煤礦智能化異構(gòu)集成開采系統(tǒng)研究

趙德雄

（中天合創(chuàng)能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017020）

智能化開采對提高我國煤礦井下生產(chǎn)的安全性有重大意義，受到國家高度重視。門克慶煤礦的煤層具有強沖擊傾向性、水文條件差、工作面環(huán)境惡劣、工作面人員勞動強度大等問題，從“無人則安”的理念出發(fā)，以安全高效、綠色智能化開采及智慧礦山建設(shè)為目標(biāo)，研制具有“中煤模式”的綜采工作面智能化控制成套設(shè)備與技術(shù)。

1 工作面概況

門克慶煤礦位于鄂爾多斯地區(qū)，埋深達(dá)到600m以上。其3108工作面區(qū)域總體為一向西傾斜的單斜構(gòu)造，傾向270°左右，并在工作面內(nèi)發(fā)育次一級的波狀起伏，其波峰、波谷寬緩。煤層厚度為4.25～5.53m，平均煤厚約為4.80m。在頂板水疏放后正常涌水量850m3/h，最大涌水量為1275m3/h。同時礦井存在明顯沖擊地壓現(xiàn)象，沖擊地壓大，帶來礦井生產(chǎn)安全保障要求高。而要提高礦井生產(chǎn)的安全性，必須提高成套裝備的智能化水平，監(jiān)測各設(shè)備及礦井開采情況，減少井下工作面操作人員數(shù)量。

2 工作面系統(tǒng)智能集成簡介

工作面系統(tǒng)智能集成是指綜采工作面的信息化、數(shù)字化，進(jìn)而實現(xiàn)在順槽主控計算機和地面調(diào)度指揮中心對綜采工作面設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控以及各種數(shù)據(jù)的實時顯示等。本智能化開采系統(tǒng)分為地面和井下兩部分，其中地面主要是顯示和監(jiān)測功能，井下是智能化系統(tǒng)的核心，分為各設(shè)備的自動化系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸和交互系統(tǒng)以及智能化開采平臺。各設(shè)備的自動化系統(tǒng)通過工作面有線、無線數(shù)據(jù)傳輸平臺與智能化開采平臺進(jìn)行實時通訊，智能化開采平臺對各設(shè)備的運行狀態(tài)、工況參數(shù)以及煤層地質(zhì)條件、開采工藝等進(jìn)行綜合評判，遠(yuǎn)程對各設(shè)備進(jìn)行自動化控制，實現(xiàn)各設(shè)備之間的協(xié)同動作和遠(yuǎn)程監(jiān)控。如圖1所示。

圖1 工作面智能化開采系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 智能化開采系統(tǒng)構(gòu)成

3.1 液壓支架系統(tǒng)

門慶克煤礦支架電液系統(tǒng)采用德國DRD公司支架電液控制系統(tǒng)，其采用16功能電磁閥驅(qū)動17個出口動作功能的主控閥，能夠進(jìn)行簡單的跟機拉架、推溜和成組動作等功能，但不能與工作面采煤機實現(xiàn)聯(lián)合動作，不能將液壓支架監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸給智能開采平臺。因此需要通過對其技術(shù)升級，實現(xiàn)能夠通過工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，將支架電液控制系統(tǒng)監(jiān)測到的狀態(tài)數(shù)據(jù)和工況數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)街悄芸刂破脚_處，并能夠在智能化控制平臺處實現(xiàn)對工作面支架的相關(guān)動作進(jìn)行遠(yuǎn)程自動控制和手動控制。

系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸和交互是實現(xiàn)其他智能化開采功能的基礎(chǔ)和保障。由于支架電液控制器的數(shù)量多，分布距離較長，傳輸數(shù)據(jù)量較大，因此在與支架電液控制器之間通訊時應(yīng)充分考慮核心通訊內(nèi)容和次要通訊內(nèi)容。所以在智能控制平臺與支架電液控制系統(tǒng)的順槽控制臺之間采用modbus/485和modbus/TCP兩種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以保證通訊的穩(wěn)定性和可靠性。

此智能化開采平臺主要對護(hù)幫的姿態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，通過伸縮梁與護(hù)幫聯(lián)動的方式，實現(xiàn)通過護(hù)幫的動作監(jiān)測來同時反應(yīng)伸縮梁的動作狀態(tài)，同時借助立柱的壓力值和推移行程傳感器來初步判斷支架的姿態(tài)，實現(xiàn)對支架姿態(tài)的實時監(jiān)測，配合其他設(shè)備更好地實現(xiàn)智能化開采。

支架電液控制系統(tǒng)應(yīng)能夠進(jìn)行手動開采和自動開采兩種方式。當(dāng)采煤機在任意位置、任意工藝段時，支架電液系統(tǒng)都能夠開啟自動化開采模式。與采煤機進(jìn)行配合，進(jìn)行不同工藝段的自動開采，同時與智能控制平臺實時數(shù)據(jù)交互，接受智能控制平臺的動作指令和保護(hù)指令，實現(xiàn)整體協(xié)同作業(yè)，智能開采。支架安裝如圖2。

圖2 支架安裝傳感器圖

3.2 輸送機控制系統(tǒng)

輸送機控制系統(tǒng)在原有的系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行改造、升級，以實現(xiàn)智能化開采的目標(biāo)。原有系統(tǒng)配置包括刮板輸送機變頻器、轉(zhuǎn)載機變頻器、破碎機組合開關(guān)、語音通訊集控裝置及各個驅(qū)動部的工況監(jiān)測裝置。通過智能驅(qū)動、自動潤滑、皮帶自移機尾電液控制等智能化功能，對設(shè)備的使用和維護(hù)方面帶來極大的便利，更有利于延長設(shè)備的使用壽命，提升設(shè)備性能，如圖3。

