唐口煤礦智能化放頂煤工作面升級(jí)改造技術(shù)研究

山東唐口煤業(yè)有限公司 山東濟(jì)寧 272005

智能化開采是煤礦安全高效開采的發(fā)展方向與必然趨勢(shì)[1]。隨著煤炭開采技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，工作面智能化開采技術(shù)已進(jìn)入大規(guī)模推廣應(yīng)用階段。為了加快推動(dòng)智能化開采技術(shù)的應(yīng)用步伐，國(guó)家安全監(jiān)管總局開展了“機(jī)械化換人、自動(dòng)化減人”科技強(qiáng)安專項(xiàng)行動(dòng)，將煤炭智能化開采列為重點(diǎn)研究方向；山東省要求全省沖擊地壓礦井采掘工作面必須在 2019 年底實(shí)現(xiàn)智能化。唐口煤礦于 2018 年底開始智能化工作面設(shè)備升級(jí)改造工作布置，將 6308 工作面作為首個(gè)智能化工作面，對(duì)現(xiàn)有的采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、供液系統(tǒng)等綜機(jī)裝備進(jìn)行升級(jí)改造，要求采煤機(jī)具有記憶截割功能，液壓支架采用電液控制系統(tǒng)，工作面配套自動(dòng)化控制系統(tǒng)。通過升級(jí)改造，將人工手動(dòng)操作工作面改造為智能化放頂煤工作面，改造的內(nèi)容及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可供類似條件礦區(qū)參考。

1 煤層地質(zhì)條件

唐口煤礦 630 采區(qū)埋深為 687～1 105 m，采區(qū)南北長(zhǎng) 1.8～3.5 km，東西寬 0.7～2.7 km，面積約 6.7 km2，儲(chǔ)量為 5 142.9 萬 t。采區(qū)共布置 10 個(gè)綜放工作面，6301、6302 工作面斜長(zhǎng)約 150 m，6303～6310 工作面斜長(zhǎng)約 200 m。為了避免孤島開采，將 6308 工作面作為首采面。

采區(qū)主采 3 (3上)煤層，煤層平均厚約 7.51 m，合并區(qū)平均厚 9.3 m。采區(qū)煤層傾角為 2°～9°。煤層直接頂為泥巖，平均厚 3.68 m，抗壓強(qiáng)度平均約為 30 MPa，屬不穩(wěn)定頂板。基本頂為中砂巖，平均厚 8.47 m，抗壓強(qiáng)度平均約為 50 MPa，屬較穩(wěn)定基本頂。直接底為泥巖，平均厚 2.13 m，抗壓強(qiáng)度平均為 30 MPa，屬不穩(wěn)定底板；基本底為細(xì)砂巖，平均厚 13.2 m，抗壓強(qiáng)度平均約為 50 MPa，屬較穩(wěn)定底板。

2 智能化工作面升級(jí)改造主要內(nèi)容

2.1 工作面配套設(shè)備

6308 工作面長(zhǎng)度為 182 m，采用 ZF15600/24/45G型大采高放頂煤液壓支架進(jìn)行放頂煤開采。工作面共布置 102 架 ZF15600/24/45G 放頂煤中部支架、6 架ZFG16000/24/43H 型過渡支架，配套 MG750/1800-WD 電牽引滾筒式采煤機(jī)、SGZ1000/2×1000 前后部刮板輸送機(jī)和 SZZ1200/525 型轉(zhuǎn)載機(jī)。配套設(shè)備主要型號(hào)與參數(shù)如表 1 所列，工作面“三機(jī)”配套如圖 1所示。

表1 工作面設(shè)備選型Tab.1 Model selection of equipments on working face

2.2 智能化工作面升級(jí)改造

2.2.1 工作面自動(dòng)化控制系統(tǒng)

圖1 工作面“三機(jī)”配套Fig.1 Matching of three kinds of equipment on working face

唐口煤礦要實(shí)現(xiàn)“工作面自動(dòng)控制為主，監(jiān)控中心遠(yuǎn)程干預(yù)控制為輔”的自動(dòng)化生產(chǎn)模式，達(dá)到“無人操作，有人巡視”的智能化生產(chǎn)目的。要實(shí)現(xiàn)工作面智能化開采，必須建設(shè)工作面井下監(jiān)控中心。井下監(jiān)控中心是整個(gè)工作面協(xié)調(diào)控制的大腦，主要由礦用隔爆兼本安型監(jiān)控主機(jī)、礦用本安型顯示器和礦用本安型操作臺(tái)、交換機(jī)、電源等設(shè)備組成，如圖 2 所示。井下監(jiān)控中心具有一鍵啟停功能，同時(shí)具備對(duì)采煤機(jī)、液壓支架、工作面運(yùn)輸設(shè)備、泵站系統(tǒng)、帶式輸送機(jī)等設(shè)備工況監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程控制功能。工作面液壓支架、采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)的視頻信息和監(jiān)控信號(hào)均通過工作面工業(yè)以太網(wǎng)傳到井下監(jiān)控中心，在監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作。為了保證視頻圖像和控制信號(hào)的實(shí)時(shí)傳輸，采用千兆光纖，傳輸速率應(yīng)不低于100 Mb/s。

