王坡煤礦3308 綜采工作面智能化系統(tǒng)改造與應(yīng)用

張煥峰 陳品華

（山西天地王坡煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000）

煤礦綜采工作面復(fù)雜工況極易對作業(yè)人員身體健康造成危害[1-3]。如何將工人從高危作業(yè)環(huán)境中解放出來一直是國家和業(yè)內(nèi)科技工作者關(guān)注的焦點(diǎn)問題[4]。加快煤礦智能化改造，推動煤礦裝備智能化和高端化水平，實現(xiàn)井下固定崗位無人值守與遠(yuǎn)程監(jiān)控及各系統(tǒng)智能化決策和自動化協(xié)同運(yùn)行是解決上述問題的有效途徑[5-6]。本文對王坡煤礦3308 綜采工作面智能化系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行研究，以期為類似工程條件礦井智能化系統(tǒng)設(shè)計提供參考和借鑒。

1 工作面概況

王坡煤礦3308 綜采工作面位于3#煤層三采區(qū)南翼中部，煤層平均傾角3°，平均厚度4.2 m。直接頂為泥巖，平均厚度2.15 m；基本頂為粉砂巖，平均厚度7.62 m；直接底為泥巖，平均厚度1.95 m；基本底為粉砂質(zhì)泥巖，平均厚度3.26 m。工作面長度175 m，推進(jìn)長度2124 m。采用綜采放頂煤回采工藝，全部垮落法管理頂板。工作面采高2.9 m，放煤高度1.3 m，采放比為1:0.45。改造前3308 綜采工作面智能化水平不高，用工人數(shù)多，生產(chǎn)效率低。3308 綜采工作面主要設(shè)備見表1。

表1 3308 工作面主要設(shè)備表

2 智能化控制系統(tǒng)改造方案設(shè)計

為降低工作面用工人數(shù)，提高工作面智能化水平和生產(chǎn)效率，設(shè)計對3308 綜采工作面進(jìn)行智能成套裝備改造。改造后的智能化系統(tǒng)主要由順槽監(jiān)控中心、采煤機(jī)自動化控制系統(tǒng)、支架電液控制系統(tǒng)、三機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)、工作面語音通信控制系統(tǒng)、智能集成供液系統(tǒng)、順槽皮帶機(jī)控制系統(tǒng)、移動變電站監(jiān)測系統(tǒng)、工作面以太網(wǎng)和地面分控中心等部分構(gòu)成。以下針對3308 綜采工作面現(xiàn)有采煤機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、刮板輸送機(jī)及液壓支架電控系統(tǒng)改造方案進(jìn)行具體說明。

2.1 采煤機(jī)改造設(shè)計

3308 綜采工作面現(xiàn)有MG300/700-WD 型雙滾筒采煤機(jī)，為提高采煤機(jī)智能化水平，對其進(jìn)行如下改造：1）為采煤機(jī)配置一路12 V/1 A 本安隔離直流電源，用以為電液控制系統(tǒng)紅外線發(fā)射器供電。2）在3308 順槽監(jiān)控中心內(nèi)設(shè)置一臺順槽監(jiān)控箱，利用RS-485 接口連接順槽監(jiān)控箱與自動化控制系統(tǒng)，采用標(biāo)準(zhǔn)MODBUS RTU 協(xié)議通信。3）在3308 綜采工作面轉(zhuǎn)角處設(shè)置一臺分線箱和中繼箱，采煤機(jī)的數(shù)據(jù)通過載波通信傳輸至中繼箱，再經(jīng)過光纖傳輸至順槽監(jiān)控中心內(nèi)的順槽監(jiān)控箱，以實現(xiàn)采煤機(jī)數(shù)據(jù)、控制指令與順槽監(jiān)控箱的長距離雙向?qū)崟r通信。MG300/700-WD 型雙滾筒采煤機(jī)改造明細(xì)見表2，采煤機(jī)傳感器布設(shè)位置如圖1。

圖1 采煤機(jī)傳感器布置圖

表2 采煤機(jī)改造明細(xì)

2.2 三機(jī)改造設(shè)計

3308 綜采工作面現(xiàn)有轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)和前后部刮板輸送機(jī)信息化智能化水平不足，為實現(xiàn)轉(zhuǎn)載機(jī)和前后部刮板輸送機(jī)的變頻驅(qū)動及成套設(shè)備的動力部工況監(jiān)測功能，為3308 綜放工作面提供信息化、智能化技術(shù)支持，對三機(jī)設(shè)備進(jìn)行了智能化升級，三機(jī)改造明細(xì)見表3。

表3 三機(jī)改造明細(xì)

