東懷煤礦綜采工作面自動化技術(shù)改造可行性及意義

梁江　顏國勇

【摘 要】煤炭工業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展和煤礦的安全生產(chǎn)的根本出路在于發(fā)展機(jī)械化自動化、信息化、智能化（簡稱“四化”）。當(dāng)前，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革正孕育興起，智能型技術(shù)替代勞動密集型技術(shù)趨勢日益明顯。而且，“四化”建設(shè)是煤礦企業(yè)增強(qiáng)競爭力、擺脫困境的關(guān)鍵秘訣。文章敘述綜采自動化采煤技術(shù)改造在東懷煤礦使用的可行性及取得的成果、意義，為中小型煤礦推廣使用自動化設(shè)備提供參考。

【關(guān)鍵詞】軟巖地質(zhì)煤礦;綜采技術(shù)改造;可行性及意義

【中圖分類號】TD823 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）09-0132-05

煤炭工業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展和煤礦的安全生產(chǎn)的根本出路，在于發(fā)展機(jī)械化、自動化、信息化、智能化（簡稱“四化”）。當(dāng)前，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革正孕育興起，智能型技術(shù)替代勞動密集型技術(shù)趨勢日益明顯。而且，“四化”建設(shè)是煤礦企業(yè)增強(qiáng)競爭力、擺脫困境的關(guān)鍵秘訣。綜采自動化采煤技術(shù)可使企業(yè)取得安全可靠性高、工程質(zhì)量高、效益高、資源利用率高、隊伍素質(zhì)高等成效，將會大大改善工人工作環(huán)境，使企業(yè)競爭力顯著增強(qiáng)。

根據(jù)《國家安全監(jiān)管總局辦公廳關(guān)于開展“機(jī)械化換人、機(jī)器人作業(yè)、自動化減人”示范企業(yè)試點(diǎn)工作的通知》，東懷煤礦列為“小煤礦機(jī)械化改造試點(diǎn)示范企業(yè)”，為進(jìn)一步提高東懷煤礦的機(jī)械化、自動化水平，提高示范效果，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜條件下的少人、自動化采煤，將東懷煤礦D煤工作面為試點(diǎn)，打造西南地區(qū)的首個無人自動化綜采工作面。

1 東懷煤礦生產(chǎn)現(xiàn)狀

礦井主要可采煤層自下而上為A、C、D、I煤層。

A煤層：可采厚0.80～2.47 m，平均厚度為1.71 m，直接頂、底板為泥巖、砂質(zhì)泥巖，局部有0.20 m左右的炭質(zhì)泥巖偽頂或偽底，巷道見煤點(diǎn)煤層傾角為13°。從西至東，煤層變穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)變簡單，煤質(zhì)變好。

C煤層：距離A煤層頂界面6.52～21.07 m，平均為12.93 m，煤層可采厚度為0.80～2.36 m，平均為1.48 m，煤層厚度有一定的變化，越往東部（深部）煤層厚度越穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)越簡單，煤質(zhì)越好。

D煤層：距C煤層頂界2.79～25.78 m，平均為11.70 m，可采區(qū)可采厚度為0.79～2.15 m，平均為1.53 m，可采厚度在平面上變化顯著。由東（深部）向西（露頭）變差。

I煤層：位于下百崗段頂界，煤層頂板為上下百崗段分界線，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，夾矸多，中、上部有泥巖夾矸，夾矸厚度為0～2.7 m，平均為0.7 m。I上分層于井田西北部可采，煤層厚度為 0.8～1.0 m，平均為0.86 m，I下分層煤厚為0.83～2.53 m，平均為1.74 m。上、下分層煤層合并處煤厚為0.80～2.96 m，平均為1.66 m（實(shí)際揭露的煤層含夾矸3.0～3.5 m）。煤層頂板為泥巖或炭質(zhì)泥巖，直接底板大多為泥巖或砂質(zhì)泥巖，間接底板為厚層狀粉砂巖，細(xì)砂巖。煤層傾角為10°～16°。

