綜放工作面智能化開采工藝研究

李海龍

(山西汾西礦業(yè)集團 高陽煤礦,山西 孝義 032306)

煤炭開采時受煤層賦存條件復雜、瓦斯涌出量大、粉塵質量濃度高等多種不利因素影響,采用先進的技術手段提高井下開采設備綜合自動化、智能化水平,降低井下作業(yè)人員數(shù)量,對提高煤炭安全生產(chǎn)有顯著的促進意義[1-3]。為此,文章在借鑒以往研究成果的基礎上,以1303工作面為工程研究對象,對采面采用的智能化開采工藝進行分析,以期為其他類似采面智能化開采工作提供經(jīng)驗借鑒。

1 工程概況

1303工作面位于一盤區(qū)南部東側,是山西某礦建設的首個自動化工作面,工作面設計走向長度為1 656 m,傾斜長度為260 m.回采的3號煤厚度6.0～5.5 m、平均6.3 m,傾角5°.3號煤層頂?shù)装鍘r性以粉砂巖、砂質泥巖以及泥巖為主。1303工作面設計采高2.8 m、放煤高3.5 m,該工作面在材料巷內(nèi)布置供電、供液和集控中心,工作面設備供電電壓1 140 V,由設備列車集中供電,所用乳化液由地面遠程集中供給。

1303工作面內(nèi)配備的主要開采設備如表1所示。1303工作面從2020年10月24日開始安裝,2021年3月1日開始正式集中調試。截至2021年7月10日,1303自動化工作面在地面集控中心實現(xiàn)一鍵啟停和遠程控制,全工作面實現(xiàn)自動化運行,工作面刮板輸送機、轉載機電機減速器關鍵點實現(xiàn)在線監(jiān)測。下文重點對采面使用的智能化開采工藝進行分析。

表1 采面設備配備情況

2 1303工作面智能化開采關鍵技術

2.1 液壓支架電液控制系統(tǒng)

2.1.1 液壓支架常規(guī)控制功能

系統(tǒng)可實現(xiàn)對本架及鄰架的手動電控,具有單架和成組控制、聲音報警、急停閉鎖、故障自診斷功能。通過每個支架配置1個控制器、24功能電液控換向閥和驅動器實現(xiàn)。

2.1.2 液壓支架自動化功能

支架控制器通過接收集控中心發(fā)出的采煤機編碼器位置及運行方向,實現(xiàn)自動跟機拉架、自動伸(收)護幫、自動推溜、自動拉溜。電液控制系統(tǒng)自動完成對液壓支架尾梁和插板的控制,完成自動放煤。

2.1.3 液壓支架的工況監(jiān)測和姿態(tài)調整功能

支架控制器通過采集行程、壓力、傾角傳感器數(shù)據(jù)進行自動調整支架姿態(tài),并上傳集控中心進行實時工況數(shù)據(jù)分析處理。

2.1.4 液壓支架礦壓監(jiān)測及分析功能

通過液壓支架立柱壓力傳感器實現(xiàn)集控中心實時動態(tài)顯示監(jiān)測參數(shù)并實時報警、連續(xù)監(jiān)測曲線顯示分析、歷史數(shù)據(jù)報警記錄、簡單故障自診斷并上傳地面功能。

2.2 采煤機控制系統(tǒng)

2.2.1 工況監(jiān)測及顯示

采煤機控制系統(tǒng)可實現(xiàn)采煤機的位置、速度,左右滾筒高度,機身仰俯角度,牽引方向,系統(tǒng)電壓,截割電機工作電流、電機溫度,機頭、機尾的采高、臥底,煤機滾筒運行軌跡等的監(jiān)測。具體實現(xiàn)路徑為[4-8]:

1) 安裝于采煤機右側編碼器1個,與右牽引電機軸相連,用于對采煤機位置、速度的采集計算;

2) 安裝于左右搖臂(靠近搖臂與采煤機連接軸)傾角傳感器2個,測量搖臂傾角;安裝于電控腔內(nèi)部傾角傳感器1個,測量機身傾角;

3) 安裝于采煤機搖臂振動傳感器2個,監(jiān)測搖臂振動;安裝于左右牽引電機三級(最大)齒輪邊緣D齒輪傳感器2個,用于采煤機位置、速度的計算;

4) 安裝于采煤機機身中部1個復位傳感器,復位磁鐵分別裝于前刮板機10架和112架支架位置,數(shù)量各1個,對采煤機位置進行校正;

5) 安裝于采煤機中部一套FYF5紅外線發(fā)射器,通過發(fā)射紅外線指示采煤機的位置。具體各監(jiān)測設備及傳感器布置情況如圖1所示。

圖1 監(jiān)測設備及傳感器布置示意

2.2.2 遠程控制

通過集控中心操作鍵盤,經(jīng)過系統(tǒng)內(nèi)部程序向采煤機發(fā)送指令進行遠程控制,控制延時時間不得超過100 ms.具體實現(xiàn)路徑為:安裝于采煤機機身靠支架側無線發(fā)射、接收裝置1個;安裝于支架(隔6架或9架)上無線AP共15個,用于數(shù)據(jù)傳輸,達到遠程控制。