圖3 原有配置情況

3.3 采煤機系統(tǒng)

門克慶煤礦原有的采煤機為艾柯夫SL900型采煤機，在保留原有傳感器的基礎(chǔ)上，對采煤機的電控系統(tǒng)進(jìn)行改造，使采煤機支持精確定位和遠(yuǎn)程控制功能。智能控制平臺與采煤機系統(tǒng)之間采用單模光纜和通訊電纜兩種方式連接，兩種通訊方式為冗余設(shè)計，采煤機與智能控制平臺之間的通訊電纜采用采煤機動力線纜中的一對雙絞線。如圖4所示。

圖4 采煤機系統(tǒng)與智能控制平臺的連接

3.4 視頻系統(tǒng)

門克慶煤礦開采工作面開采環(huán)境復(fù)雜，開采過程中能見度條件差、濕度大、設(shè)備多且品種雜等，導(dǎo)致視頻采集、通信、控制等均受到不同程度的阻礙，因此需要研究一套視頻系統(tǒng)，以保證數(shù)據(jù)的高清可見性、實時性、可靠性、通用性以及方便維護(hù)等方面技術(shù)要求。

3.5 供電供液系統(tǒng)

供電系統(tǒng)主要包括變頻器、組合開關(guān)和移動變電站，都為礦方原有設(shè)備。供電設(shè)備主要是實現(xiàn)對變頻器、組合開關(guān)及移動變電站的監(jiān)測功能，智能化控制平臺主要是通過modbus/485的方式與各個設(shè)備之間的通訊，實現(xiàn)對各個設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測和控制。中天合創(chuàng)泵站采用雷波泵站，雷波泵站本身具有較完整的控制和監(jiān)測系統(tǒng)，此項目僅是增加智能化開采平臺與雷波泵站之間的通訊功能，將泵站的控制和監(jiān)測系統(tǒng)移植到智能化開采平臺中來。

3.6 皮帶監(jiān)測系統(tǒng)

皮帶機主要是實現(xiàn)對順槽皮帶機進(jìn)行監(jiān)測，將礦方現(xiàn)有的皮帶機監(jiān)測系統(tǒng)接入到智能開采平臺中。集中控制系統(tǒng)與皮帶監(jiān)控系統(tǒng)的主機之間采用AB公司的Ethernet IP的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。集中控制系統(tǒng)為主站，皮帶機監(jiān)測系統(tǒng)為從站。

3.7 智能控制平臺

智能控制平臺作為自動化開采系統(tǒng)的核心組成部分，是整個自動化開采系統(tǒng)的“大腦”，通過工業(yè)以太網(wǎng)的通訊方式模塊接入井下數(shù)據(jù)環(huán)網(wǎng)中，按照不同的采煤工藝要求，協(xié)調(diào)指揮其他相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的自動化動作。其主要的功能包括對各個子系統(tǒng)的監(jiān)測、通訊、控制、保護(hù)、數(shù)據(jù)存儲等。

3.8 移動APP

移動APP的研發(fā)主要是為了通過遠(yuǎn)程移動終端門對門克慶煤礦3108智能工作面進(jìn)行監(jiān)控，實現(xiàn)不同角色管理人員能夠?qū)Σ煌男畔⑦M(jìn)行移動端的實時查看，便于了解井下實際的生產(chǎn)管理和設(shè)備運行情況。

移動APP可以對用戶權(quán)限進(jìn)行管理，用戶個人設(shè)置，以及登錄應(yīng)用相關(guān)操作。包括登錄、綁定手機、修改密碼、忘記密碼、偏好設(shè)置等用戶相關(guān)功能。智能開采APP的用戶都是由后臺管理員分配的，不提供用戶自行注冊的方式。其安全監(jiān)控功能根據(jù)中煤集團(tuán)綜合調(diào)度管理信息系統(tǒng)安全監(jiān)測聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)對煤礦的生產(chǎn)安全的實時數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，主要監(jiān)控指標(biāo)包括：低濃度甲烷、高低濃度甲烷、一氧化碳、風(fēng)速、溫度、風(fēng)壓、風(fēng)量、瓦斯涌出量、負(fù)壓、粉塵、煤倉煤位、電壓、電流、電功率、電度、二氧化碳、氧氣等模擬量以及供電開停、局扇開停、主扇開停、饋電開停、風(fēng)門開關(guān)、風(fēng)筒有無、煙霧有無、供電斷電控制器、風(fēng)機閉鎖、二級斷電等開關(guān)量。

4 結(jié)語

通過對蒙陜地區(qū)深部煤層礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的研究，優(yōu)化采煤工藝，集成了礦壓和設(shè)備姿態(tài)監(jiān)測控制系統(tǒng)，開發(fā)了防沖智能化開采平臺，將礦山壓力監(jiān)測與工作面開采融為一體，構(gòu)建了煤層具有強沖擊傾向性大采高工作面智能化開采體系，實現(xiàn)了蒙陜地區(qū)深部煤層大采高工作面的安全高效開采。智能化開采平臺采用模塊化結(jié)構(gòu)，融合和處理海量多維、異構(gòu)、大數(shù)據(jù)，將工作面液壓支架、采煤機、輸送機、供電供液系統(tǒng)、礦壓監(jiān)測等設(shè)備和系統(tǒng)無縫連接，實現(xiàn)了工作面全過程智能化開采，中部智能化開采速度最大達(dá)到15m/min，創(chuàng)造國內(nèi)最大的智能化開采平臺。