薄煤層綜采工作面智能化控制技術(shù)應(yīng)用

楊燕敏

（晉能控股裝備制造集團(tuán)寺河二號井，山西 晉城 048000）

如何提高薄煤層機(jī)械化開采水平是困擾我國煤炭工業(yè)健康持續(xù)發(fā)展的薄弱環(huán)節(jié)?，F(xiàn)階段薄煤層工作面仍以炮采作業(yè)為主，輔以單體支柱、鉸接頂梁等簡易設(shè)備。受制于薄煤層作業(yè)空間狹小，不利于裝備大型設(shè)備，采煤智能化程度低、經(jīng)濟(jì)效益差、安全事故多發(fā)，無法滿足現(xiàn)階段煤炭企業(yè)對薄煤層綜采設(shè)備的需求?；诖?，許多礦區(qū)先后開展薄煤層智能化成套設(shè)備研發(fā)項(xiàng)目，對薄煤層智能化開采技術(shù)進(jìn)行深入研究［1-2］。

1 薄煤層賦存特征

寺河礦二號井94316 工作面煤層傾角2°～15°，平均5°，煤層平均厚度1.1 m，可采儲量0.33 Mt。煤層直接頂為3.9 m 厚粉砂巖，抗壓強(qiáng)度31.3 MPa，屬中等穩(wěn)定頂板； 基本頂為5.3 m厚細(xì)砂巖，抗壓強(qiáng)度28.8 MPa，屬穩(wěn)定頂板。直接底為3.5 m 厚砂質(zhì)泥巖，抗壓強(qiáng)度25.2 MPa，屬較穩(wěn)定巖層。94316 工作面綜合柱狀圖如圖1 所示。

2 薄煤層智能化項(xiàng)目的目標(biāo)

1）改善薄煤層工作面作業(yè)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)薄煤層綜采工作面智能化、無人化、高效化作業(yè)。受限于采煤空間，留給現(xiàn)場作業(yè)人員活動(dòng)空間異常狹小，工作面內(nèi)人員往往需長時(shí)間彎腰甚至爬行作業(yè)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，安全系數(shù)低，因此，提高薄煤層綜采裝備智能化程度是未來發(fā)展的方向。

2）改善薄煤層綜采工作面裝備匹配特性，實(shí)現(xiàn)薄煤層綜采裝備之間的良好配套。受限于作業(yè)空間，采煤機(jī)“大功率”與“小機(jī)身”之間的問題較為突出。通過記憶切割技術(shù)、采煤機(jī)定姿定位、改進(jìn)液壓支架智能控制系統(tǒng)等多重措施，提高采煤機(jī)輸出功率，優(yōu)化其外形尺寸，實(shí)現(xiàn)薄煤層綜采智能化控制。

3）延長關(guān)鍵設(shè)備使用壽命，降低設(shè)備故障率。針對薄煤層工作面空間狹小、維修工作困難等諸多問題，從現(xiàn)場實(shí)踐、理論分析等多角度對薄煤層綜采工作面配套設(shè)備可靠性進(jìn)行分析，提高遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的可靠性。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 采煤機(jī)記憶截割

目前，記憶切割技術(shù)是薄煤層智能化綜采工作面核心技術(shù)。該技術(shù)是預(yù)先由人工操縱采煤機(jī)沿工作面割煤進(jìn)行示范操作，集控中心將采煤機(jī)運(yùn)行軌跡及巷道頂?shù)装迩闆r等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行存儲與分析，在隨后的正常割煤環(huán)節(jié)，由集控中心提供指令控制采煤機(jī)的運(yùn)行。當(dāng)遭遇煤巖界面突變時(shí)，采煤機(jī)司機(jī)優(yōu)先根據(jù)工作面監(jiān)控信息進(jìn)行煤巖界面識別，對采煤機(jī)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行修正，采煤機(jī)進(jìn)入下一個(gè)正常作業(yè)循環(huán)，如圖2 所示。

圖2 采煤機(jī)記憶截割技術(shù)

圖3 采煤機(jī)紅外發(fā)射器的連接

寺河二號井9#煤層下部為700～800 mm 的煤，上部為500～600 mm 的矸石，在回采過程中，采煤機(jī)需經(jīng)常性割頂作業(yè)，采煤機(jī)截齒磨損及損壞程度加大。

綜合各類因素后選用MG210/485-WD 型采煤機(jī)，其擁有成熟的自動(dòng)化控制系統(tǒng)及慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，具有功率大、長度適中、機(jī)面高度適宜、可靠性高等諸多優(yōu)勢，有助于實(shí)現(xiàn)記憶割煤功能。

