中厚煤層智能化綜采工作面無(wú)人開(kāi)采關(guān)鍵技術(shù)探究

魏東望

[摘? ? 要]煤炭開(kāi)采施工環(huán)境惡劣，風(fēng)險(xiǎn)隱患多，在生產(chǎn)的過(guò)程中兼顧安全和效益是煤炭企業(yè)研究的重要內(nèi)容。隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的煤炭企業(yè)采用新技術(shù)實(shí)現(xiàn)了智能化生產(chǎn)管理模式，實(shí)現(xiàn)了煤炭生產(chǎn)安全，保障了生產(chǎn)效益。本文圍繞中厚煤層智能化工作面無(wú)人開(kāi)采系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行論述，旨在加快推動(dòng)煤礦生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)型升級(jí)，實(shí)現(xiàn)綜采工作面無(wú)人則安、少人則安的目標(biāo)。

[關(guān)鍵詞]綜采工作面;智能化系統(tǒng);自動(dòng)化設(shè)備;監(jiān)控

[中圖分類(lèi)號(hào)]TD822.1 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2020）12–00–03

[Abstract]The coal mining construction environment is bad， and there are many hidden risks. It is an important content of coal enterprise research to give consideration to safety and benefit in the process of production. With the development of modern technology， more and more coal enterprises adopt new technology to realize the intelligent production management mode， realize the safety of coal production and ensure the production efficiency. This paper discusses the unmanned mining system and key technologies of intelligent working face in medium thick coal seam， aiming to accelerate the transformation and upgrading of coal mine production mode， and realize the goal of safety in fully mechanized working face with no one and less people.

[Keywords]fully mechanized working face; intelligent system; automatic equipment; monitoring

陜西雙龍煤業(yè)開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司中厚煤層開(kāi)采過(guò)程中采用了智能化工作面開(kāi)采系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括單機(jī)設(shè)備層、集中控制層、地面層3個(gè)層次。單機(jī)設(shè)備層由各個(gè)子系統(tǒng)完成設(shè)備的獨(dú)立控制，同時(shí)各個(gè)子系統(tǒng)提供通信接口，向綜采自動(dòng)化系統(tǒng)開(kāi)放通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)子系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集以及在方向控制方面的啟停功能。集中控制層位于監(jiān)控中心，能夠?qū)γ旱V開(kāi)采工作面的所有設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程集中控制。地面層可以通過(guò)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)了解和掌握煤礦井下開(kāi)采工作面設(shè)備的運(yùn)行狀況。

1 中厚煤層工作面開(kāi)采智能化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

工作面開(kāi)采智能化系統(tǒng)包括以下組成部分：順槽監(jiān)控中心、采煤機(jī)控制系統(tǒng)、液壓支架電液控制系統(tǒng)、三機(jī)設(shè)備數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、轉(zhuǎn)載與皮帶自移控制系統(tǒng)、運(yùn)順與回風(fēng)巷超前支架控制系統(tǒng)、語(yǔ)音通訊控制系統(tǒng)、組合開(kāi)關(guān)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、工作面智能集成供液控制系統(tǒng)、膠帶輸送機(jī)控制系統(tǒng)、工作面視頻系統(tǒng)、工作面1 000 Mbps以太網(wǎng)系統(tǒng)、地面分控中心。

系統(tǒng)具備以下特點(diǎn)：①綜采工作面監(jiān)控中心能夠?qū)⒉擅簷C(jī)、支架電液控制系統(tǒng)、泵站控制系統(tǒng)、工作面運(yùn)輸機(jī)控制系統(tǒng)、供電系統(tǒng)多個(gè)系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)作，并能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)單一或多個(gè)系統(tǒng)的集中自動(dòng)化控制目的。②通過(guò)監(jiān)控中心能夠?qū)Σ擅簷C(jī)和液壓支架進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，減少人工，降低操作誤差。③不同于普通的一機(jī)多系統(tǒng)模式，而是采用了三機(jī)集成模式，將控制、通信、監(jiān)視集成為一體，提高了開(kāi)采智能化系統(tǒng)的運(yùn)作效率。④采用主干線(xiàn)的方式，將工作面設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)、控制、通訊、食品監(jiān)控等進(jìn)行集成，有效簡(jiǎn)化了工作面布置，節(jié)省工作面空間，降低投入成本。⑤開(kāi)采智能化系統(tǒng)采用本安化設(shè)計(jì)，防護(hù)等級(jí)為IP67，確保了智能化系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。⑥系統(tǒng)設(shè)備模塊之間采用快速插接方式，簡(jiǎn)化了安裝施工流程，便于設(shè)備維護(hù)。⑦各個(gè)子系統(tǒng)之間能夠無(wú)縫銜接，提升了系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。⑧采煤機(jī)和液壓支架采用了遠(yuǎn)程控制方式，控制延時(shí)在500 ms以?xún)?nèi)，提高了信息傳輸效率，使工作面開(kāi)采智能化系統(tǒng)時(shí)效性得到保障。