2 自動化改造、升級方案

東懷煤礦綜采工作面自動化技術(shù)改造是在現(xiàn)有生產(chǎn)系統(tǒng)上對采煤工作面設(shè)備進(jìn)行改造、升級，因此只對需要改造、升級的設(shè)備進(jìn)行設(shè)計選型，其他配套系統(tǒng)只進(jìn)行配套性驗(yàn)算，對不能適應(yīng)的系統(tǒng)再進(jìn)行改造設(shè)計。

東懷煤礦綜采工作面自動化技術(shù)改造的技術(shù)思路如下：通過研究、完善并改進(jìn)綜采工作面生產(chǎn)工藝，提高設(shè)備配套水平，提升單機(jī)設(shè)備自動化性能，實(shí)現(xiàn)綜采成套設(shè)備穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。同時，通過綜采工作面自動化開采技術(shù)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)設(shè)備自動化運(yùn)行，協(xié)調(diào)控制，減少人為主觀操作，確保工作面連續(xù)推進(jìn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)綜采自動化項(xiàng)目安全、高效開采。

2.1 自動化控制總體方案

2.1.1 東懷礦采煤工作面設(shè)備情況

（1）液壓支架采用手動操作，不能實(shí)現(xiàn)鄰架操作、自動跟機(jī)操作及遠(yuǎn)程操作。

（2）采煤機(jī)采用就地操作，且無采煤機(jī)位置、采煤機(jī)速度、搖臂高度及內(nèi)部相關(guān)的保護(hù)傳感器，不能實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)數(shù)據(jù)監(jiān)測、遠(yuǎn)程控制及記憶割煤功能。

（3）刮板運(yùn)輸機(jī)為高低速切換控制，刮板運(yùn)輸機(jī)系統(tǒng)未安裝監(jiān)測裝置，不能實(shí)現(xiàn)對刮板機(jī)的在線監(jiān)測。

（4）工作面未安裝語音通話系統(tǒng)，工作面不能及時通話且不能實(shí)現(xiàn)三機(jī)的集中控制。

（5）工作面照明煤采用13 W防爆燈，每8臺支架安裝一臺，照明效果不好，如安裝視頻，視頻效果不好，需改造。

2.1.2 改造實(shí)現(xiàn)的總體功能

（1）具有在地面調(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)程監(jiān)控功能。

（2）具有在順槽監(jiān)控中心對工作面設(shè)備的集中監(jiān)控功能。

（3）具有自動化系統(tǒng)故障自診斷功能（包括對采煤機(jī)、液壓支架、三機(jī)、泵站、膠帶機(jī)控制的故障診斷）、故障類型顯示及管理等功能。

（4）具有工作面工業(yè)以太網(wǎng)，可在工作面實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸。

（5）具有工作面視頻系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對主要綜采設(shè)備進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。

（6）具有井上下數(shù)據(jù)傳輸功能接口。

（7）對現(xiàn)有照明進(jìn)行改造，提高工作面照明效果。

（8）增加工作面語音通訊控制系統(tǒng)，并向綜采自動化控制系統(tǒng)開放控制接口，實(shí)現(xiàn)對三機(jī)的集中控制功能。

（9）當(dāng)綜采工作面自動化控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，各子系統(tǒng)不受綜采自動化系統(tǒng)控制，以保證在檢修和自動化控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，各子系統(tǒng)能單獨(dú)開車，確保生產(chǎn)不受影響。

2.1.3 自動化系統(tǒng)組成

綜采自動化控制系統(tǒng)由監(jiān)控中心部分、采煤機(jī)控制子系統(tǒng)、液壓支架控制子系統(tǒng)、語音通訊控制子系統(tǒng)、工作面供液子系統(tǒng)、皮帶機(jī)保護(hù)子系統(tǒng)、三機(jī)數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)、工作面以太網(wǎng)子系統(tǒng)、工作面視頻子系統(tǒng)、地面監(jiān)控子系統(tǒng)等部分組成，系統(tǒng)組成如圖1所示。

