綜放工作面智能化升級改造與應用

袁 泉

(中煤西安設計工程有限責任公司,陜西 西安 710054)

0 引言

煤礦智能化建設的根本目標是提升安全保障水平和高效生產(chǎn)能力,打造本質(zhì)安全型礦井[1-3]。近年來,各級政府以及煤炭企業(yè)大力推進煤礦智能化建設,分類、分級、分步制定智能化升級計劃,新建和改造了一批具有鮮明技術特點的智能化煤礦示范項目,推動了煤炭行業(yè)由傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)向高端化、智能化方向發(fā)展[4-6]。截至2022年底,全國已累計建成智能化煤礦572處,智能化采掘工作面1 019個,同比增加25.3%,圍繞“增安、減人、提效”的目標,礦井減災、抗災能力顯著提升。以山西中煤東坡煤礦915綜放工作面為智能化升級改造對象,以最大限度利用現(xiàn)有設備為原則,升級工作面割煤、支護、供液、監(jiān)控等主要系統(tǒng),以期達到減人增效的目的,實現(xiàn)常態(tài)化智能采煤。

1 工程概況

東坡煤礦915工作面采用綜合機械化放頂煤開采工藝。設計工作面長度200 m,割煤高度為3.5 m,放頂煤高度為13.5 m,采放比為1∶3.8,工作面推進長度1 200 m。開切眼煤層傾角3°～5°,工作面輔助運輸巷為5.2 m×3.5 m的矩形斷面,帶式輸送機巷為5.5 m×3.5 m的矩形斷面。915綜放工作面已有主要綜采設備包括1臺MG500/1180-WD型雙滾筒采煤機,SGZ1000/1400和SGZ1200/1400型前、后部刮板輸送機部各1部及1部SZZ1200/700型轉(zhuǎn)載機,液壓支架包含118架ZFY12000/20/37型中間架,2架ZT27600/23/40型端頭架以及4架ZFDC5800/23/39型端頭架;泵站包括3臺BRW630/37.5型乳化液泵和2臺BPW500/16型噴霧泵;另配備有1套KTC101語音通訊系統(tǒng)。

2 改造目標和系統(tǒng)架構

2.1 改造目標

基于山西中煤東坡煤礦對智能化工作面的建設需求,915綜放工作面智能化升級改造堅持實用原則,最大限度利用現(xiàn)有設備,在合理控制投資的前提下建成中級智能化采煤工作面。以“采煤機記憶截割、支架一鍵放煤、自動跟機、實時視頻監(jiān)控、人工遠程干預、各系統(tǒng)協(xié)同控制”的智能化開采技術為基礎,以實現(xiàn)在集控平臺對綜采設備集中控制為主要目標,最終建立“工作面設備自動化運行為主、人工干預為輔”的生產(chǎn)模式,并實現(xiàn)智能化采煤的常態(tài)化應用。

2.2 系統(tǒng)架構

升級后的系統(tǒng)主要以采煤機自動控制系統(tǒng)、液壓支架電液控制系統(tǒng)、泵站控制系統(tǒng)為基礎,以視頻監(jiān)控、人員定位和故障診斷系統(tǒng)為保障,以高度集控系統(tǒng)為平臺,滿足井下集控和地面遠控的控制要求,實現(xiàn)對液壓支架、采煤機、泵站、刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機、帶式輸送機、語音及視頻系統(tǒng)等主要綜采設備的遠程監(jiān)控。

工作面智能化升級改造主要包括以下7個方面。一是升級采煤機電控系統(tǒng),使之具備就地遙控及遠程控制、工況監(jiān)測、數(shù)據(jù)存儲、故障報警、記憶截割等智能化功能。二是將液壓支架手動閥組升級改造為電液控制系統(tǒng),同時優(yōu)化支架控制工藝,實現(xiàn)液壓支架電液控制、鄰架操作、成組動作等功能。三是新增直線度監(jiān)測系統(tǒng),采煤機安裝高精度光纖慣性導航檢測其運行軌跡,實現(xiàn)對工作面彎曲度的監(jiān)測,進而實現(xiàn)工作面調(diào)直控制。四是新增泵站控制系統(tǒng),實現(xiàn)泵站系統(tǒng)集中控制和運行狀態(tài)實時檢測。五是新增工作面人員精確定位及主動防護系統(tǒng),可準確反映工作面作業(yè)人員位置,及時進行架間閉鎖,對人員安全進行主動防護。六是升級視頻監(jiān)控系統(tǒng),實現(xiàn)對采煤作業(yè)場所及設備運行情況的動態(tài)監(jiān)控,滿足自動跟機的監(jiān)測要求。七是新增地面及井下集中控制系統(tǒng),對采煤機、液壓支架、運輸、視頻、供液、人員定位等系統(tǒng)及設備進行遠程監(jiān)測和控制。升級后的智能開采系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 升級后的智能開采系統(tǒng)組成示意Fig.1 Composition of the upgraded intelligent mining system

