大采高智能化無人開采技術(shù)的探索

劉建偉

(陜西黃陵二號煤礦有限公司，陜西 黃陵 727307)

0 引言

先進(jìn)的綜采設(shè)備和技術(shù)是現(xiàn)代化煤礦生產(chǎn)的保障，綜合機(jī)械化采煤是煤礦生產(chǎn)中設(shè)備最多、環(huán)境最惡劣、工作最復(fù)雜的系統(tǒng)，利用智能化的設(shè)備代替人工操作，實現(xiàn)少人、無人化是采煤技術(shù)研究的大趨勢，也是煤炭工業(yè)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。黃陵礦業(yè)公司一號煤礦在薄煤層、中厚煤層實現(xiàn)智能化無人綜采工作面的成功范例，成為國內(nèi)目前最先進(jìn)的自動化工作面，實現(xiàn)了“國產(chǎn)設(shè)備工作面無人化”的目標(biāo)。目前，我國大采高厚煤層智能化開采技術(shù)也在不斷的探索和研究，許多煤礦也進(jìn)行了試驗，但是沒有完全成功的實例。

黃陵二號煤礦煤層結(jié)構(gòu)簡單、傾角為近水平、煤層厚度穩(wěn)定、屬大采高厚煤層，頂板為細(xì)粒砂巖、底板為炭質(zhì)泥巖，地質(zhì)條件簡單，在大采高智能化無人開采技術(shù)實施方面有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。二號煤礦2006年國產(chǎn)600萬t配套設(shè)備中支架電液控系統(tǒng)具有采煤機(jī)位置監(jiān)控、礦壓檢測、支架狀態(tài)顯示、自動收打護(hù)幫、跟機(jī)拉架、自動噴霧、成組推溜、信號井上下傳輸?shù)裙δ?，華寧集控具備語音報警、設(shè)備聯(lián)動開停、電氣保護(hù)參數(shù)設(shè)置、信號井上下傳輸?shù)裙δ?。綜采工作面設(shè)備職工已能熟練操作和日常維護(hù)，技術(shù)基礎(chǔ)較好，具備實現(xiàn)智能化無人開采的技術(shù)能力和日常管理能力。

1 預(yù)期目標(biāo)和攻關(guān)的技術(shù)難點(diǎn)

1.1 預(yù)期實現(xiàn)的目標(biāo)

以打造國內(nèi)大采高智能化、無人化綜采示范工作面為總體目標(biāo)，以采煤機(jī)智能控制、液壓支架自動跟機(jī)以及可視化遠(yuǎn)程監(jiān)控為基礎(chǔ)，實現(xiàn)在地面與順槽綜合控制中心對綜采設(shè)備的智能監(jiān)控與控制，工作面2人巡視、2人遠(yuǎn)程干預(yù)，達(dá)到工作面連續(xù)、安全、高效開采的目標(biāo)，使二號煤礦扛起國內(nèi)大采高智能化開采技術(shù)的大旗，引領(lǐng)無人化開采技術(shù)的方向。①實現(xiàn)大采高智能化無人開采的常態(tài)化；②實現(xiàn)“以工作面智能運(yùn)行為主，地面(順槽)監(jiān)控中心遠(yuǎn)程干預(yù)控制為輔”的智能化生產(chǎn)模式；③實現(xiàn)“無人跟機(jī)作業(yè)，有人安全巡視”的目標(biāo)。

1.2 需要攻關(guān)的技術(shù)難點(diǎn)

采煤機(jī)記憶截割精度及割三角煤誤差：在采煤機(jī)行走機(jī)構(gòu)安裝編碼器，檢測分辨率精度要求誤差不大于1 cm，典型位置控制精度優(yōu)于±5 cm，記憶截割典型采高重復(fù)誤差±2.5 cm，具有線性插值、采高精度與牽引速度的適應(yīng)調(diào)節(jié)。

工作面視頻畫面分辨率受煤塵影響：①增加煤機(jī)外置噴霧裝置與支架跟機(jī)噴霧同時降塵，增強(qiáng)工作面清晰度；②每架安裝一盞50W照明燈，增強(qiáng)工作面煤壁照明效果，補(bǔ)強(qiáng)光照度；③每3臺支架安裝一臺攝像儀，兩端頭采用彩色廣角攝像儀增強(qiáng)照射范圍，保證視頻無死角；④新型高分辨率攝像儀的引入運(yùn)用。

支架兩級護(hù)幫跟隨煤機(jī)收打聯(lián)動：①在自動化程序中增加感知功能，保證當(dāng)采高在4 m以下時護(hù)幫板全部收回，煤機(jī)正常通行；在采高達(dá)到4～6 m范圍時，保證兩級護(hù)幫跟機(jī)聯(lián)動；②在支架一級護(hù)幫加設(shè)行程傳感器，在采煤機(jī)運(yùn)行過程中護(hù)幫板能跟機(jī)作業(yè)，根據(jù)煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)自動控制行程，保證緊貼煤壁防止片幫。