系統(tǒng)主要由3個部分組成，包括工作面部分、順槽監(jiān)控中心、地面部分。

2.2 各系統(tǒng)部分概述及功能

2.2.1 順槽監(jiān)控中心

工作面順槽監(jiān)控中心是整個工作面協(xié)調(diào)機(jī)制的大腦，主要由礦用隔爆兼本質(zhì)安全型監(jiān)控主機(jī)3臺、礦用本安型顯示器6臺（其中SAC型電液控制系統(tǒng)已提供礦用隔爆兼本質(zhì)安全型監(jiān)控主機(jī)1臺、礦用本安型顯示器1臺）、操作臺礦用本安型操作臺2臺（液壓支架遠(yuǎn)程操作臺1臺、采煤機(jī)/三機(jī)操作臺1臺）、交換機(jī)等設(shè)備組成。

2.2.2 監(jiān)測功能

（1）采煤機(jī)工況顯示，主要包括采煤機(jī)的位置、速度、左右滾筒高度、機(jī)身仰俯角度、牽引方向、各電機(jī)工作電流等。

（2）運(yùn)輸機(jī)的工況顯示，主要包括運(yùn)輸機(jī)的啟停狀態(tài)、工作電流、工作電壓、電機(jī)工作電流保護(hù)等。

（3）液壓支架工況顯示，主要包括各支架壓力值、各支架推移行程、各電磁閥動作狀態(tài)、主機(jī)與工作面控制系統(tǒng)通信狀態(tài)。

（4）泵站系統(tǒng)工況顯示，包括泵站潤滑油油溫、油位、出口壓力、液箱液位、乳化油油箱油位、乳化液濃度等。

2.2.3 工作面工業(yè)以太網(wǎng)

工作面工業(yè)以太網(wǎng)主要由本質(zhì)安全型綜采綜合接入器、本質(zhì)安全型光電轉(zhuǎn)換器、本安型交換機(jī)、礦用隔爆兼本質(zhì)安全型穩(wěn)壓電源、4芯鎧裝連接器、礦用光纜等組成。

2.2.4 工作面視頻系統(tǒng)

工作面視頻系統(tǒng)包括礦用本安型云臺攝像儀、礦用本質(zhì)安全型顯示器和礦用本質(zhì)安全型操作臺、安裝電纜及附件等組成（如圖2所示）。

2.2.5 工作面三機(jī)及膠帶輸送機(jī)的集中控制

工作面語音通信系統(tǒng)和順槽皮帶系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)傳輸功能，綜采自動化與此兩套系統(tǒng)進(jìn)行通訊，通訊協(xié)議為MODBUS RTU，接口為RS485，實(shí)現(xiàn)對工作面三機(jī)、順槽膠帶機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測及集中控制功能。

2.2.6 地面調(diào)度中心

在地面調(diào)度指揮中心設(shè)立液壓支架遠(yuǎn)程操作臺與采煤機(jī)遠(yuǎn)程操作臺，可實(shí)現(xiàn)在地面對設(shè)備實(shí)現(xiàn)一鍵“啟?！辈僮?，并能實(shí)現(xiàn)對工作面設(shè)備的遠(yuǎn)程干預(yù)操作。采用以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)綜采設(shè)備數(shù)據(jù)上傳，通過礦井自動化網(wǎng)絡(luò)，將綜采設(shè)備的數(shù)據(jù)傳到井上，實(shí)現(xiàn)地面調(diào)度指揮中心對綜采設(shè)備的監(jiān)測、顯示（如圖3所示）。

2.3 工作面電液控制系統(tǒng)技術(shù)方案

2.3.1 電液控制系統(tǒng)功能

系統(tǒng)具有鄰架單動作控制功能，可以通過左右鄰架對支架進(jìn)行動作的單獨(dú)控制，可以實(shí)現(xiàn)動作組合的單鍵控制。系統(tǒng)具有隔架控制功能，最多可以控制相隔5架的支架動作等基本功能。同時具備自動跟機(jī)控制、支架遠(yuǎn)程控制、液壓支架姿態(tài)控制、初撐力自動補(bǔ)償?shù)雀呒壒δ堋?/p>

2.3.2 電液控制系統(tǒng)組成

液壓支架電液控制系統(tǒng)由以下幾個子系統(tǒng)組成：工作面電控系統(tǒng)、順槽監(jiān)控系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)、順槽過濾系統(tǒng)。電液控制系統(tǒng)整體架構(gòu)圖如圖4所示。

