大采高智能化采煤控制技術在黃陵二號煤礦的發(fā)展

吳 寧，楊 波

（陜西黃陵二號煤礦有限公司，陜西 黃陵 727306）

0 引言

大采高綜采是一種煤礦開采的技術，我國綜采工作面發(fā)展迅猛，但是卻遠落后于國外的發(fā)展腳步，尤其是在智能化方面還處在起步階段。在新技術不斷涌現(xiàn)的大背景下，各行業(yè)的發(fā)展和變革都受到了巨大的沖擊，智能化、高度自動化和無人化成為工業(yè)設備發(fā)展的主流方向［1-3］。近年來，我國煤炭開采技術及工作面裝備水平取得重大進步，推動了煤礦開采向著安全、綠色、高效的方向發(fā)展，全國各地區(qū)結(jié)合自身礦井環(huán)境，搭建起大批量高自動化程度和綜合性機械化裝備的現(xiàn)代化礦井。2017年陜西黃陵二號煤礦有限公司根據(jù)416工作面的實際情況，與北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司在大采高工作面的自動化開采問題上作出重大突破，經(jīng)過深入探討論證，搭建起大采高智能化綜采工作面控制系統(tǒng)方案，并成功應用。

煤炭的開采需要面對極為復雜的作業(yè)環(huán)境，傳統(tǒng)的煤炭開采方式面臨著巨大的潛在風險，對于安全生產(chǎn)產(chǎn)生不利的影響，對于生產(chǎn)效益的提高形成了制約。而智能化綜采工作面的成功應用，尤其是在大采高環(huán)境下的實踐有著極其重要的意義［4-6］，為此，對大采高智能化采煤控制技術在黃陵二號煤礦的應用發(fā)展進行探討。

1 大采高智能化開采技術

綜采工作面是礦井生產(chǎn)的核心，對綜采工作面進行自動化控制是現(xiàn)代化礦井實現(xiàn)生產(chǎn)管理的關鍵，大采高綜采智能化工作面的順利實施，探索出了厚煤層少人化生產(chǎn)的技術路線［7-10］，促進了綜采技術進步，對降低工人勞動強度、提高綜采生產(chǎn)效率、減少人員、降低勞動風險具有十分重要的意義。

智能化開采是指在不需要人工直接干預的情況下，通過環(huán)境的智能感知、設備的智能控制，由設備獨立完成的回采過程［11-13］。智能化開采是在機械化開采、自動化運行的基礎上，集信息化與工業(yè)化深度融合的煤炭開采技術變革。將采煤機控制系統(tǒng)、支架電液控制系統(tǒng)、工作面運輸控制系統(tǒng)、三機通信控制系統(tǒng)、泵站控制系統(tǒng)及供電系統(tǒng)有機結(jié)合，實現(xiàn)對綜合機械化采煤工作面設備的協(xié)調(diào)管理與集中控制。實現(xiàn)集視頻、語音、遠程集中控制為一體的綜采工作面自動化控制系統(tǒng)，實現(xiàn)工作面采煤機、運輸機和液壓支架等設備的聯(lián)動控制和關聯(lián)閉鎖等功能。

綜采智能化工作面控制系統(tǒng)主要由綜采單機設備、順槽監(jiān)控中心、調(diào)度指揮中心3部分組成。在工作面原有采煤機、液壓支架、刮板輸送機等單機子系統(tǒng)的層級之上構(gòu)建了統(tǒng)一開放的1000M工業(yè)以太網(wǎng)控制網(wǎng)絡，實現(xiàn)單機設備信息匯集到順槽監(jiān)控中心的服務器上，供其分析決策與控制。智能化開采具備以下技術內(nèi)涵：采煤設備具備自動運行功能、智能化控制系統(tǒng)具備實時獲取采煤工藝數(shù)據(jù)的功能，能根據(jù)采場條件人工干預調(diào)整采煤工序過程。