3 工作面智能化升級改造

3.1 采煤機智能化升級

對現(xiàn)有普通型采煤機電控系統(tǒng)的升級改造,將原有的主控箱和檢測箱替換為自動化主控箱和自動化檢測箱,增加行走編碼器、搖臂動傾角傳感器、油缸磁滯位移傳感器、機身傾角傳感器,還增加了采煤機外圍部分傳感器,采煤機機身安裝一套慣性導航系統(tǒng)及并預留AC127V交流電源。

采煤機升級改造后可實現(xiàn)自動控制、工況監(jiān)測、數(shù)據(jù)存儲、故障報警、記憶截割等功能,同時具備有線形式數(shù)據(jù)上傳功能,接入智能化集控系統(tǒng),實現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測及遠程集控。采煤機具備遙控控制、遠程控制、滾筒截割路徑記憶、自適應調(diào)速、調(diào)高等控制功能,能夠?qū)崿F(xiàn)工況數(shù)據(jù)監(jiān)測、牽引方向、牽引速度、搖臂溫度、油箱油溫油位、位置、采高及姿態(tài)等的監(jiān)測,并具備電機過載、溫度、牽引和截割恒功率、防碰撞等保護功能。采用高精度光纖慣導作為刮板機直線度測量的核心傳感裝置,可實現(xiàn)在300 m工作面檢測誤差小于0.05 m。直線度監(jiān)測系統(tǒng)通過集控系統(tǒng)與支架電液控制系統(tǒng)的相互配合,有效實現(xiàn)了工作面直線檢驗。采煤機傳感器配置及示意安裝位置如圖2所示。

圖2 采煤機傳感器配置及示意安裝位置Fig.2 Shearer sensor configuration and installation position

3.2 支架電液控制系統(tǒng)升級

現(xiàn)有液壓支架采用的是純手動操縱閥控制方式,要實現(xiàn)工作面智能化開采,必須將原手動閥組操作模式升級改造為電液控制操作模式[7-9]。更換電液控制系統(tǒng)需要將手動片閥更換為插裝式換向閥組,更換液壓管路,加裝電液控制器、電源、壓力傳感器、行程傳感器、紅外線接收器、線控放煤鍵盤等。電液控制系統(tǒng)主要由支架控制器(1件/架)、電磁閥驅(qū)動器(1件/架)、電液換向主閥(1件/架)、隔爆兼本安型穩(wěn)壓電源(1臺/6架)、礦用本安型雙向隔離耦合器(1臺/6架)、礦用本安型中繼器(1臺/6架)、壓力傳感器(2件/架)、位移傳感器(1件/架)、傾角傳感器(5件/架)、支架警示燈(1件/架)、煤機定位紅外線接收器(1件/架)、支架無線遙控器(10件)系統(tǒng)等組成。液壓支架傳感器配置及示意安裝位置如圖3所示。

圖3 液壓支架傳感器配置及示意安裝位置Fig.3 Sensor configuration and installation position of hydraulic support

工作面電控系統(tǒng)可實現(xiàn)液壓支架本架操作、緊急閉鎖、鄰架控制和成組控制功能。通過立柱上安裝的紅外線接收器實時接收工作面采煤機的位置信息,可與采煤機配合完成指定動作,支架能滿足與采煤機、刮板機進行自動割煤要求。紅外線傳感器通過數(shù)字信號獲取采煤機的運行方向、運行位置的監(jiān)測數(shù)據(jù),可保證將采煤機位置檢測精度在±1架以內(nèi)。通過在立柱底座安裝的壓力傳感器實時監(jiān)測工作面頂板壓力分布情況,顯示和存儲相關數(shù)據(jù),在后臺繪制工作面壓力云圖,實現(xiàn)對礦壓的實時監(jiān)測分析。支架在正常支撐情況下,當立柱壓力小于原始設定值時,電控系統(tǒng)會立即發(fā)出補壓指令,對立柱支撐壓力進行及時補充。通過在支架的底座、連桿、頂梁、護幫等位置安裝的傾角傳感器,經(jīng)過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理,按照支架運動模型計算出支架當前的真實姿態(tài)和高度,在集控平臺實時反饋,及時調(diào)整支架姿態(tài),保證工作面采高要求。

3.3 供液系統(tǒng)智能化升級

供液泵站作為工作面的主要動力源,穩(wěn)定的輸出壓力和供液能力直接關系到工作面的開采效率[10-12]。供液系統(tǒng)的自動化程度,直接影響現(xiàn)場使用的便捷性,因此需要對供液系統(tǒng)進行智能化升級,增加泵站控制系統(tǒng)。實現(xiàn)乳化液泵站的變頻調(diào)速控制、恒壓供液控制和運行數(shù)據(jù)自動監(jiān)控等功能,對泵站運行情況進行實時監(jiān)測,具有急停、閉鎖保護功能。每臺乳化泵和噴霧泵各裝配1個入口壓力傳感器,1個潤滑油壓力傳感器和1個潤滑油溫度傳感器,系統(tǒng)輸出配1個總出口壓力傳感器,液箱配有1個液位傳感器。