2.4 液壓系統(tǒng)的改造

2.4.1 系統(tǒng)介紹

采用SAP型集成供液系統(tǒng)，SAP型智能集成供液系統(tǒng)不僅具備自動補(bǔ)液、乳化液自動配比、乳化液濃度在線檢測、系統(tǒng)運(yùn)行信息檢測與上傳等功能集成于一體，采用本質(zhì)安全型泵站控制器、傳感器等產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)多泵站單控、集控和智能聯(lián)動控制，實(shí)現(xiàn)集中分布式控制，既可以遠(yuǎn)程啟停泵站，又可以就地控制泵站，實(shí)現(xiàn)泵站的空載啟?？刂坪秃銐汗┮嚎刂?。

2.4.2 智能集成供液系統(tǒng)改造

考慮未來工作面未來電液控自動化控制使用，目前兩臺乳化液泵不能滿足工作面用液需求，應(yīng)將工作面泵站數(shù)量增加到3臺，且對泵站進(jìn)行改造，安裝泵站潤滑油油溫、油位、泵站出口壓力等傳感器，用于采集潤滑油溫度、液位、水位等傳感器數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)主要設(shè)備的狀態(tài)檢測、預(yù)警與保護(hù)功能（如圖5所示）。

3 配套系統(tǒng)的驗(yàn)證

3.1 供電系統(tǒng)的驗(yàn)證

3.1.1 變壓器的選型

目前整個礦總負(fù)荷為7 600 kW，技術(shù)改造后負(fù)荷增加200 kW，總負(fù)荷為7 800 kW，經(jīng)計算S=0.75×P/0.93，S=6 290 kVA，正常生產(chǎn)時變壓器的容量要在6 290 kVA以上。而東懷煤礦現(xiàn)在使用的兩臺主變壓器，一臺為8 000 kVA，另一臺為6 300 kVA，按照一臺在用，另一臺備用的原則，主變壓器均滿足礦井正常生產(chǎn)需求。

3.1.2 電纜的選型

二水平供電線路：地面變電所—二水平中央變電所—25D02、25D05配電點(diǎn)。

電纜的大?。簝商说孛娴蕉降碾娎|為120 mm2，兩趟二水平變電所到25D02、25D05配電點(diǎn)的電纜為70 mm2。綜采工作面技術(shù)改造后，電源直接從二水平變電所供給。經(jīng)計算，地面變電所到二水平變電所120 mm2電纜滿足二水平增量要求。

3.1.3 按長時負(fù)荷電流選擇電纜截面

增加工作面后，二水平總額定負(fù)荷為2 400 kW。

長時負(fù)荷電流計算方法如下：

Ie=■=■=330 A（1）

公式（1）中，∑Px為供電線路上所有設(shè)備的額定功率之和（kW）;Ue為額定電壓，取6 000 V;cosφ為平均功率因數(shù)，取0.7。

根據(jù)計算得電纜的長時負(fù)荷（按滿負(fù)荷計算）工作電流為Ie=330 A，查電纜截面載流量對照表，二水平電源電纜銅芯MYJV22-3×120在30 ℃環(huán)境下載流量達(dá)到357 A，因此單趟電源滿足二水平增量后的生產(chǎn)需求，二水平變電所兩趟電源分列運(yùn)行可滿足整個二水平技改后的生產(chǎn)需求。

3.2 運(yùn)輸系統(tǒng)的驗(yàn)證

主要驗(yàn)證二水平進(jìn)行技術(shù)改造后產(chǎn)量增加到90萬t，經(jīng)驗(yàn)算（略），二水平的2、3、4、6、7號皮帶機(jī)的長度都比5號皮帶機(jī)短且皮帶機(jī)的速度、輸送量、帶寬與5號皮帶機(jī)一樣，巷道的坡度都差不多，所有二水平皮帶系統(tǒng)能滿足二水平90萬t生產(chǎn)提升運(yùn)力要求。

