薄煤層綜采遠(yuǎn)程可視化無人工作面開采技術(shù)

鄧 濤，王思棟，杜兆文，郭士啟，謝紹成，王旭光

（1.棗莊礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 濱湖煤礦，山東 滕州 277515；2.山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島 266590）

煤礦綜采工作面配套設(shè)備實(shí)施自動(dòng)化聯(lián)動(dòng)控制不僅可以實(shí)現(xiàn)工作面無人值守而且還可以保證煤炭安全高效開采，同時(shí)，自動(dòng)化聯(lián)動(dòng)控制也是煤炭領(lǐng)域內(nèi)先進(jìn)生產(chǎn)力的重要體現(xiàn)[1-4]。煤炭開采配套設(shè)備自動(dòng)化聯(lián)動(dòng)控制控制水平的高低代表著采煤配套設(shè)備和現(xiàn)代化礦井水平的高低[5-7]。不斷提高煤炭開采配套設(shè)備自動(dòng)化聯(lián)動(dòng)控制控制水平是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外采礦界研究的熱點(diǎn)方向之一[8-9]。以濱湖煤礦12210工作面為研究背景，在采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架等采煤配套設(shè)備實(shí)現(xiàn)單機(jī)自動(dòng)控制功能的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心對(duì)配套設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制。

1 工程概況

濱湖煤礦12210工作面所屬煤層為12下煤層，該工作面位于井下-465 m水平，屬122采區(qū)。工作面采深 466.5～486.3 m，工作面傾斜長(zhǎng)度平均 179.3 m，走向長(zhǎng)度平均為869.1 m。工作面煤層厚度最小為 0.5 m，最大為 1.63 m，平均為 1.3 m。煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定，煤層傾角 2°～6°，平均 4°。煤層可采性指數(shù)為0.87，煤厚變異系數(shù)為15，發(fā)熱量屬特高發(fā)熱量煤，平均為27.55 MJ/kg。煤層頂板巖層為泥巖、泥巖細(xì)砂巖互層，為典型的薄煤層復(fù)合頂板開采條件。

2 智能化總體設(shè)計(jì)方案

2.1 系統(tǒng)總體方案

有機(jī)結(jié)合采煤機(jī)控制系統(tǒng)、支架電液控制系統(tǒng)、工作面運(yùn)輸控制系統(tǒng)、三機(jī)通信控制系統(tǒng)、泵站控制系統(tǒng)及供電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)管理和集中控制綜合機(jī)械化采煤工作面配套設(shè)備[10]。所有的采煤配套設(shè)備都以程序控制為主，人工遠(yuǎn)程干預(yù)為輔。例如，采煤機(jī)割煤時(shí)主要以設(shè)置好的示范刀為記憶刀進(jìn)行割煤；液壓支架移架時(shí)主要以跟隨采煤機(jī)自動(dòng)序列動(dòng)作進(jìn)行移架；刮板輸送機(jī)推移時(shí)主要以集中自動(dòng)化序列進(jìn)行推移控制。綜采工作面配套設(shè)備自動(dòng)化控制系統(tǒng)是集音頻、遠(yuǎn)程集中控制為一體的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)、液壓支架和刮板運(yùn)輸機(jī)等配套設(shè)備的聯(lián)動(dòng)控制和關(guān)聯(lián)閉鎖等功能。

圖1 工作面自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)圖

2.2 工作面以太網(wǎng)通信平臺(tái)

創(chuàng)建一個(gè)具有虛擬局域網(wǎng)、流量?jī)?yōu)先級(jí)等網(wǎng)絡(luò)寬帶管理功能的100 M以太網(wǎng)控制平臺(tái)。保證最重要的信息能動(dòng)態(tài)的獲得最快速的網(wǎng)絡(luò)支持，同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)狀況。使工作面設(shè)備信息通過工作面綜合接入器、交換機(jī)和光電轉(zhuǎn)換器匯集到順槽集控中心的隔爆服務(wù)器。工作面自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò)如圖1。

2.3 工作面可視化視頻監(jiān)控

采煤工作面每隔一定距離設(shè)置1臺(tái)礦用本質(zhì)安全型攝像儀，視頻數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)絡(luò)輸送到礦用本安型顯示器上顯示。通過自動(dòng)化程序控制，可實(shí)時(shí)分析處理采煤機(jī)附近4臺(tái)攝像儀的視頻信息。

3 工作面配套基本設(shè)備

3.1 采煤機(jī)記憶割煤及遠(yuǎn)程干預(yù)控制

采煤機(jī)上設(shè)有的采高傳感器及位置傳感器，是實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)自動(dòng)化的基礎(chǔ)。采煤機(jī)控制系統(tǒng)通過處理傳感器的數(shù)據(jù)信息來實(shí)現(xiàn)采高及工作面位置的自主定位，并且具有記憶截割功能。同時(shí)，采煤機(jī)具有與地面雙向遠(yuǎn)程通訊功能，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。實(shí)現(xiàn)以記憶割煤為主要方式，輔以人工遠(yuǎn)程干預(yù)的生產(chǎn)工作模式。

采煤機(jī)在學(xué)習(xí)模式下，需人工操作割煤作為示范刀，控制系統(tǒng)自動(dòng)收集、存儲(chǔ)采煤機(jī)在各個(gè)位置上的數(shù)據(jù)信息。采煤機(jī)進(jìn)入自動(dòng)模式，根據(jù)控制系統(tǒng)記錄好的示范刀數(shù)據(jù)信息進(jìn)行自動(dòng)割煤。當(dāng)工作面割煤條件有較大變化發(fā)生時(shí)，可進(jìn)行人工就地或遠(yuǎn)程干預(yù)。