2 實現(xiàn)功能總體方案和保障

2.1 智能化實現(xiàn)的功能

智能化控制系統(tǒng)實現(xiàn)在順槽監(jiān)控中心和地面調(diào)度中心對井下設(shè)備(采煤機(jī)、液壓支架、泵站控制、運(yùn)輸機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、皮帶機(jī)系統(tǒng))的“一鍵”啟?？刂坪瓦h(yuǎn)程干預(yù)操控、故障診斷功能、故障類型顯示、語音提示、管理等功能。

采煤機(jī)實現(xiàn)自動記憶截割；液壓支架實現(xiàn)自動跟機(jī)拉架、收打護(hù)幫、采高監(jiān)測、頂梁姿態(tài)監(jiān)測；泵站系統(tǒng)實現(xiàn)自動配比乳化液、設(shè)備工況監(jiān)測與集中控制；皮帶系統(tǒng)設(shè)備工況監(jiān)控；皮帶自移系統(tǒng)實現(xiàn)就地遙控；工作面工業(yè)以太網(wǎng)能將工作面視頻與數(shù)據(jù)高速傳輸通訊；工作面視頻系統(tǒng)實現(xiàn)對主要綜采設(shè)備進(jìn)行實時監(jiān)控；“單兵”系統(tǒng)能保障巡檢人員與地面實時交互；巡視系統(tǒng)實現(xiàn)人員定位與識別；兩順槽超前支架電液控實現(xiàn)就地遙控及遠(yuǎn)程控制。

2.2 總體方案

總體技術(shù)方案借鑒應(yīng)用一號煤礦智能化無人開采成熟技術(shù)，依據(jù)二號煤礦實際生產(chǎn)條件要求，由二號煤礦會同設(shè)計單位將智能化工作面設(shè)備要求實現(xiàn)的功能，整合三機(jī)集控、膠帶機(jī)集控、采煤機(jī)記憶截割、液壓支架電控、順槽超前支架電控、乳化泵站自動供液、工作面視頻、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g(shù)做整體設(shè)計方案。

根據(jù)整體設(shè)計方案要求將各個檢測子系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)匯集到采煤自動化主系統(tǒng)：①將三機(jī)檢測子系統(tǒng)中的鏈條自動張緊、冷卻水自動開停、定子繞組溫度、軸承溫度、潤滑油溫度等監(jiān)測數(shù)據(jù)通過檢測主站上傳至自動化控制主系統(tǒng)；②將采煤機(jī)遠(yuǎn)程啟停記憶截割、遠(yuǎn)程啟停、實時運(yùn)行狀態(tài)、實時監(jiān)測數(shù)據(jù)與自動化控制系統(tǒng)主機(jī)進(jìn)行實時通訊；③將液壓支架跟機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、推溜拉架數(shù)據(jù)、壓力檢測數(shù)據(jù)、一二級護(hù)幫聯(lián)動功能、視頻傳輸數(shù)據(jù)與自動化控制系統(tǒng)主機(jī)進(jìn)行實時通訊；④將膠帶機(jī)防跑偏傳感器、堆煤傳感器、煙霧傳感器、沿線急停等保護(hù)與工作面三機(jī)主控進(jìn)行通訊，由工作面三機(jī)控制系統(tǒng)再將膠帶機(jī)控制信息傳輸至自動化控制系統(tǒng)；⑤將組合開關(guān)和移變的先導(dǎo)、通訊狀態(tài)、電流、電壓、功率、絕緣阻值、故障狀態(tài)等信息通過通訊電纜傳輸至自動化控制系統(tǒng)。

將工作面所有設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)采集的子系統(tǒng)全部上傳至自動化控制主系統(tǒng)后，由主系統(tǒng)對所有采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，做出開機(jī)預(yù)判，使整個工作面實現(xiàn)智能化開采。

總體設(shè)計方案完成后由礦業(yè)公司技術(shù)中心組織，邀請智能化開采技術(shù)創(chuàng)新中心指導(dǎo)委員會和技術(shù)委員會等專家進(jìn)行高層次評審，確保總體設(shè)計方案達(dá)到使用要求。

2.3 實現(xiàn)大采高智能化無人開采的前提保障

二號煤礦大采高智能化無人開采技術(shù)的成功實施，必須從管理上高度重視、資金上大力支持、人員素質(zhì)上狠挖潛力，從資料收集、設(shè)計方案、前期準(zhǔn)備、后期實施應(yīng)用等方面形成完善的管理體系。