2 大采高智能化開采關鍵技術

2.1 “一鍵啟停”全自動控制啟停技術

將集成控制系統(tǒng)設置為“全自動”工作模式，通過“一鍵啟?！卑存I控制工作面綜采設備?！耙绘I啟?！惫δ馨ǎ喉槻勰z帶輸送機啟停、泵站啟停、破碎機啟停、轉(zhuǎn)載機啟停、刮板輸送機啟停、采煤機記憶割煤程序啟停、液壓支架跟隨采煤機自動化控制程序啟停。自動化運行過程中，實時監(jiān)控工作面綜采設備運行工況，當設備運行異常，在監(jiān)控中心操作人員可以通過人工干預手段對設備進行遠程干預。

2.2 跟機自動化與記憶截割高效協(xié)同技術

采煤機智能控制系統(tǒng)依據(jù)采煤機行走編碼器和調(diào)高油缸行程傳感器，實現(xiàn)采煤機的記憶割煤和遠程干預等功能。根據(jù)采煤機儲存系統(tǒng)中示范刀的記憶曲線作為采煤機智能調(diào)高系統(tǒng)的反饋依據(jù)調(diào)節(jié)前后滾筒，通過行走編碼器記憶運算功能控制煤機行走運行距離，實現(xiàn)采煤機自動割煤。依據(jù)采煤機主機系統(tǒng)及工作面視頻，通過操作采煤機遠程操作臺實現(xiàn)對采煤機的遠程控制功能，可以對采煤機進行啟?？刂?、運行速度控制和前后滾筒搖臂高度控制等。在液壓支架電液控制系統(tǒng)基礎上，增加護幫傳感器、傾角傳感器、測高傳感器等實現(xiàn)液壓支架的自動化控制。護幫板依據(jù)傳感器值判斷護幫板是否收到位，防止采煤機自動化割煤時與液壓支架發(fā)生干涉。實現(xiàn)了液壓支架的輔助動作可與支架移架的主要動作同時進行，每個支架移架時間15 s左右的目標，可以滿足采煤機最高0.1 m/s的運行速度。在大采高工作面液壓支架電液控制系統(tǒng)實現(xiàn)全工作面跟機自動化的基礎上，結(jié)合采煤機記憶割煤“象限”分割，將支架全工作面跟機階段點和“象限”距離轉(zhuǎn)換點進行精確整合，實現(xiàn)工作面支架自動化控制和采煤機記憶切換的準確匹配，降低人工就地干預頻率，提高工作面自動化生產(chǎn)效率。

2.3 膠帶機“三控”融合技術

膠帶機控制系統(tǒng)較為復雜，需將CST控制系統(tǒng)、華寧控制系統(tǒng)、天瑪自動化控制系統(tǒng)串聯(lián)。CST離合器流量、壓力、溫度、比例閥輸出、冷卻流量等運行參數(shù)由CST自控，如有故障可自行停機。皮帶的煙霧、帶速、堆煤、閉鎖、跑偏、張力、超溫灑水等功能由華寧監(jiān)控。通過綜采SAM自動化控制系統(tǒng)將以太網(wǎng)、音頻、通信等信號有機融合收發(fā)指令?？傮w概括為自動化控制系統(tǒng)發(fā)出指令，華寧系統(tǒng)執(zhí)行語音、開停信號，CST接受命令自動運行的“三控”邏輯方式，達到一鍵啟停效果。

2.4 設備防碰撞控制技術

根據(jù)工作面跟機過程中，順槽監(jiān)控中心主機對采煤機前滾筒與支架護幫板位置關系、后滾筒與支架移架速率關系、采煤機在端頭三角煤區(qū)域作業(yè)時支架跟機動作關系進行實施監(jiān)控。通過在支架護幫板安裝行程和壓力傳感器的方式，監(jiān)控采煤機前滾筒與護幫板收回狀態(tài)的相對位置關系，防止采煤機滾筒與支架護幫板碰撞。由支架上紅外傳感獲得采煤機位置信息，通過監(jiān)控主機和工作面電液控制系統(tǒng)設置支架跟機動作觸發(fā)點，保證采煤機在端頭三角區(qū)域作業(yè)時機身范圍內(nèi)支架與煤機滾筒的相對位置安全。

