綜采工作面遠(yuǎn)程控制采煤技術(shù)探討

孫 江(中國國電集團(tuán)工程建設(shè)部綜合產(chǎn)業(yè)處，北京 100032)

綜采工作面遠(yuǎn)程控制采煤技術(shù)探討

孫 江
(中國國電集團(tuán)工程建設(shè)部綜合產(chǎn)業(yè)處，北京 100032)

介紹了國內(nèi)外綜采工作面遠(yuǎn)程控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，對比國內(nèi)外技術(shù)水平；分析了國內(nèi)各項目技術(shù)特點(diǎn)和效果。根據(jù)目前綜采工作面遠(yuǎn)程控制采煤技術(shù)水平，指明提高與改進(jìn)方向。多個項目應(yīng)用該技術(shù)表明綜采工作面遠(yuǎn)程控制采煤技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理、安全高效。

綜采工作面； 遠(yuǎn)程控制； 采煤技術(shù)

1 前言

近年來煤炭開采工藝不斷進(jìn)步，從普采、綜合機(jī)械化采煤方式逐步發(fā)展到綜采單機(jī)自動化采煤方式，安全技術(shù)水平、煤炭回采率不斷提高。隨著煤礦裝備技術(shù)水平發(fā)展，煤炭開采工藝不斷向無人智能化方向發(fā)展，有利于提高系統(tǒng)設(shè)備的整體性和設(shè)備利用率，從根本上遏制人員傷亡事故。單機(jī)自動化水平的持續(xù)提高為綜采工作面智能化開采奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)，根據(jù)我國國情，為實(shí)現(xiàn)智能化開采，采取了兩步走戰(zhàn)略，目前階段先實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制采煤技術(shù)，然后再過渡到智能無人采煤作業(yè)。本文針對目前國內(nèi)綜采遠(yuǎn)程控制采煤技術(shù)，探討其發(fā)展和使用情況。

2 發(fā)展綜采遠(yuǎn)程控制技術(shù)的意義

綜采工作面環(huán)境惡劣，大部分綜采工作面空間狹窄、溫度高、濕度大、煤塵多、噪音高、大功率設(shè)備多且工況復(fù)雜。工人在工作面近距離操作各種設(shè)備, 遇瓦斯煤塵爆炸、冒頂、透水等緊急情況時，極易引發(fā)人身傷亡事故。

綜采工作面設(shè)備系統(tǒng)龐大、復(fù)雜，傳統(tǒng)綜采工藝條件下多種設(shè)備均獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)行，人為控制多種設(shè)備配合完成生產(chǎn)，由于人為操作，難免出現(xiàn)誤操作，不利于安全生產(chǎn)、提高設(shè)備利用率，同時，各臺設(shè)備使用及監(jiān)測數(shù)據(jù)互相獨(dú)立，不能及時融合，無法形成對數(shù)據(jù)的集中處理，對工作面生產(chǎn)環(huán)境的反映不夠全面。

綜上所述，如能實(shí)現(xiàn)綜采工作面遠(yuǎn)程控制采煤技術(shù)，不但能將人員從相對危險的綜采工作面解放出來，還有利于對設(shè)備的集中控制和監(jiān)測數(shù)據(jù)處理，生產(chǎn)安全高效，經(jīng)濟(jì)效果好。

3 國內(nèi)外遠(yuǎn)程控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

實(shí)現(xiàn)無人化綜采工作面開采技術(shù)是當(dāng)前采礦界研究的熱點(diǎn)問題，我國綜采工作面遠(yuǎn)程控制采煤技術(shù)研究起步相對較晚，經(jīng)過10余年的技術(shù)發(fā)展已基本達(dá)到國際先進(jìn)水平。

3.1 澳大利亞LASC公司遠(yuǎn)程控制技術(shù)

目前，國外最先進(jìn)的綜采工作面遠(yuǎn)程控制采煤技術(shù)以澳大利亞LASC公司為代表，見圖1，于2001年起開始研發(fā)，截至目前，澳大利亞70%的長壁工作面已經(jīng)采用該技術(shù)。該公司技術(shù)的性能特點(diǎn)如下。

(1)采煤機(jī)自動定位及上下?lián)u臂調(diào)高、記憶割煤。

(2)實(shí)現(xiàn)綜采工作面“三直自動調(diào)整”功能，長時間無人干預(yù)。

(3)控制中心可以根據(jù)多設(shè)備感知和監(jiān)測相關(guān)數(shù)據(jù)對采煤生產(chǎn)進(jìn)行自動干預(yù)，特殊情況可人工介入。