頂層設(shè)計方面：借鑒一號煤礦中厚煤層智能化開采技術(shù)在實際使用過程中出現(xiàn)的故障和技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，由二號煤礦與設(shè)計單位充分溝通論證，保證大采高智能化總體配套設(shè)計方案合理完善、理念先進(jìn)、使用效果良好。

思想保障方面：從上至下必須統(tǒng)一思想認(rèn)識，樹立堅定的信念。思想決定行動、行動決定成敗，要教育管理人員和廣大職工轉(zhuǎn)變思想觀念，樹立大采高智能化無人開采必須成功的信念。

素質(zhì)、技能保障方面：充分發(fā)揮職工的主觀能動性，加大培訓(xùn)力度，提高職工素質(zhì)。要求設(shè)計單位做好前期培訓(xùn)，通過培訓(xùn)學(xué)習(xí)使職工熟悉設(shè)備結(jié)構(gòu)原理，能夠快速的掌握應(yīng)用智能化設(shè)備，為維護(hù)保養(yǎng)、處理故障打下良好基礎(chǔ)。

地質(zhì)保障方面：二號煤礦在工作面設(shè)計中充分考慮頂板管理難點(diǎn)，做出詳實的煤層寫實報告，根據(jù)以往經(jīng)驗做好頂板周期來壓的預(yù)報。加強(qiáng)巷道支護(hù)強(qiáng)度，減少兩順槽的巷道變形，為大采高智能化無人開采技術(shù)提供地質(zhì)保障。

后期應(yīng)用方面：二號煤礦成立專職智能化辦公室，負(fù)責(zé)智能化開采設(shè)備維護(hù)監(jiān)督工作，制定嚴(yán)格的智能化設(shè)備管理制度，高度重視智能化開采技術(shù)設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)，在前期的調(diào)試和后期的生產(chǎn)過程中堅決杜絕職工甩掉任何保護(hù)，發(fā)現(xiàn)故障后積極協(xié)調(diào)處理，保證智能化設(shè)備的正常運(yùn)行。

3 經(jīng)濟(jì)效益和社會效益

從安全效益來看，智能化無人開采將職工從危險性較高的采煤工作面轉(zhuǎn)移到安全環(huán)境較好的順槽監(jiān)控中心和地面遠(yuǎn)控中心，與二號煤礦目前的綜采工作面相比，智能化無人開采工作面作業(yè)人員由12人減至2人，兩順槽作業(yè)人員由8人減至2人，從根本上提高了作業(yè)安全系數(shù)。

從經(jīng)濟(jì)效益來看，二號煤礦智能化無人開采工作面設(shè)備和技術(shù)，在原有的綜采裝備基礎(chǔ)上，需要增加投入1 000萬元，但是智能化無人開采工作面比傳統(tǒng)工作面每個生產(chǎn)班減少17人，每年可節(jié)約人工成本580萬元。目前二號煤礦單面月產(chǎn)量在35萬t，每天推采10刀煤，日產(chǎn)量1.3萬t；根據(jù)一號煤礦每天推采14刀煤的成功經(jīng)驗，二號煤礦大采高智能化工作面每天推采14刀煤，日產(chǎn)量1.85萬t，月產(chǎn)量將達(dá)到50萬t；同比月產(chǎn)量增長15萬t。

從社會效益來看，智能化無人開采工作面將大幅降低了工人的勞動強(qiáng)度，極大改善了煤礦工人的工作環(huán)境。根據(jù)一號煤礦智能化無人開采工作面所取得的安全、經(jīng)濟(jì)、社會效益來看，工作面少人化、無人化開采才是真正的本質(zhì)安全，解決了煤礦原煤生產(chǎn)與安全管理之間相互制約的問題，為二號煤礦實現(xiàn)智能化開采技術(shù)鋪通了道路、指明了方向。同時填補(bǔ)了國內(nèi)大采高智能化開采技術(shù)的空白，對中國煤炭工業(yè)的發(fā)展具有重要的歷史意義。

4 結(jié)語

煤礦安全、高效生產(chǎn)的最根本要求是靠先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代化的設(shè)備。智能化無人開采技術(shù)是一項系統(tǒng)工程，是機(jī)械化、自動化、信息化技術(shù)的集成應(yīng)用，規(guī)范化、精細(xì)化管理的成果。二號煤礦大采高智能化無人開采技術(shù)的探索和應(yīng)用，是建設(shè)本質(zhì)安全型礦井和現(xiàn)代化煤礦企業(yè)的新路子。大采高智能化無人開采技術(shù)的應(yīng)用，標(biāo)志著二號煤礦在大采高智能化開采技術(shù)領(lǐng)域?qū)⒊蔀樾袠I(yè)領(lǐng)頭羊，填補(bǔ)國內(nèi)大采高智能化無人開采技術(shù)應(yīng)用的空白，達(dá)到國際領(lǐng)先水平，對中國煤炭工業(yè)發(fā)展具有重要的歷史意義。