2.5 支架自適應控制技術

在特殊底板條件下，支架跟機自動移架過程模擬人工操作動作序列，將支架整個自動降移升動作增加抬底、降架時間次數(shù)，既能滿足跟機速度，又能保證支架姿態(tài)和移架質(zhì)量。在頂板破碎和煤壁片幫的條件下，支架跟機護幫伸收過程中，采用兩級護幫的動作序列組合方式：在伸一級護幫15 s過程中，增加兩次收二級護幫3 s動作，滿足護幫聯(lián)動靠近煤壁時二級能夠完全貼合煤壁，收護幫時增加先收二級2 s動作，避免卡頓或不到位，達到護幫板自適應跟機作業(yè)。

2.6 模擬人工護幫智能精準控制

大采高厚煤層采煤工藝最大的控制難點是兩級護幫板與煤壁貼合的工藝控制，采煤機與液壓支架在機架協(xié)同工藝過程中，護幫板的收打工藝、抬底拉架工藝、運輸機三角煤蛇形進刀段的階梯推移距離工藝等軟件運行參數(shù)誤差較大，導致架前涌煤、蛇形彎曲段曲線不盡人意。通過觀察人為操作習慣，調(diào)整蛇形段程序距離、支架推移增設慢速邏輯閥、增加2次抬底、修改降柱壓力參數(shù)為25 MPa等辦法，達到自動跟機動作模擬人為操作的目的，實現(xiàn)減少人為干預和精準自動運行的效果。

3 仍需研究的技術

3.1 視頻死角與透塵技術

制約大采高遠程干預的主要矛盾是視頻死角太多、采煤過程中隨著采煤機滾筒割煤和落煤伴隨的揚塵導致視線不清晰，當煤層發(fā)生變化時順槽集控中心不能清晰地反應煤壁情況，使得人為干預較為困難。通過抑塵劑、高效霧化降塵、煤層注水等方式治理煤塵，紅外熱成像、增加廣角高清攝像儀等提高視頻透塵技術還要繼續(xù)研究。

3.2 工作面自動找直技術

工作面在推采過程中由于運輸機的上竄下滑、進刀尺寸、支架推移步距等原因會造成煤壁不直，機頭機尾推采距離不一致，工程質(zhì)量較差，影響設備的自動化運行。智能化系統(tǒng)中運輸機自動找直技術是目前的技術瓶頸，國內(nèi)還沒有完全研制成功。目前澳大利亞研制的lasc慣導技術是國內(nèi)外采用較多的，并在美國久益采、德國艾柯夫、我國上海等煤機上都有應用，該技術的引進能夠解決工作面自動找直的瓶頸。

3.3 智能化系統(tǒng)故障自診斷技術

智能化系統(tǒng)是將綜采工作面的膠帶機、泵站、三機、煤機、支架、語音通訊等控制系統(tǒng)通過控制主機、以太網(wǎng)搭建平臺全部有機融合，實現(xiàn)實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)上傳、智能控制、一鍵啟停功能。對于各子系統(tǒng)的故障沒有自檢和診斷功能，發(fā)生故障后不能及時報告故障原因，對處理故障不能提供詳細信息，存在設計不足。對目前控制系統(tǒng)增加擴展功能，把各子系統(tǒng)故障代碼全部對接，形成全方位的故障自診斷系統(tǒng)還需研究。

3.4 煤巖識別技術

煤巖界面智能識別技術是當前制約智能化采煤的重大難題。目前，現(xiàn)有的煤巖識別辦法有紅外探測法、有功功率檢測法、圖像識別法等。國外研發(fā)的紅外遙感技術自動測量煤壁溫度進而識別煤層結(jié)構(gòu)的方法，這種實時監(jiān)測方法克服了當前采煤機搖臂自動調(diào)整智能操作的制約，此技術在我國還在起步階段，要實現(xiàn)煤巖識別技術還要繼續(xù)研究。

4 結(jié)語

智能化技術是實現(xiàn)我國煤礦人才技術密集型轉(zhuǎn)變的重要手段，也是順應煤礦開采的少人化，甚至是無人化趨勢的必然要求。隨著科學技術在不斷進步，采煤自動化水平也在不斷提高，綜采工作面智能化控制系統(tǒng)提高了整個礦井開采的高效性、安全性；在工作面巷道監(jiān)控中心，采用網(wǎng)絡傳輸視頻信號，提高了工作面實時監(jiān)測的效果；自動化水平減少了人員投入，提高了采煤效率，促進了采煤技術朝著自動化、高效化以及安全化的方向發(fā)展。