(4)液壓支架自動追機(jī)移架、推移，可設(shè)置移架方式，不同拉架方式。

(5)刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)電機(jī)溫度及油脂自動監(jiān)控，電機(jī)以降壓方式啟動，“三機(jī)”啟動和軟啟動集成控制，“三機(jī)”鏈條可實(shí)現(xiàn)自動張緊，帶式輸送機(jī)機(jī)尾自動伸縮，轉(zhuǎn)載及破碎機(jī)可實(shí)現(xiàn)自移。

(6)實(shí)現(xiàn)有人跟機(jī)巡視作業(yè)。

(7)實(shí)現(xiàn)局部視頻監(jiān)控工程。

澳大利亞LASC技術(shù)起點(diǎn)高，技術(shù)領(lǐng)先，并且制訂了完整的標(biāo)準(zhǔn)體系，與其它知名煤機(jī)公司簽訂了許可協(xié)議，這些公司使用LASC技術(shù)時必須遵循LASC標(biāo)準(zhǔn)，同時LASC已經(jīng)制定了未來5～10年的發(fā)展計劃，重點(diǎn)攻克煤巖識別技術(shù)和綜采工作面高清攝像技術(shù)。

圖1 LASC遠(yuǎn)程控制采煤技術(shù)示意圖

3.2 我國綜采工作面遠(yuǎn)程控制采煤技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

截至目前，國內(nèi)綜采工作面各單機(jī)設(shè)備自動化控制技術(shù)取得了一定的成果，支撐了綜采工作面遠(yuǎn)程控制技術(shù)的發(fā)展，其中采煤機(jī)已經(jīng)具備了人為短暫干預(yù)自動截割功能，液壓支架的電液控制系統(tǒng)，乳化液泵站智能控制系統(tǒng)、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)控制系統(tǒng)已經(jīng)完全實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化，基本上達(dá)到了國外同類產(chǎn)品的技術(shù)水平，見圖2，具體表現(xiàn)在以下幾個方面。

(1)采煤機(jī)自動定位，搖臂高度檢測，記憶割煤。

(2)綜采工作面“三直”需要人工介入，但軟件系統(tǒng)已經(jīng)可融合LASC“三直”技術(shù)，實(shí)現(xiàn)綜采工作面自動調(diào)直。

圖2 我國采煤遠(yuǎn)程控制技術(shù)示意圖

(3)控制中心可以根據(jù)多設(shè)備感知和監(jiān)測相關(guān)數(shù)據(jù)對采煤生產(chǎn)進(jìn)行自動干預(yù)，特殊情況可人工介入。

(4)液壓支架自動追機(jī)移架、推移，可設(shè)置移架方式，不同拉架方式。

(5)刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)電機(jī)溫度及油脂自動監(jiān)控，電機(jī)以降壓方式啟動，“三機(jī)”啟動和軟啟動集成控制，“三機(jī)”鏈條可實(shí)現(xiàn)自動張緊，帶式輸送機(jī)機(jī)尾自動伸縮，轉(zhuǎn)載及破碎機(jī)可實(shí)現(xiàn)自移。

(6)實(shí)現(xiàn)全工作面視頻拼接，實(shí)現(xiàn)無人遠(yuǎn)控作業(yè)。

(7)依據(jù)視頻拼接技術(shù)實(shí)現(xiàn)工作面全視頻覆蓋。

和國外先進(jìn)技術(shù)相比，我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的綜采工作面遠(yuǎn)程控制采煤技術(shù)已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步，見表1。

表1 國內(nèi)外自動化控制技術(shù)對比

4 綜采工作面遠(yuǎn)程控制采煤技術(shù)在我國的應(yīng)用

目前國內(nèi)煤礦裝備企業(yè)也在積極探索綜采自動化工作面的技術(shù)研究，國內(nèi)相關(guān)科研機(jī)構(gòu)利用自身優(yōu)勢進(jìn)行了各方面的嘗試，取得了有效的成果，大致分以下幾個階段，見表2。

表2 我國綜采工作面遠(yuǎn)程控制采煤技術(shù)發(fā)展階段表

(1)神華集團(tuán)神東公司榆家梁煤礦的44305綜采工作面、兗礦集團(tuán)楊村煤礦的4602自動化工作面引進(jìn)國外設(shè)備。2個工作面的典型特征是都以液壓支架電液控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，在頂?shù)装鍡l件好的情況下，實(shí)現(xiàn)支架跟隨采煤機(jī)的自動化移架、推移刮板輸送機(jī)等作業(yè)，而采煤機(jī)的各種調(diào)整尚需人工干預(yù)，其中4602工作面實(shí)現(xiàn)了分段遙控，最終減少1名拉架工。