2.3 液壓支架電控系統(tǒng)配置方案（單架）

3308 綜采工作面電液控系統(tǒng)智能化改造后，具備自動跟機(jī)放煤控制、成組多輪放煤控制、三角煤“機(jī)架協(xié)同”控制以及記憶放煤等功能。液壓支架電控系統(tǒng)配置方案詳見表4。

表4 液壓支架電控系統(tǒng)配置方案（單架）

2.4 智能集成供液系統(tǒng)

2.4.1 智能集成供液系統(tǒng)構(gòu)成

智能集成供液系統(tǒng)是集泵站、電磁卸載自動控制、泵站智能控制、變頻控制、乳化液自動配比、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)記錄與上傳于一體的自動化設(shè)備，同時也是一套完整的綜采工作面供液系統(tǒng)解決方案。

2.4.2 遠(yuǎn)距離供液系統(tǒng)

隨著采掘設(shè)備機(jī)械化程度的提升，顯著增大了工作面液壓系統(tǒng)對乳化液的需求，導(dǎo)致乳化液泵站功率越來越大，出口壓力不斷提高，而變頻器、自動配比裝置在乳化液泵站的廣泛應(yīng)用，使工作面的供液能力得到加強(qiáng)，也導(dǎo)致設(shè)備對巷道空間的占用面大幅增加[3]。目前多數(shù)工作面的供液設(shè)備均安放在順槽皮帶機(jī)頭處，占用空間大，導(dǎo)致人、物通過不暢和設(shè)備列車移動不便，降低了回采速度[5]。為了消除以上缺陷，提高煤礦的生產(chǎn)效率和資源回收率，充分利用現(xiàn)有的先進(jìn)設(shè)備，提出了遠(yuǎn)距離供液的方式。將泵站從變電列車移出，在工作面順槽以外或者軌道大巷單獨(dú)設(shè)置一個固定泵站，采用遠(yuǎn)距離鋼管管路供液，即可減少變電列車數(shù)量，又可以降低檢修工的檢修工作量，同時消除變電列車外移所造成的安全隱患。

智能集成供液系統(tǒng)包括鋼管、連接器、合流器、安全閥、萬向彎頭、截止閥、分流器等結(jié)構(gòu)，將乳化液泵高壓介質(zhì)輸送至工作面，并通過分流器接入工作面液壓膠管。

1）管路。選用27SiMn 鋼管，實現(xiàn)了公稱40 MPa 長距離供液的穩(wěn)定性，其最大實驗壓力高達(dá)70 MPa，安全系數(shù)可達(dá)4 倍以上，管道設(shè)計壽命可達(dá)10 a。27SiMn 鋼管可以在不同采區(qū)工作面多次安裝拆卸使用（特別針對本礦以后所有工作面的重復(fù)使用，節(jié)省巨大成本），年綜合使用成本比高壓橡膠管和法蘭便宜耐用，而且正常生產(chǎn)中不會劃傷或泄漏，提高了安全生產(chǎn)性能。

2）連接器。溝槽式管路連接系統(tǒng)是壓力響應(yīng)式密封系統(tǒng)，密封圈套入兩連接鋼管的端部，兩片卡件包裹密封圈承受密封圈傳遞的壓力，卡口鋼管溝槽，上緊兩圓頭橢圓徑螺栓，實現(xiàn)鋼管的密封連接。外殼抗腐蝕50 a，可以重復(fù)拆卸，是法蘭安裝的1/10 的時間，無焊接。

3）密封。密封圈設(shè)計為壓力響應(yīng)式結(jié)構(gòu)，密封面直徑基于鋼管外徑。介質(zhì)壓力越大，密封越緊密。密封材料采用進(jìn)口橡膠原料并添加碳纖維以保證各項指標(biāo)均滿足性能要求。

4）管路固定安裝方式。整條管路采用固定支撐，管路在不長于8 m 時每條管路的近管端設(shè)置吊裝工具進(jìn)行吊裝支撐；管路8～12 m 時，管路中間位置設(shè)置吊裝進(jìn)行支撐。管路每200 m 安裝進(jìn)回液高壓閘閥，安全閥總成安裝在乳化液泵站端鋼管連接處，壓力表總成安裝在支架端鋼管連接處，過濾器安裝在進(jìn)回液支架前端確保進(jìn)支架乳化液的純度，根據(jù)管路系統(tǒng)整體走向確定使用定制彎頭進(jìn)行連接。管道每200 m 設(shè)有專用截止閥（溝槽式閘閥）、安全閥及耐震壓力表；安全閥和壓力表通過溝槽式三通聯(lián)接；管路轉(zhuǎn)彎處需經(jīng)長半徑小角度彎頭或萬向彎頭過渡，以適應(yīng)高壓管路的需要；管卡或接頭處可選用可視保護(hù)罩進(jìn)行安全保護(hù)；量身設(shè)計蓄能器確保管路使用壓力正常，同時在進(jìn)液管路中每300 m 設(shè)置一個三通接頭方便沿路系統(tǒng)中用液變向使用。