圖2 井下監(jiān)控中心Fig.2 Underground monitoring center

2.2.2 工作面視頻系統(tǒng)

由于目前煤巖識(shí)別技術(shù)還不成熟，工作面智能化開采主要通過視頻遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)工作面“無人操作，有人巡視”的智能化開采。工作面視頻系統(tǒng)包括礦用本安型攝像儀、礦用本安型顯示器、礦用本安型操作臺(tái)、安裝電纜及附件等組成。

如圖 3 所示，工作面視頻通過工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行傳輸[2]。工作面視頻監(jiān)控系統(tǒng)包括液壓支架視頻系統(tǒng)與采煤機(jī)視頻系統(tǒng)[3]。為節(jié)約成本，每 6 個(gè)支架配備 3臺(tái)礦用本安型攝像儀，安裝在液壓支架頂梁上，1 臺(tái)拍攝方向與工作面平行，其余 2 臺(tái)朝向煤壁。采煤機(jī)視頻系統(tǒng)具備對(duì)工作面煤壁的無死角覆蓋監(jiān)控，視頻系統(tǒng)傳輸延遲不超過 500 ms。工作面視頻要求具備低照度、寬動(dòng)態(tài)、強(qiáng)光抑制、紅外補(bǔ)光、水霧及煤塵穿透功能，云臺(tái)攝像儀云臺(tái)水平旋轉(zhuǎn)角度范圍不小于180°，光學(xué)變焦不小于 4 倍，最低像素不低于 1 080 P，水平廣角不低于 90°，同時(shí)具有跟隨采煤機(jī)自動(dòng)切換視頻畫面的功能，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖3 工作面視頻系統(tǒng)Fig.3 Video surveillance system on working face

在井下監(jiān)控中心配備 2 臺(tái)礦用本安型顯示器，進(jìn)行工作面視頻顯示，跟隨采煤機(jī)自動(dòng)切換視頻圖像。為了更好地監(jiān)測(cè)，在刮板運(yùn)輸機(jī)機(jī)頭和機(jī)尾、轉(zhuǎn)載點(diǎn)、帶式輸送機(jī)機(jī)頭處各安裝 1 臺(tái)礦用本安型攝像儀，實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2.2.3 液壓支架改造

液壓支架液壓系統(tǒng)改造主要是將原手動(dòng)操縱閥改為電液控制換向閥，將手動(dòng)反沖洗過濾器改為自動(dòng)反沖洗過濾器，同時(shí)增加控制器、電源箱、隔離耦合器、壓力傳感器、紅外接收器和綜合接收器等液壓系統(tǒng)電液控制元部件[4]。總體設(shè)計(jì)原則是盡量不改變現(xiàn)有液控單向鎖、雙向鎖、噴霧閥等輔閥及其安裝位置，以減小液壓系統(tǒng)改造工作量。在原手動(dòng)操縱閥的安裝位置安裝電液控制換向閥，如圖 4 所示。由于該支架有 26 個(gè)操作功能，考慮到左右立柱之間空間有限，將其分為 20 功能和 6 功能 2 個(gè)電液控制換向閥。20 功能控制閥進(jìn)行立柱升降、拉架推刮板輸送機(jī)、伸收側(cè)護(hù)板、底調(diào)、護(hù)幫、伸縮梁和抬底、前噴霧等支架主體部分動(dòng)作，6 功能控制閥進(jìn)行伸收尾梁、插板、拉帶式輸送機(jī)和后噴霧支架后部動(dòng)作，具體布置如圖 5 所示。

圖4 操縱閥安裝示意Fig.4 Installation sketch of control valve

圖5 操縱閥布置Fig.5 Layout of control valve

液壓系統(tǒng)改動(dòng)量較大的是推移千斤頂。由于采用電液控制系統(tǒng)，需要在推移千斤頂中加裝環(huán)形磁鐵和行程傳感器[5]。如圖 6 所示，行程傳感器安裝在液壓缸中，長(zhǎng)度與推移行程一致[6]。由于液壓支架推移步距為 960 mm，因而行程傳感器的長(zhǎng)度也不小于 960 mm。為了安裝行程傳感器，需要在推移千斤頂?shù)幕钊麠U上設(shè)置細(xì)長(zhǎng)孔，為此對(duì)推移千斤頂進(jìn)行改造。改造的基本原則是只改動(dòng)推移千斤頂結(jié)構(gòu)，不改動(dòng)推移桿和底座等部件。