4 技術(shù)改造取得的成果

4.1 改造后人員及產(chǎn)量情況

通過改造升級后，綜采二中隊可從目前的80人減少到50人，減少30人?？蓽p少的工種分別有移架工、皮帶機(jī)司機(jī)、液壓泵站司機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)司機(jī)等，人員減少詳細(xì)情況如下表。二水平皮帶中隊可從目前20人，減少到10人。整個二水平作業(yè)人員共計可減少40人。綜采自動化實(shí)施前后人員使用情況對比見表1。

經(jīng)過改造升級，并優(yōu)化采煤工藝，5D03工作面產(chǎn)量預(yù)計可從60萬t/年，提高到80萬t/年。

4.2 投入產(chǎn)出經(jīng)濟(jì)效益分析

4.2.1 自動化改造預(yù)期效果

通過綜采工作面自動化系統(tǒng)應(yīng)用，使各設(shè)備打破以往單機(jī)作業(yè)模式，實(shí)現(xiàn)整個工作面協(xié)調(diào)運(yùn)行，形成一個完整的出煤系統(tǒng)。設(shè)備間的協(xié)調(diào)控制功能將有效地提升工作面煤機(jī)裝備運(yùn)行效率，實(shí)現(xiàn)工作面快速、高效推進(jìn)，從而能提升工作面生產(chǎn)效率。提高成套裝備配套水平后，預(yù)計可提高工作面生產(chǎn)效率10%～30%，產(chǎn)量預(yù)計可達(dá)80萬t/年。

4.2.2 安全和社會效益分析

工作面實(shí)現(xiàn)自動化后通過自動化開采技術(shù)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)工作面設(shè)備自動化運(yùn)行，從而使勞動人員從復(fù)雜、危險的工作面采場解放出來，實(shí)現(xiàn)人員安全保障;同時，綜采自動化系統(tǒng)各設(shè)備之間協(xié)調(diào)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)設(shè)備安全可靠運(yùn)行。主要的安全、經(jīng)濟(jì)效益有以下幾點(diǎn)：①安全可靠性提高。大幅度降低工作面工人勞動強(qiáng)度，采煤工作面生產(chǎn)時，采煤司機(jī)通過地面或順槽遠(yuǎn)程控制，工作面只有1～2人進(jìn)行巡檢，實(shí)現(xiàn)少人作業(yè)。②綜采自動化系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備按編制好的程序、步驟自動控制、協(xié)調(diào)操作，大大減少各工種人員自身的不安全行為導(dǎo)致的安全問題。③液壓系統(tǒng)具備性能可靠的保護(hù)系統(tǒng)，在液壓管爆裂等危險情況下，能夠迅速自動停泵，確保井下設(shè)備和操作人員安全。④將原來工作面純手動操作的生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變成自動、集中、遠(yuǎn)程的控制模式，提升裝備整體智能化水平，順應(yīng)煤礦開采的發(fā)展趨勢，在集團(tuán)乃至廣西區(qū)內(nèi)具有示范作用。

5 結(jié)論及意義

在上級有關(guān)部門的大力支持及指導(dǎo)下，東懷煤礦各項(xiàng)自動化改造工作按照計劃、方案有條不紊地開展，將綜采工作面的采煤機(jī)、液壓支架、液壓泵站等系統(tǒng)、設(shè)備進(jìn)行技術(shù)引進(jìn)、改造，最后實(shí)現(xiàn)采煤工作面自動化的目標(biāo)。至2017年5月，東懷煤礦完成礦井首個自動化采煤工作面的安裝，并進(jìn)行試運(yùn)轉(zhuǎn)，工作面實(shí)現(xiàn)自動化推采。2017年7月，25D03自動化綜采工作面通過煤業(yè)驗(yàn)收，2017年8月24日通過集團(tuán)公司驗(yàn)收小組驗(yàn)收。

自動化采面驗(yàn)收的通過，預(yù)示著東懷煤礦綜采工作面自動化改造取得成功，不僅開創(chuàng)集團(tuán)公司自動化采煤技術(shù)的先河，也為集團(tuán)公司下屬各礦推廣使用先進(jìn)技術(shù)、設(shè)備奠定基礎(chǔ)，對集團(tuán)公司的發(fā)展起到推動作用。同時，也為西南片區(qū)中小型煤礦的高效、安全生產(chǎn)提供參考及借鑒，是一次對中小型煤礦開采的偉大變革。

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