(2)陜煤集團(tuán)黃陵一礦1001工作面煤層賦存條件較好，通過應(yīng)用“以工作面自動控制為主，監(jiān)控中心遠(yuǎn)程干預(yù)為輔”的綜采自動化生產(chǎn)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)采場“有人巡視、無人操作”的開采模式，突破性的提出地面遠(yuǎn)程操控采煤模式，最終實(shí)現(xiàn)減員5人。

(3)陽煤集團(tuán)新元煤礦煤層賦存條件較差，針對工作面礦壓大、瓦斯?jié)舛雀?、地質(zhì)構(gòu)造多、底板松軟等煤層特點(diǎn)，引入了支架雙柱壓力檢測，瓦斯?jié)舛葯z測與采煤機(jī)割煤速度聯(lián)動，采煤機(jī)與支架協(xié)調(diào)配合、數(shù)據(jù)共享等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高瓦斯、復(fù)雜地質(zhì)條件與采煤工藝下全工作面自動化開采最終實(shí)現(xiàn)減員5人。

以上兩項目均實(shí)現(xiàn)了設(shè)備國產(chǎn)化，成套自動化設(shè)備布置到了地質(zhì)條件更為復(fù)雜的綜采工作面，在自動化追機(jī)移架的前提下，大部分時間采煤機(jī)無需人工干預(yù)，最終實(shí)現(xiàn)工作面內(nèi)“1人巡視，2人遠(yuǎn)程操作”的常態(tài)化生產(chǎn)。

(4)兗礦集團(tuán)轉(zhuǎn)龍灣煤礦煤層賦存條件較差，在“以工作面自動控制為主，監(jiān)控中心遠(yuǎn)程干預(yù)為輔”的綜采自動化生產(chǎn)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，以視頻拼接技術(shù)為切入點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了全工作面視頻覆蓋和設(shè)備動態(tài)全景畫面展示，同時引進(jìn)澳大利亞LASC綜采工作面自動校直技術(shù)，實(shí)現(xiàn)綜采工作面自動校直常態(tài)化生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)減員5人。

實(shí)現(xiàn)綜采工作面遠(yuǎn)程控制采煤技術(shù)后與傳統(tǒng)采煤工藝減員效果對比見圖3和圖4。

5 我國綜采工作面遠(yuǎn)程控制采煤技術(shù)的發(fā)展方向

我國自主研發(fā)的綜采工作面遠(yuǎn)程控制采煤成套設(shè)備已經(jīng)實(shí)現(xiàn)綜采工作面遠(yuǎn)程控制開采，以此作為基礎(chǔ)，進(jìn)一步向自動智能化采煤技術(shù)發(fā)展，提高設(shè)備的可靠性、智能性，即實(shí)現(xiàn)“無人”，又實(shí)現(xiàn)“智能”，筆者認(rèn)為應(yīng)從以下方面突破。

圖3 傳統(tǒng)采煤工作面人員分布圖

圖4 遠(yuǎn)程控制采煤工作面人員分布圖

(1)采煤機(jī)。目前我國自主研制的采煤機(jī)已實(shí)現(xiàn)自動記憶割煤，按照人工預(yù)先割好的示范刀，自動重復(fù)割煤，工作面頂?shù)装宄霈F(xiàn)變化時，人工按照跟機(jī)人員的判斷及視頻反映內(nèi)容及時介入調(diào)整，下一步應(yīng)該根據(jù)掘進(jìn)巷道所揭露的巷道地質(zhì)情況及鉆孔數(shù)據(jù)對回采工作面預(yù)計推進(jìn)范圍進(jìn)行預(yù)判，根據(jù)預(yù)判結(jié)果建立割煤模型，提前將采煤機(jī)割煤程序編寫進(jìn)采煤機(jī)，采煤機(jī)按照預(yù)先編入的程序自動割煤，自行調(diào)高。