2.2.3 瓦斯預警功能

采煤機配備機載瓦檢儀,當瓦斯超限時采煤機具備報警、減速、斷電停機等功能。

2.2.4 負載聯(lián)運控制功能

集控中心實時監(jiān)測刮板運輸機工作電流狀況和轉載機處安裝的煤流、煤量傳感器提供的參數(shù),當負荷較大時,集控系統(tǒng)減慢牽引速度。

2.2.5 慣導系統(tǒng)功能

采煤機內(nèi)部安裝慣導系統(tǒng),通過實時采集采煤機的運行軌跡獲得刮板輸送機曲線,通過集控中心數(shù)據(jù)處理分析和支架配備的精準推溜系統(tǒng),最終實現(xiàn)工作面三直兩平管理。

2.3 運輸系統(tǒng)

2.3.1 運輸系統(tǒng)的工況監(jiān)測及故障報警停車功能

1) 通過與膠帶變頻器通訊,采集運行的電壓、電流、軸承溫度繞阻溫度、膠帶帶速、運行頻率傳入集控中心,在綜合監(jiān)控界面上集中顯示,并對異常數(shù)據(jù)報警停車。

2) 通過采集刮板運輸機減速器上安裝的油溫、油位、軸承溫度傳感器等,采集變頻器電壓、電流、頻率等數(shù)據(jù)傳入集控中心,在綜合界面上集中顯示,并對異常數(shù)據(jù)報警。

2.3.2 運輸系統(tǒng)的控制功能

控制模式包括就地控制、遠程控制及自動控制等,通過工作面及巷道膠帶機集控語音通訊實現(xiàn)三機的就地、遠程、自動控制,啟停預警,沿線閉鎖,急停控制,自動模式下優(yōu)先就地停車控制。冷卻水自動控制:根據(jù)三機啟停狀態(tài),自動控制冷卻水的電磁閥,實現(xiàn)自動控制。

2.4 巷道集控

2.4.1 一鍵啟停功能

在巷道集控中心對設備進行“一鍵”啟停操作,實現(xiàn)乳化液泵站、除鐵器、膠帶機、破碎機、轉載機、后/前刮板輸送機、噴霧泵站、采煤機設備的啟停操作。

2.4.2 集中、遠程控制

集中、遠程控制的主要功能為:實現(xiàn)對液壓支架的遠程控制、工作面運輸設備的集中控制、對工作面泵站的集中控制。具體實現(xiàn)路徑為:通過工作面控制中心鍵盤實現(xiàn)設備的啟停操作; 通過通訊協(xié)議及CAN總線通訊完成各設備的運行數(shù)據(jù)采集、集中控制。

2.4.3 監(jiān)測功能

綜采工作面設備工況的監(jiān)測。實現(xiàn)運輸設備的啟停狀態(tài)、工作電流、功率等工況顯示;液壓支架的姿態(tài)、壓力值、推移行程、各電磁閥的工作狀態(tài)、通訊狀態(tài)等工況顯示;泵站系統(tǒng)的出口壓力、油溫油位狀態(tài)、液箱液位等工況顯示。具體實現(xiàn)路徑為:集控中心通過與工作面液壓支架的CAN總線通訊,實現(xiàn)對液壓支架的工況監(jiān)測。通過采集變頻器與組合開關的485通訊,實現(xiàn)對運輸設備的工況監(jiān)測。通過與乳化液泵站系統(tǒng)的電控箱485通訊,高壓反沖洗、回液反沖洗壓力傳感器及乳化液箱濃度傳感器的反饋通訊,來實現(xiàn)對泵站和反沖洗系統(tǒng)的工況檢測。

在工作面布置68臺千兆網(wǎng)絡交換機,通過萬兆網(wǎng)線和光纖進行連接,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸。

2.4.4 視頻功能

在工作面端頭、工作面端尾各配備1臺本質安全型綜合接入器,礦用光纜連接,通過網(wǎng)絡攝像儀,采用以太網(wǎng)進行視頻信息及數(shù)據(jù)信息傳輸,接入到集控中心視頻服務器,通過6臺防爆顯示器對工作面所有視頻及數(shù)據(jù)進行顯示(含跟機視頻、轉載點視頻、防誤入視頻)。監(jiān)控顯示巷道、支架和采煤機的網(wǎng)絡攝像頭視頻畫面。

2.5 設備列車、泵站及過濾系統(tǒng)、供電系統(tǒng)

設備列車上通過安裝支架控制器、電磁閥驅動器、無線遙控等設備,實現(xiàn)就地及無線控制,拉移之前聲光報警。

2.5.1 泵站及過濾系統(tǒng)