3.2 液壓支架跟機(jī)自動(dòng)化及遠(yuǎn)程干預(yù)控制

在采煤機(jī)及液壓支架上分別安裝紅外線發(fā)送器、紅外線接收器，用來發(fā)射及接收數(shù)字信號(hào)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)采煤機(jī)方向和位置的數(shù)據(jù)信息，通過液壓支架跟機(jī)自動(dòng)化軟件，來適應(yīng)不同工作面條件下對(duì)應(yīng)的采煤工藝。

系統(tǒng)通過對(duì)采煤機(jī)數(shù)據(jù)信息的采集和處理，可實(shí)現(xiàn)液壓支架動(dòng)作與采煤機(jī)運(yùn)行位置的協(xié)調(diào)管理。其中包括液壓支架跟機(jī)自動(dòng)收回和伸出護(hù)板幫，跟機(jī)自動(dòng)移架和自動(dòng)推溜，跟機(jī)自動(dòng)噴霧等。當(dāng)支架出現(xiàn)液壓故障，部件失靈等原因致使液壓支架動(dòng)作不到位或其他影響生產(chǎn)的現(xiàn)象發(fā)生，可及時(shí)進(jìn)行遠(yuǎn)程人工干預(yù)。

3.3 轉(zhuǎn)載機(jī)與液壓支架自移聯(lián)動(dòng)

轉(zhuǎn)載機(jī)能夠通過控制器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，控制過程相關(guān)動(dòng)作時(shí)間通過參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，且與端頭支架動(dòng)作進(jìn)行關(guān)聯(lián)，在端頭架跟機(jī)推溜時(shí)能夠聯(lián)動(dòng)自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)載機(jī)自移控制。同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程集中控制。

在端頭架推溜前，要求轉(zhuǎn)載機(jī)8個(gè)立柱抬起，將轉(zhuǎn)載機(jī)底座前移，空出轉(zhuǎn)載機(jī)前移的空間。當(dāng)端頭架推溜時(shí)，轉(zhuǎn)載機(jī)推移缸伸出，同時(shí)配合端頭架推溜動(dòng)作，將轉(zhuǎn)載機(jī)前移。

4 系統(tǒng)平臺(tái)監(jiān)控中心

監(jiān)控中心具有全自動(dòng)控制模式、分機(jī)自動(dòng)控制模式和分機(jī)集中控制模式。其中，全自動(dòng)控制模式可以將工作面綜采設(shè)備集中控制，通過“總開關(guān)”按鈕實(shí)現(xiàn)工作面綜采設(shè)備全自動(dòng)化。分機(jī)自動(dòng)控制模式是單獨(dú)對(duì)采煤機(jī)，液壓支架等綜采設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化控制。

1）液壓支架遠(yuǎn)程控制。通過對(duì)電液控計(jì)算機(jī)和工作面采集的視頻信息的處理，利用支架遠(yuǎn)程操作臺(tái)實(shí)現(xiàn)液壓壓支架單架推溜，降架，拉架，升架等動(dòng)作的自動(dòng)化控制。

2）采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制。依據(jù)采煤機(jī)主系統(tǒng)及工作面視頻信息，利用采煤機(jī)遠(yuǎn)程操作臺(tái)實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)滾筒升、降、左牽、右牽、急停、記憶割煤?jiǎn)⑼５葎?dòng)作的自動(dòng)化控制。

3）工作運(yùn)輸機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)集中自動(dòng)化控制。單設(shè)備啟停功能，包括刮板機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)(聯(lián)鎖解除)；順序開機(jī)功能，啟動(dòng)順序如下：破碎機(jī)-＞轉(zhuǎn)載機(jī)-＞刮板機(jī)-＞采煤機(jī) (存在聯(lián)鎖關(guān)系)；順序停機(jī)功能，停機(jī)順序如下：采煤機(jī)-＞刮板機(jī)-＞轉(zhuǎn)載機(jī)-＞破碎機(jī)；具有急停閉鎖功能。

5 智能化開采效益

采用智能化開采后,按每班8 h，7 h組織生產(chǎn)，1 h時(shí)搞標(biāo)準(zhǔn)化。每個(gè)循環(huán)需用時(shí)70 min，每刀348 t，每班可循環(huán)6次，每天12次，回采率95%，日產(chǎn)量3 112 t，月產(chǎn)量 9.34 萬 t。

采用傳統(tǒng)開采，按每班8 h計(jì)算，7 h組織生產(chǎn)，每個(gè)循環(huán)136 min，每班可循環(huán)3次，每天6次，日產(chǎn)量 1 404 t，月產(chǎn)量 4.21 萬 t。

采用智能化開采,可縮短回采周期137.5 d，即4.5個(gè)月,每年可節(jié)約工資1 110萬元；工作面使用無人化開采，可將整個(gè)綜采工作面的操作人員由傳統(tǒng)的11人節(jié)減至3人，每個(gè)生產(chǎn)班減少用人8人，即每天減少用人16人；無人化開采較傳統(tǒng)開采每月可多出產(chǎn)混煤5.13萬t。

6 結(jié)語

通過對(duì)薄煤層綜采遠(yuǎn)程可視化無人工作面智能開采技術(shù)的研究與應(yīng)用，濱湖煤礦12210工作面實(shí)現(xiàn)了工作面無人化智能開采，取得了良好的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。并且總結(jié)出了一套適合薄煤層綜采的技術(shù)方案，將對(duì)薄煤層綜采遠(yuǎn)程可視化智能開采技術(shù)的應(yīng)用起到一定的示范作用。