2.4.3 主要功能

1）電磁卸荷恒壓供液控制

各泵站均具有液控及電控雙控卸荷閥，可實現(xiàn)泵站空載啟動及空載停機(jī)功能，解決了泵站啟動瞬間電機(jī)電流過大對電網(wǎng)沖擊的問題，實現(xiàn)了空載啟動、空載停泵過程與高壓系統(tǒng)隔離，避免高壓系統(tǒng)的震動。

2）在線監(jiān)測和故障診斷功能

設(shè)有泵站潤滑油油溫、油位、泵站出口壓力等傳感器，實現(xiàn)主要設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測、預(yù)警與保護(hù)功能。控制系統(tǒng)具有防吸空保護(hù)功能，通過液位傳感器監(jiān)測液箱和水箱的液位值，當(dāng)達(dá)到預(yù)警值時在主機(jī)畫面中提示報警，當(dāng)達(dá)到警戒值時停機(jī)保護(hù)。泵體上配備必要的監(jiān)測儀表和監(jiān)控裝置，如壓力表、礦用本質(zhì)安全型變送接線盒等，用于采集溫度、液位、水位等傳感器數(shù)據(jù)。

3）乳化液泵站的主泵變頻控制

將乳化液泵站變頻控制與電磁卸載結(jié)合，充分發(fā)揮變頻控制和電磁卸載的優(yōu)勢，提高泵的有效利用率，降低不必要的功率損耗和磨損，實現(xiàn)節(jié)能高效，實現(xiàn)泵站變頻與電磁卸載智能聯(lián)動控制技術(shù)，避免了普通泵站變頻控制技術(shù)存在的低速重載、運(yùn)動部件磨損劇烈等問題；泵站變頻與電磁卸載智能聯(lián)動控制技術(shù)，提高了泵站的響應(yīng)速度，能夠根據(jù)工作面要求實現(xiàn)快速恒壓供液。

3 工作面智能化系統(tǒng)應(yīng)用情況

王坡煤礦3308 綜采工作面智能化系統(tǒng)改造完成并聯(lián)合試運(yùn)轉(zhuǎn)以來，工作面采煤設(shè)備全部實現(xiàn)了遠(yuǎn)程集中控制、采煤機(jī)記憶割煤采煤、三機(jī)智能監(jiān)控、液壓支架自動跟機(jī)放煤和遠(yuǎn)程“一鍵啟停”等功能。通過智能成套裝備改造，增配了采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架等相應(yīng)的傳感器并將數(shù)據(jù)上傳到順槽監(jiān)控中心與地面調(diào)度指揮中心，實現(xiàn)對設(shè)備運(yùn)行狀況和健康狀況的實時監(jiān)測，及時對有故障隱患設(shè)備進(jìn)行檢修與處理，降低維修時長和費(fèi)用。相較于智能化改造前，每班下井人數(shù)減少為17 人，每班下井人數(shù)降低22.7%，人均生產(chǎn)效率提高31.1%。每天減少人員數(shù)量10 人，按照目前人均勞動成本15萬/年計算，年節(jié)約人工費(fèi)用150 萬元。

4 結(jié)語

基于3308 綜采工作面現(xiàn)有設(shè)備情況，對其智能化控制系統(tǒng)改造進(jìn)行了方案設(shè)計，主要得到以下結(jié)果：

1）對工作面現(xiàn)有采煤機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、刮板輸送機(jī)和液壓支架電控系統(tǒng)進(jìn)行了改造設(shè)計，并給出了具體改造明細(xì)，實現(xiàn)了工作面采煤設(shè)備遠(yuǎn)程集中控制、采煤機(jī)記憶割煤采煤、三機(jī)智能監(jiān)控、液壓支架自動跟機(jī)放煤和遠(yuǎn)程“一鍵啟停”等功能。

2）現(xiàn)場應(yīng)用情況表明：3308 綜采工作面智能成套裝備改造完成并投入運(yùn)行后，降低了設(shè)備維修時長和費(fèi)用，工作面用人數(shù)量降低22.7%，人均生產(chǎn)效率提高31.1%，年節(jié)約人工費(fèi)用150 萬元，達(dá)到了減人提效的目的。