1) 監(jiān)測監(jiān)控:采集乳化液泵安裝的油溫、油位、液位、壓力、乳化液濃度傳感器數(shù)據(jù),通過泵站的集控箱傳入集控中心,在綜合監(jiān)控界面上集中顯示,油溫、油位、壓力異常時保護停車,液位低于設定值時自動補液,采集噴霧泵出口安裝的壓力傳感器數(shù)據(jù),傳入集控中心顯示,并實現(xiàn)壓力異常報警。

采集高壓反沖洗過濾站、回液過濾站安裝的進出口壓力傳感器數(shù)據(jù),通過分站傳入集控中心,在綜合監(jiān)控界面上集中顯示,并實現(xiàn)超壓報警。

2) 乳化泵聯(lián)動控制:通過泵站集控箱與巷道集控中心,可實現(xiàn)對泵站的單設備啟停控制,以及實現(xiàn)多臺泵站的聯(lián)動控制。

3) 噴霧泵就地遠程控制:通過工作面及巷道膠帶機集控語音通訊和巷道集控中心實現(xiàn)就地遠程控制。

2.5.2 供電系統(tǒng)

1) 遠程監(jiān)測及控制:通過485通信接口采集移動變電站、組合開關、照明綜保的電壓、電流等數(shù)據(jù),傳入集控中心顯示運行參數(shù)和故障報警,集控中心通過485通信接口遠程控制。

2) 井下集控中心安裝UPS備用電源,保障集控中心供電可靠性。

2.6 煤流、煤量監(jiān)測系統(tǒng)

實時監(jiān)控轉載機上的順煤流煤量大小,綜合分析當前煤流量等級,得出結論來控制采煤機牽引速度和截割煤量,使設備實現(xiàn)降低能耗,綠色運輸?shù)墓δ堋＞唧w實現(xiàn)路徑為:通過采集轉載機上瞬時煤量的高度來分析當前煤量,通過對前后刮板輸送機負荷電流大小做出判斷,實現(xiàn)對采煤機減速控制或停止液壓支架自動放煤動作。

2.7 人員防誤入系統(tǒng)

防誤入系統(tǒng)由視屏采集、智能視覺算法和控制程序組成。 防誤入的預警、停機是通過在前溜機頭劃定危險區(qū)域,當智能系統(tǒng)檢測到此危險區(qū)域內(nèi)有人員誤入時,發(fā)出語音預警,并將前后溜及轉載機急停,實現(xiàn)了對井下危險區(qū)域的智能實時監(jiān)控。

3 現(xiàn)場應用情況分析

3.1 現(xiàn)場應用存在問題分析及解決措施

1) 自動拉架過程中,支架放煤口由于存在矸石別卡情況,部分放煤口不能充分關閉。采取的措施:優(yōu)化支架程序,拉架過程中再次自動伸插板,保證放煤口充分關閉。

2) 液壓支架前伸縮梁、尾梁行程傳感器出現(xiàn)設計不合理,致使行程傳感器和電纜損壞情況嚴重。采取的措施:前梁伸縮行程傳感器重新設計,更改行程傳感器尺寸;尾梁行程傳感器在插板油缸耳子上加裝鋼筋,用U型環(huán)與傳感器連接。

3) 工作面及巷道語音集控通訊系統(tǒng)的主機控制系統(tǒng)為單片機,抗變頻器諧波等外界干擾能力差,易發(fā)生運行過程中通訊不穩(wěn)定情況。采取的措施:主機外殼設置獨立接地線,主機內(nèi)加裝3塊光電輸入隔離模塊,避免了外界干擾。

3.2 現(xiàn)場應用效果

1303工作面為礦井首個智能化開采工藝面,鄰近的1301工作面采用傳統(tǒng)的綜放開采工藝。兩個采面位于同一個采區(qū)且位置鄰近,采面回采區(qū)域內(nèi)煤層賦存參數(shù)基本一致,為此統(tǒng)計兩個采面生產(chǎn)期間煤炭開采情況,人員使用情況以及推進速度、產(chǎn)量等,用以分析智能化開采應用效果。兩個采面人員使用情況比對如表2所示。從表2看出,采用智能化開采工藝,在減員增效方面表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。

表2 采面人員使用情況比對結果

兩個采面開采統(tǒng)計結果如圖2所示。

圖2 采面煤炭回采統(tǒng)計圖

從圖2看出,采用智能化開采工藝后,采面單刀煤炭產(chǎn)量穩(wěn)定在1 625 t,煤炭產(chǎn)出率約為92%.而采用傳統(tǒng)的綜放工藝時采面單刀產(chǎn)量穩(wěn)定在1 470 t,煤炭產(chǎn)出率約為75%.12308綜放工作面采用智能化開采方案后,采面煤炭產(chǎn)率由75%提升至92%,在一定程度上提升了煤炭開采效率。

4 結 語

智能化開采是提高井下煤炭產(chǎn)量、減少井下人員數(shù)量以及提升煤炭開采效益的主要途徑之一。文中以1303工作面為工程背景,對采面使用的智能化開采工藝及設備進行分析,智能化開采工藝在減少井下作業(yè)人員數(shù)量、提高安全生產(chǎn)保障能力以及降低勞動強度等方面有顯著的促進意義。