圖6 推移千斤頂加裝行程傳感器Fig.6 Installation of stroke sensor on push jack

推移千斤頂改造前、后結(jié)構(gòu)如圖 7 所示。原推移千斤頂后端有φ82 mm 的圓孔用于裝配推移千斤頂固定銷軸。改造后取消了后端圓孔，在原圓孔處焊接 2個(gè)φ80 mm 的圓鋼，以代替原來的銷軸固定推移千斤頂，同時(shí)將千斤頂末端長(zhǎng)度增加了 35 mm，以裝配行程傳感器。改造后的推移千斤頂外形結(jié)構(gòu)基本不變，僅后端長(zhǎng)度略有增加，與現(xiàn)有部件裝配不存在問題。

圖7 推移千斤頂結(jié)構(gòu)示意Fig.7 Structural sketch of push jack

2.2.4 工作面供液系統(tǒng)改造

由于電液控制系統(tǒng)對(duì)乳化液清潔度要求較高，將工作面乳化液系統(tǒng)升級(jí)為智能型集成供液系統(tǒng)，如圖8 所示。選用 3 臺(tái) BRW630/37.5 智能乳化泵，每臺(tái)乳化液泵均配備變頻一體機(jī)，配套 2 臺(tái) 7 000 L 乳化液箱和 2 臺(tái)供液站；選用 2 臺(tái) BPW516/16 智能噴霧泵，配套 1 臺(tái) 7 000 L 水箱；配備自動(dòng)反沖洗高壓過濾站、自動(dòng)反沖洗清水過濾站、回液過渡站和反滲透水處理裝置[7]。泵站配套集成控制系統(tǒng)。智能型集成供液系統(tǒng)除了具備基本的供液功能外，還具備電磁卸載控制、乳化液泵站變頻和電磁卸載智能聯(lián)動(dòng)控制、多級(jí)過濾、自動(dòng)補(bǔ)液、乳化液自動(dòng)配比、系統(tǒng)運(yùn)行信息檢測(cè)與上傳等功能[8]，可以在井下監(jiān)控中心進(jìn)行啟、?？刂?，為工作面智能化開采創(chuàng)造條件。

圖8 智能集成供液系統(tǒng)Fig.8 Intelligent integrated oil supply system

2.2.5 其他設(shè)備改造

要實(shí)現(xiàn)智能化開采，還需要對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行改造。對(duì)現(xiàn)有采煤機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，以實(shí)現(xiàn)記憶截割和遠(yuǎn)程控制。當(dāng)工作面煤層條件沒有變化時(shí)，采煤機(jī)根據(jù)自動(dòng)重復(fù)示范刀截割模式數(shù)據(jù)自動(dòng)運(yùn)行；當(dāng)煤層條件發(fā)生變化時(shí)，人工遠(yuǎn)程干預(yù)修正搖臂動(dòng)作，遠(yuǎn)程監(jiān)控截割。人工干預(yù)修正值自動(dòng)覆蓋原數(shù)據(jù)，用于采煤機(jī)下一刀截割，實(shí)現(xiàn)記憶截割和遠(yuǎn)程控制。

對(duì)刮板輸送機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，采用交流變頻器，實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)和智能調(diào)速控制[9]。增加了刮板輸送機(jī)自動(dòng)伸縮機(jī)尾，增設(shè)刮板輸送機(jī)減速器溫度、壓力等傳感器，開放接口與通信協(xié)議，同時(shí)將刮板輸送機(jī)油溫與油壓等參數(shù)上傳到井下監(jiān)控中心。購(gòu)置KTC101 通信控制系統(tǒng)，對(duì)刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、井下帶式輸送機(jī)進(jìn)行啟停、閉鎖等控制，開放轉(zhuǎn)載機(jī)自移、刮板輸送機(jī)自移、井下帶式輸送機(jī)控制協(xié)議，并將上述設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、電動(dòng)機(jī)溫度、報(bào)警及故障等數(shù)據(jù)上傳到工作面智能化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)井下監(jiān)控中心對(duì)上述設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。同時(shí)，對(duì)工作面超前支架和端頭支架的液壓系統(tǒng)進(jìn)行改造，采用電液控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遙控操作。

3 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)設(shè)備的升級(jí)改造，唐口煤礦大采高放頂煤工作面基本具備了智能化開采條件。但是上述改造僅僅實(shí)現(xiàn)了大采高放頂煤智能化工作面的基本功能，還有些問題有待解決。

(1)煤矸識(shí)別技術(shù)尚不成熟，唐口煤礦放頂煤操作主要采用時(shí)序控制加鍵盤控制，還需要人工進(jìn)行放煤控制，放煤過程沒有實(shí)現(xiàn)智能化。

(2)唐口煤礦煤層地質(zhì)條件復(fù)雜，智能化工作面升級(jí)改造時(shí)沒有采用工作面自動(dòng)調(diào)直系統(tǒng)，工作面調(diào)直還需要人工介入，沒有實(shí)現(xiàn)智能化。

(3)煤巖識(shí)別技術(shù)尚不成熟，唐口煤礦采用采煤機(jī)記憶截割加遠(yuǎn)程監(jiān)控模式進(jìn)行生產(chǎn)。由于唐口煤礦煤層條件復(fù)雜多變，記憶截割模式?jīng)]有得到充分應(yīng)用。