3.4 工作面視頻監(jiān)控系統(tǒng)升級

工作面視頻監(jiān)控系統(tǒng)為智能化開采系統(tǒng)提供對工作面開采現(xiàn)場、關鍵設備運行狀況的視頻輔助監(jiān)測,升級方案為對液壓支架按照每6架設置1臺高清云臺攝像儀用于監(jiān)測煤壁及順煤流跟機視頻。云臺攝像儀可根據(jù)自動化系統(tǒng)反饋的采煤機位置信息實現(xiàn)自動跟機旋轉(zhuǎn)并調(diào)節(jié)鏡頭和焦距,確保生產(chǎn)過程中采煤機前后滾筒區(qū)域的跟機監(jiān)控,當采煤機超出監(jiān)控范圍后能夠自動切換適宜位置的攝像儀,實現(xiàn)持續(xù)監(jiān)控。為實現(xiàn)設備定點監(jiān)測,在超前液壓支架,前、后刮板輸送機尾,帶式輸送機機頭、機尾等位置安裝6個攝像頭,實現(xiàn)固定點全方位視頻監(jiān)測。另外,在井下集控室內(nèi)配置1臺視頻主機用于工作面視頻監(jiān)控,主要顯示采煤機跟隨畫面,包括跟隨采煤機對滾筒和煤壁狀態(tài)的監(jiān)測畫面和跟隨采煤機對工作面遠景的監(jiān)測畫面。工作面視頻監(jiān)控系統(tǒng)設備配置及安裝位置如圖4所示。

圖4 工作面視頻監(jiān)控系統(tǒng)配置及示意安裝位置Fig.4 Video monitoring system configuration and installation position on the working face

3.5 工作面人員精確定位系統(tǒng)升級

工作面人員精確定位系統(tǒng)采取UWB定位技術,實現(xiàn)在工作面定位精度小于0.3 m,可滿足采煤工作面對人員定位精度的要求。經(jīng)集控系統(tǒng)的智能控制,實現(xiàn)了人員的主動防護。在轉(zhuǎn)載機處布置1臺定位基站,連接4個接收器,可對工作面巷道從機頭至集控室之間的人員進行精確定位。在工作面平均布置3臺定位基站,每臺基站連接4個接收器,可對整個工作面的人員進行精確定位。在支架上配備定位標簽,通過人員定位卡,識別人員在液壓支架的位置,達到自動跟機時,自動動作閉鎖,實現(xiàn)人員安全保護。

3.6 井下及地面集控系統(tǒng)升級

井下工作面集控系統(tǒng)是工作面設備協(xié)同控制、實現(xiàn)智能化開采的核心,包含集控室、監(jiān)控主機、顯示器、操作臺等設備,具有通訊控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)及工作面視頻顯示、數(shù)據(jù)存儲分析及故障診斷和查詢打印等功能。集控中心采取框架裝配,由2臺礦用隔爆兼本質(zhì)安全型計算機,6臺礦用隔爆兼本質(zhì)安全型顯示器,2件礦用本安型鍵盤,1臺礦用本安型云臺攝像儀等設備組成。地面集控系統(tǒng)包含主要采煤設備信息集成及數(shù)據(jù)上傳系統(tǒng)、智能泵站監(jiān)測系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)及顯示集成等,可實現(xiàn)工作面可視化、設備遠程操控、語音通話、數(shù)據(jù)存儲及統(tǒng)計分析等功能。在地面調(diào)度中心設置一個工作面分控中心,配置3個操作面板、2臺主機、配備4臺顯示器及1套操作臺。

3.7 建設成果

東坡煤礦915綜放工作面已按照上述智能化升級改造方案改造完成,目前已順利通過地方主管部門組織的竣工驗收,達到了中級智能化采煤工作面建設水平。通過“技術換人”的方式實現(xiàn)工作面減員,生產(chǎn)班單班作業(yè)人數(shù)由20人減少至13人,最大限度降低了工人的勞動強度,為礦井的安全生產(chǎn)提供了有力保障,體現(xiàn)了“增安、減人、提效”的設計理念。工作面液壓支架和采煤機的自動化開機率達到80%以上,基本形成了“以自動化生產(chǎn)為主、人工干預為輔、遠程實時監(jiān)控指揮”的綜合智能開采模式,實現(xiàn)綜采設備連續(xù)安全、高效運行。

4 結(jié)語

智能化采煤工作面的建成是智能化綜采技術成功應用的最終體現(xiàn)。通過實際生產(chǎn)應用,不僅對智能化綜采技術進行了可靠驗證,也大力促進了智能綜采技術的發(fā)展和進步,為煤炭行業(yè)智能化技術發(fā)展起到有力推進作用。東坡煤礦915智能化綜放工作面的成功運營,提高了煤礦的自身效益,也是對國家關于加快建設智能化煤礦號召的積極響應,對類似條件下智能化綜放工作面改造項目具有指導和參考意義。