永智煤礦綜采工作面智能化技術研究與應用

李正合,王雁峰,越二亮

(準格爾旗永智煤炭有限公司,內蒙古 鄂爾多斯 017100)

隨著信息技術的不斷發展和煤礦礦用裝備的更新換代,煤礦正從機械化換人、自動化替人逐漸向智能化無人開采方向邁進。方新秋[1]分析了無人開采需要解決的關鍵技術;王國法[2]提出了煤礦智能化是煤炭工業高質量發展核心技術支撐的科學思想,闡述了煤礦智能化的定義和總體要求,明確了煤礦智能化發展的目標;張科學等[3]分析了工作面調斜控制的內在根本原因和外在誘發原因,并通過工業測試驗證;賀海濤[4]提出了綜采工作面智能化開采系統架構,并指出3項關鍵技術:采煤機智能化割煤技術、液壓支架自適應控制技術和綜采工作面直線度控制技術。葛世榮[5]提出了完整的煤礦機器人技術體系框架,分析了煤礦機器人的防爆設計、機械系統創新、動力驅動、智能傳感、定位導航、井下通信等共性關鍵技術研究進展。崔耀等[6]研究了大采高工作面智能開采工藝、智能設備配套,建立大采高工作面多設備協同作業控制機制,并在上灣煤礦8.8 m超大采高工作面進行了應用。

綜合現階段的研究成果,智能開采建設及應用雖已開始普及但仍處于起步階段。本文以永智煤礦5101綜采工作面為背景,對綜采工作面智能化展開研究與應用,以推進礦山智能化建設,最終實現“人得解放,少人則安”的目的。

1 工程背景

永智煤礦生產能力為1.80×106t/a,現主采5-1煤,5-1煤平均煤厚3.88 m,煤層傾角1°～3°.5101工作面位于二水平5-1盤區,工作面設計長度為225 m,推進長度約為2 500 m,是永智煤礦建設的首個智能化工作面。該工作面現配備MG650/1620-WD型采煤機、ZY12000/26/52D液壓支架、SGZ1000/2×700型刮板輸送機、DSJ120/120/2×355型可伸縮帶式輸送機、SZZ1000/315型轉載機、PCM200型破碎機、ZY2300型膠帶自移機尾、BRW500/31.5型乳化泵、BPW400/16型噴霧泵。

2 采煤機系統智能化

5101綜采工作面采煤機搭載了智能集成主控單元、采煤機巷道控制系統和機載外圍傳感器,實現了采煤機記憶割煤、遠程控制、通信預警、狀態監測與報警、故障診斷等智能化功能。采煤機智能化架構如圖1所示。

圖1 采煤機智能化架構

2.1 采煤機智能控制

采煤機具備記憶截割功能,按照學習的內容記錄采煤機位置參數、滾筒軌跡等,進行智能化運算,實現采煤機的自動調高、臥底等功能。采煤機具有遠程開啟或停止記憶截割模式的功能:可實現學習記憶、自動操作、自動過程的在線學習修正,無限制的中斷與恢復,自動控制的精度高,搖臂動作速度快且定位精確;可以在線修改設備進刀點、折返點等自動化系統工藝參數。

采煤機有就機操作、遠程自動控制兩種模式互鎖功能,在本機模式下,不允許遠程控制;在遠程控制模式下允許就機控制,用以保證采煤機操作的安全性。運行前采煤機對基本模塊進行狀態檢測,電機啟動預警,在自動操作模式下,對各關鍵傳感器和執行環節工作狀態實施連續監測,異常時報警或退出自動模式。采煤機自動記憶截割模式下,各項操作均可人工干預,人工干預具備較高的優先級。當工作面環境發生變化,記憶數據與實際數據差距較大時,記憶截割停止運行,并可通過人工干預方式修改記憶截割軌跡。當自動化開采發生故障,需進行采煤機遠程急停時,可使用軟件控制急停方式,該方式自動化控制系統通過通訊方式向采煤機機身控制箱發出指令,使采煤機截割電機斷電,牽引停止。在遠程控制狀態下,采煤機需要與自動化控制系統主機進行握手通訊。如通信不正常,采煤機立即報警并停機。

2.2 采煤機狀態監測

通過安裝的采煤機外圍傳感器,可實時顯示各工作電機運行電流、溫度、液壓系統壓力、油箱油位、水路壓力、冷卻水流量、設備故障信息實現異常報警和保護;可實時顯示滾筒高度及臥底量,限制采高、臥底,實現自動調高;實時監測并顯示采煤機的行走速度和定位采煤機位置,并提供與支架聯動、區域限速、端頭限制功能;實時監測采煤機的俯仰角度及采煤機行走方向的工作面傾角,并可以實現俯仰采限制,外圍傳感器布置如圖2所示。

圖2 智能化采煤機外圍傳感器布置示意

3 支護系統智能化

3.1 電液控制系統智能化

液壓支架裝備有電液控制器、傾角傳感器、電磁閥驅動器、紅外線接收器、壓力傳感器、位移傳感器,單架配置如圖3所示。液壓支架通過電液控制系統進行控制,具有下述控制功能:

圖3 液壓支架單架配置圖

1) 單架控制功能:鄰架控制,隔架控制,計算機遠程控制移架、推溜、噴霧等動作。

2) 成組控制功能:以工作面的任何一個支架為操作架,向左或向右連續相鄰的若干個支架為一組,執行支架的某一單動作或聯合動作:成組移架、成組推溜、成組噴霧等。操作的具體架數可人為設定,系統需滿足同時不少于3架支架同時交叉移架的需求。系統須具有群組協同控制功能。電液控制器功能示意如圖4所示。