3.2 紅外定位方式

紅外線定位技術(shù)作為薄煤層智能化工作面關(guān)鍵技術(shù)中的重要一環(huán), 在94316 工作面得到成功應(yīng)用。液壓支架紅外線定位技術(shù)主要通過紅外線發(fā)射器和接收器實(shí)現(xiàn).紅外線發(fā)射器安置于采煤機(jī)靠近液壓支架一側(cè)，接收器安裝于液壓支架控制器內(nèi)，與原支架控制器整合到一起，安置于液壓支架上。紅外線發(fā)射器發(fā)出的紅外線呈30°的發(fā)射角，覆蓋范圍廣，無論液壓支架處于傾倒、升架、降架等狀態(tài)，均能接收紅外線信號，及時(shí)跟機(jī)移架。

3.3 液壓支架多方位信號采集與多網(wǎng)融合技術(shù)

采煤作業(yè)中實(shí)時(shí)掌握液壓支架工作狀態(tài)至關(guān)重要，包含液壓支架位置、載荷、姿態(tài)等諸多信息，進(jìn)而對工作面各相關(guān)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷，如刮板輸送機(jī)是否呈直線狀態(tài)、頂板來壓是否正常、采煤機(jī)臥底量等相關(guān)信息，為安全生產(chǎn)提供技術(shù)支撐。為了全面收集支架狀態(tài)信息，在其不同位置安裝不同類型傳感器，每架頂梁安裝1 臺pm 32/sg/age 型控制器、1 臺液壓主閥和1 臺反沖洗閥，每架立柱單向鎖安裝1 臺壓力傳感器，每架推移油缸內(nèi)安裝1 個(gè)推移行程傳感器，如圖4 所示。

圖4 單架液壓支架電液控制系統(tǒng)

液壓支架存在照明線路、通信線路、傳感器采集、主閥控制網(wǎng)絡(luò)等諸多相關(guān)線路，為了降低故障率，將其融合在液壓支架控制器中，控制器之間通過電纜連接，實(shí)現(xiàn)多信號傳輸。

支架電液控制系統(tǒng)需實(shí)時(shí)顯示液壓支架運(yùn)行狀態(tài)，包括支架立柱壓力、推移行程、煤機(jī)位置、正在運(yùn)行動(dòng)作等關(guān)鍵信息。數(shù)據(jù)分析結(jié)果以圖像的形式在順槽集控中心與地面調(diào)度指揮中心同步展示出來，包括立柱壓力曲線、工作面高度分布曲線、工作面礦壓分析曲線等相關(guān)內(nèi)容，由當(dāng)班監(jiān)控人員負(fù)責(zé)信息收集與處理。

為保證液壓支架安全運(yùn)行，其電液控制系統(tǒng)設(shè)置為非主- 從機(jī)型，在與主機(jī)斷開的情況下，仍能完成各種常規(guī)操作［3-6］。

3.4 綜采自動(dòng)化地面遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)采面關(guān)鍵設(shè)備數(shù)據(jù)上傳，通過礦井網(wǎng)絡(luò)上傳至地面調(diào)度指揮中心，實(shí)現(xiàn)工作面設(shè)備信息匯集，滿足工作面視頻與監(jiān)控設(shè)備數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸； 實(shí)現(xiàn)對采面綜采設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的收集、處理功能，具備自動(dòng)分析功能；實(shí)現(xiàn)故障自動(dòng)報(bào)警功能，包括采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備的故障類型顯示、管理等諸多功能.工控平臺采用vistwo 軟件平臺，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的“一鍵”啟?？刂坪瓦h(yuǎn)程干預(yù)操控功能，地面遠(yuǎn)程控制中心結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 地面遠(yuǎn)程控制中心結(jié)構(gòu)

4 現(xiàn)場應(yīng)用

薄煤層綜采智能化控制系統(tǒng)經(jīng)地面調(diào)試正常后，于2020 年1 月完成井下所有設(shè)備的安裝、單機(jī)調(diào)試和聯(lián)合試運(yùn)轉(zhuǎn)并進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)。全方位的視頻監(jiān)測實(shí)現(xiàn)了皮帶集控與順槽集控中心的連鎖控制，皮帶司機(jī)由3 人減少為1 人；支架沿程布置低照度視頻監(jiān)測攝像頭，紅外線定位技術(shù)使得液壓支架自動(dòng)跟機(jī)功能得到充分實(shí)現(xiàn)，在順槽集控中心即可實(shí)現(xiàn)液壓支架的操作。寺河二號井94316 工作面薄煤層智能化控制達(dá)到預(yù)期設(shè)想，初步實(shí)現(xiàn)薄煤層綜采智能化，達(dá)到減員增效的目的。

5 結(jié)語

結(jié)合寺河二號井94316 工作面煤層賦存特征，分析薄煤層煤機(jī)裝備存在的弊端，通過對現(xiàn)有煤機(jī)裝備進(jìn)行優(yōu)選與升級，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)記憶截割、液壓支架紅外定位、液壓支架多方位信號采集與多網(wǎng)融合功能等諸多功能，實(shí)現(xiàn)了薄煤層條件下薄煤層綜采工作面智能化開采，改善工作面作業(yè)環(huán)境，降低作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度，現(xiàn)場應(yīng)用效果良好。