(2)多設(shè)備數(shù)據(jù)融通及數(shù)據(jù)處理。目前技術(shù)條件下，人工在順槽操作間可以觀測到相關(guān)設(shè)備反映的數(shù)據(jù)及變量，需要依靠人為調(diào)整工作面支護(hù)方式及割煤方式，設(shè)備本身只有數(shù)據(jù)監(jiān)測和反饋工程，并不具備數(shù)據(jù)處理能力，下一步應(yīng)向智能化采煤發(fā)展，系統(tǒng)各設(shè)備反映出的數(shù)據(jù)匯總到監(jiān)控主機(jī)，按照事先預(yù)定好的模型，對設(shè)備反饋的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，參照處理結(jié)果對當(dāng)前工作面的綜合狀態(tài)進(jìn)行歸類選擇，進(jìn)而完成對采煤類型、支護(hù)方式的選擇，規(guī)避地質(zhì)條件頻繁變化對自動化采煤技術(shù)的影響。

(3)建立采煤設(shè)備通訊協(xié)議國家統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。綜采設(shè)備多個制造商的接口方式與通訊協(xié)議各不相同，阻礙自動化技術(shù)的發(fā)展，造成多設(shè)備難以形成統(tǒng)一通用的工作面通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，亟待制定相關(guān)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

(4)自動化設(shè)備系統(tǒng)維護(hù)。自動化系統(tǒng)不僅僅需要維護(hù)設(shè)備，還需要維護(hù)以太網(wǎng)絡(luò)、紅外攝像頭、通信系統(tǒng)等，增加了維護(hù)難度，現(xiàn)有維護(hù)人員無法滿足維護(hù)需求，急需培養(yǎng)大批高素質(zhì)專業(yè)維護(hù)人員。遠(yuǎn)程技術(shù)發(fā)展方向如圖5所示。

6 綜采工作面遠(yuǎn)程控制采煤技術(shù)應(yīng)用效果

大力發(fā)展綜采工作面自動化采煤技術(shù)，實(shí)現(xiàn)少人化生產(chǎn)符合國家產(chǎn)業(yè)政策和煤炭行業(yè)發(fā)展的需要。

圖5 我國綜采工作面遠(yuǎn)程控制采煤技術(shù)發(fā)展方向

(1)人員參與生產(chǎn)方式改變。綜采工作面遠(yuǎn)程控制采煤技術(shù)將綜采工作面設(shè)備操作人員從最危險生產(chǎn)場所解放出來，操作設(shè)備的場所由切眼轉(zhuǎn)換到軌道順槽相對較安全的地點(diǎn)或者地面監(jiān)控中心，傳統(tǒng)工作面操作人員的職能由操作設(shè)備、觀察環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)樵诠ぷ髅嫜惨?，降低了勞動?qiáng)度，改善了作業(yè)環(huán)境，提高了采煤工作的安全系數(shù)。

(2)設(shè)備操控方式改變。改變傳統(tǒng)的工藝操作方式，多設(shè)備集中操控，監(jiān)測數(shù)據(jù)相融合，便于系統(tǒng)、人工分析作業(yè)環(huán)境改善及設(shè)備使用壽命延長。

(3)經(jīng)濟(jì)效果明顯。實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工作面減員提效，節(jié)約企業(yè)大量人工成本，針對現(xiàn)有設(shè)備遠(yuǎn)控技術(shù)改造總計投資約2 000萬元，目前煤礦采用三八制生產(chǎn)，4個生產(chǎn)班輪換，總計減員24人，年節(jié)約人力成本360萬元，年節(jié)約成本占一次性投資成本的18%。

(4)安全系數(shù)提高。將一線工人從相對最危險的綜采工作面解放出來，從根本上解決了綜采工作面人員傷亡事故的發(fā)生，安全意義重大。

[1] 符大利.國產(chǎn)綜采裝備無人化開采技術(shù)在黃陵礦業(yè)的創(chuàng)新應(yīng)用[J].工業(yè)工程與技術(shù)，2014，(9):19-20.

[2] 張 良.煤礦綜采工作面無人化開采的內(nèi)涵與實(shí)現(xiàn)[J].煤炭技術(shù)，2014，42(9)：26-29.

Discussion on long-range control coal mining on fully mechanized working face

The development situation of long-range control technology of fully mechanized working face was introduced, and this technique at home and abroad was compared. The project features and effects were analyzed. According to the technology level of long-range control of fully mechanized working face, the improvement direction of this technology was pointed out. Numbers of projects application shows that this technology is economical and rational, safety and efficiency.

fully mechanized working face; long-range control technology; coal mining

TD822

A

孫 江(1987-)，男，內(nèi)蒙古赤峰人，工程師，從事煤礦開采和基建類工作。