圖4 電液控制器功能示意

3) 具有平衡千斤頂浮動功能。立柱動作時可同時開啟平衡千斤頂功能調整液壓支架頂梁平直。

4) 割三角煤自動化功能。依據采煤機割煤工藝可以實現割三角煤支架、刮板機的自動化協同運行。

5) 消除運輸機間隙功能。每次推溜之前,通過消除運輸機長孔和推移桿之間的間隙,保障推移行程的精確性和保障工作面平直。該功能配合支架雙速邏輯控制閥使用,實現支架推移的精準控制,對推移油缸精準控制精度為小于10 mm,最終保證工作面達到良好的找直效果。

3.2 智能自動補液系統

電液控制系統可實現實時自動補液狀態監測與預警,及時自動補液以保證初撐力。支架在正常支撐的情況下,因頂板松動等原因導致立柱下腔壓力低于設定值時,電控系統自動發送升柱指令將立柱壓力補充至初撐力,當支架控制系統與井下主控計算機斷開后,通過操作控制器仍能完成各種操作功能和操作模式的設置,人工手動操作優先。

3.3 礦壓監測與分析系統

電液控制系統實時監測全工作面礦壓,控制頂梁和頂板平行,保障支護質量。系統將工作面頂板壓力監測結果,推移油缸行程,采煤機位置、方向等數據傳輸至集控中心,即時生成礦壓監測報表,通過對工作面支架的立柱壓力進行分析,可得到工作面支架單架及整體壓力趨勢,實現礦壓分析并對頂板初次來壓和周期來壓進行預警。

3.4 采煤機與液壓支架聯動

液壓支架上的電液控制器配備遠程通信和控制功能的通信接口,能夠與綜采智能化控制系統進行雙向通信,向綜采智能化控制系統傳輸液壓支架的狀態、工作面采高、推移行程、立柱壓力、支架伸/縮高度、傾角、位置等數據。電液控制器可接收并執行由電液控制系統傳輸過來的調整刮板運輸機直線度的指令。可根據采煤機位置和行走方向跟隨采煤機完成自動推溜、自動移架、自動伸收護幫、自動反沖洗、自動噴霧。

4 綜合保障系統智能化

4.1 智能集控中心

在井下建設有集控中心和地面建設分控中心,實時監測采煤機、液壓支架、供電系統、泵站的工況、運行環境數據和故障信息,設備故障時進行報警,并顯示故障錯誤信息,具備故障的記錄和診斷分析功能,當設備運行異常時,可以通過人工干預手段對設備進行遠程干預。對重點區域進行定點視頻監控,在采煤過程中,對煤機前后滾筒區域跟機視頻監控。集控中心可完成工作面設備順序啟停和急停,實現對采煤機、液壓支架的遠程控制和工作面運輸機、轉載機、破碎機集中自動化控制。

4.2 集成供液控制系統

集控中心通過與泵站乳化液配比控制器的通信,實現泵站自動化配置的實時狀態監測,實現乳化液泵、清水泵的遠程控制,通過變頻器調節泵流量,保證工作面乳化泵出口壓力的恒定。

泵站系統及乳化液配比裝置的相關運行數據經過數據通訊傳輸給集控中心,并在自動化主機上進行顯示,顯示內容需包含:泵站工作狀態、控制模式、泵站油溫、油位、出口壓力及壓力差、液箱液位以及乳化液配比質量濃度等,同時具備泵站運行故障報警的顯示功能。泵站系統遠程控制,實現單臺乳化泵啟停、單臺清水泵啟停、自動配比啟停、泵站聯動啟停以及泵站系統急停功能,可根據液壓支架需求,實時啟動單泵或多泵,并可對乳化泵變頻器進行遠程調節。泵站及泵站控制系統配置圖如圖5所示。

圖5 泵站及泵站控制系統配置圖

4.3 工作面自動找直系統

工作面自動找直系統包括陀螺儀、軟件等。找直系統安裝在采煤機上,利用高精度慣性定位裝置實現精確到300 mm工作面對齊調直控制。采用精小化自動找直信號接收裝置,便于安裝布置煤層支架。高精度陀螺儀與采煤機位置測量系統相連。采煤機能將高精度陀螺儀獲取到的采煤機行走狀態數據通過無線方式發送給工作面電液控制系統的控制器,通過工作面以太網傳輸至控制平臺。智能控制系統分析后得出采煤機割煤曲線和運輸機全長度位置曲線。通過采煤機推移行程數據、采煤機自身編碼器和慣性導航對數據同時進行校準,系統生成刮板運輸機位置曲線。電液控制器執行控制平臺發出的調直指令,通過精準推移,達到工作面調直的目的。

5 應用效果

5101智能化綜采工作面建成以后,應用效果良好。井下生產班作業人員由原來的13人減少到了4人(支架和煤機巡檢工各1名,井下集控臺司機1人,機動人員1人)。智能化生產過程中人工干預率小于5%,且完全能夠保障產量和質量。人員數量得以大幅度減少,人員工效得到了大幅度提高。

6 結 語

1) 采煤機通過智能集成主控單元、采煤機巷道控制系統和機載外圍傳感器對采煤機進行智能控制,實現了采煤機記憶割煤、狀態監控;液壓支架通過電液控制系統實現了智能控制、自動補液、工作面礦壓分析,通過與綜采智能化控制系統連接,實現了采煤機與液壓支架的聯動。

2) 綜合保障系統包括智能集控系統、智能集成供液控制系統和工作面自動找直系統,保障了綜采工作面各系統的狀態監控、調節和正常運轉。5101綜采工作面各系統的聯通,使工作面具備智能化水平,減少了工作面作業人員的數量,提升了人工工效。