功能，還可配合采煤機實現斜切進刀工藝，自動割三角煤。

4）工作面工業環網方面，工作面集控臺安裝有一臺萬兆環網交換機，交換機與集控中心塔機的千兆交換機采用光纖連接，用于和地面調度的遠程通信和控制。工作面機頭和機尾處各安裝一臺4G無線基站，交換機和4G 基站之間采用光纖連接，搭建了覆蓋整個工作面的4G 無線網絡，用于攝像頭和采煤機無線數據的傳輸，4G 無線網絡100 Mbps 的下行速率和50 Mbps 的上行速率，網絡延時小于50 ms，保證了采煤機遠程監控數據、工作面視頻監控數據快速可靠地與集控中心及地面調度室傳輸。

5）視頻監控方面，工作面內每6 臺支架前梁處安裝一臺本安除塵高清攝像儀，可實時監控工作面設備運行情況。

6）泵站采用集中控制系統，可在集控中心對泵站液箱的液位、出口壓力、各泵油位、油溫、油壓，泵電機的電壓、電流等進行監控。

7）刮板輸送機和轉載機采用了組合式高壓變頻器驅動，可進行軟啟動和實時調速，降低了啟動電流沖擊，延長了鏈條和刮板壽命。工作面運輸機、轉載機、破碎機的電壓、電流、開停等狀態信息通過變頻器和組合開關傳輸至集控中心進行實時顯示。

3 智能化集控系統運行方式及操作方法

3.1 智能化集控系統運行方式

智能化集控系統的運行方式主要分為兩類：一種是自動運行模式，一種是人工操作模式。在煤礦井下現場操作過程中，首先具有優先權的是人工操作模式，也就是說，當綜采面需要現場工人進行操作作業時，該系統自動轉換成人工操作模式。

自動運行模式在就地閉鎖時，集控系統運行停止，隨后立即切換至人工操作模式。采煤機巡視工就地使用遙控設備進行人工干預時，集控系統退出自動運行模式，自動轉換成人工操作模式。支架巡視工在按下支架電液控制系統急停按鈕時，支架在自動運行模式下轉換到人工操作模式。人工操作模式轉換自動模式時，工作面人員需要與集控系統工進行溝通，由集控系統工啟動自動模式。在人工操作模式轉換到自動運行模式前，巡視工必須確認工作面無其他人員逗留，確保安全生產。

3.2 交接班及開機前準備

進入工作面，跟班隊長、工長及各工種與上一班先進行交接，每班有遺留問題必須當班及時處理。各巡視工在開機前必須各負其責，仔細檢查設備運行狀況，確保設備安全。集控系統工檢查控制列車各控制系統、泵站、乳化液濃度、供電、阻化劑噴灑、煤層注水、巷道斷面噴霧、列車附近巷道積水等情況，并通過控制列車通信系統掌握皮帶開停狀況。采煤機巡視工檢查采煤機滾筒截齒、注油、管線等情況。三機巡視工檢查刮板小梁、電機及減速器冷卻、注油等情況。電氣檢修工檢查控制列車通信系統、供電系統、照明系統等情況。維護工檢查兩巷超前支架各管線、液壓系統竄、漏液情況，超前支護情況，作業循環情況等。

工作面各巡視工在完成巡檢，同時無其他外因影響，確保設備和其他人員安全條件下，匯報工長或跟班隊長，然后由工長或跟班隊長發布開機指令，準備開機。開機前，集控系統工確認皮帶巷皮帶輸送機正常運行。皮帶巷皮帶輸送機機尾不受集控系統的控制。開機后，各巡視工跟機巡視，發現異常，立即閉鎖停機。

3.3 開機作業

啟動泵站為工作面設備供液、供水；啟動按鈕為采煤機遠程送電，成功送電后采煤機控制系統能正常工作，通過集控系統控制軟件能夠遠程監視采煤機狀態數據；啟動工作面運輸系統，通過操作集中控制系統軟件，依據工藝要求啟動工作面運輸系統。

完成已選擇的采煤工藝段后，采煤機牽停，在集控列車操作采煤機遠停按鈕為采煤機斷電；待工作面運輸系統將原煤完全運出后操作軟件使運輸系統停機；確認工作面液壓支架不再動作后，將泵站系統停機；關閉集控系統操作軟件，為系統斷電；為工作面所有設備斷電，切斷負荷中心電源。

4 應用效果分析

1）經濟效益顯著提高。斜溝煤礦18106 工作面采煤機具備自動化記憶割煤功能、液壓支架自動跟機等功能，工作面集控臺安裝有一臺萬兆環網交換機，實現了遠程控制的功能，減少了井下人員的數量。綜采隊由原先的64 人減少到47 人，節省了人工費68 萬元/年，工作面日產量增加至9000 t/d，實現了真正的安全高效生產，不僅降低了井下生產的危險性，還提高了生產效率。

2）智能化集控系統在斜溝煤礦18106 工作面成功建設及應用后，也為其他礦井智能化建設提供了經驗及依據。

5 結論

本文通過對綜采工作面智能化集成控制系統進行分析，主要結論如下：

1）綜采工作面智能化集控系統由多個部分組成，智能化集控系統的運行方式主要分為兩類：一種是自動運行模式，一種是人工操作模式。

2）智能化集控系統操作主要包括開機前準備、開機作業和系統停機三個步驟。

3）該系統在斜溝煤礦的現場應用效果良好，減少了井下工作人員的數量，提高了該工作面的生產效率。