2 智能化控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 支架電液控制技術(shù)

工作面長(zhǎng)度：235.5m（巷道中心距）;走向長(zhǎng)度1 450m;運(yùn)輸順槽尺寸：矩形斷面5 000 mm（寬）×2 900 mm（高）;回風(fēng)順槽尺寸：矩形斷面5 000 mm（寬）×2 900 mm（高）;工作面傾角：小于5°;監(jiān)控中心尺寸：4 500 mm×1 400 mm ×1 800 mm刮板運(yùn)輸機(jī)：SGZ764/800刮板運(yùn)輸機(jī)，每節(jié)1750 mm;采煤機(jī)：MG300/730-AWD2型電牽引采煤機(jī);液壓支架：ZY7600/14/33D;超前支架：回風(fēng)順槽ZQL2×4000/18/35;運(yùn)輸順槽ZQH2×3400/24/34;配套支架：ZY7600/14/33D，139架。

支架電液控制技術(shù)主要通過(guò)功能出口電液控?fù)Q向閥來(lái)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)中具有中文菜單操作功能，工作人員很容易掌握使用方法;液壓支架帶有自動(dòng)操作功能，可以對(duì)鄰架進(jìn)行電動(dòng)控制，也可以通過(guò)電磁閥按組來(lái)進(jìn)行手動(dòng)操作;系統(tǒng)具備紅外線(xiàn)發(fā)射和接受功能，通過(guò)紅外線(xiàn)發(fā)射和接受可以對(duì)工作面采煤機(jī)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)自動(dòng)控制;支架電液控制系統(tǒng)能夠監(jiān)測(cè)立柱的工作壓力、監(jiān)測(cè)千斤頂行動(dòng)進(jìn)程、監(jiān)測(cè)采煤機(jī)的位置和運(yùn)動(dòng)方向，監(jiān)測(cè)到的信息顯示在控制主機(jī)顯示屏上，可進(jìn)行存儲(chǔ)或傳輸，當(dāng)?shù)孛嬲{(diào)度中心接收到監(jiān)控信息后可以根據(jù)工作面工況發(fā)出指令;支架電液系統(tǒng)具有故障診斷功能、緊急狀況警報(bào)功能，在突發(fā)狀況下可進(jìn)行急?；虮炯荛]鎖，同時(shí)將故障或緊急信息顯示在顯示屏上，便于工作人員進(jìn)行手動(dòng)操作，及時(shí)根據(jù)工況調(diào)整設(shè)備參數(shù);支架設(shè)置有自動(dòng)噴霧裝置，噴霧裝置啟閉和調(diào)節(jié)由電液獨(dú)立控制;系統(tǒng)對(duì)初撐力能夠自動(dòng)保持，同時(shí)還可以根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)補(bǔ)償初撐力大小和補(bǔ)壓次數(shù);支架電液控制系統(tǒng)中含有數(shù)據(jù)傳輸單元，能夠?qū)⒕C采設(shè)備的信息上傳到地面并在井下和井上計(jì)算機(jī)上顯示，數(shù)據(jù)接入到煤礦自動(dòng)化系統(tǒng);支架電液控制系統(tǒng)每臺(tái)設(shè)備的頂梁配備兩個(gè)傾角傳感器，對(duì)支架頂梁姿態(tài)進(jìn)行控制，保證放煤支架姿態(tài)良好，能夠?qū)ぷ髅孀呦騼A角和方向傾角進(jìn)行測(cè)量;電液控制系統(tǒng)具有防碰撞功能，避免了采煤機(jī)和支架相互碰撞。

2.2 工作面運(yùn)輸控制技術(shù)

智能化系統(tǒng)能夠?qū)ぷ髅孓D(zhuǎn)載機(jī)、刮板運(yùn)輸機(jī)、破碎機(jī)進(jìn)行起停狀態(tài)控制，系統(tǒng)中設(shè)有控制器，工作人員可以通過(guò)顯示屏觀(guān)察到上述設(shè)備啟停狀態(tài)的信息;系統(tǒng)能夠顯示工作面運(yùn)輸設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、沿線(xiàn)電話(huà)狀態(tài)、沿線(xiàn)電纜狀態(tài)、傳感器狀態(tài)、控制器的自檢信息、各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的輸入數(shù)值、其他連鎖設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等信息;系統(tǒng)采用了強(qiáng)制閉鎖技術(shù)，當(dāng)按下閉鎖后能夠強(qiáng)制切斷控制輸出，由于采用非軟件控制的方式，同時(shí)設(shè)置人工閉鎖裝置，因此可以最大限度地保證信息安全;閉鎖位置采用漢字和動(dòng)態(tài)圖形的方式進(jìn)行顯示，工作人員可以很方便直觀(guān)地看到信息;沿線(xiàn)電話(huà)采用擴(kuò)音式，聲強(qiáng)超過(guò)105 dB，同時(shí)電話(huà)帶有電池，停電后仍可進(jìn)行至少4 h的正常通話(huà)，確保工作面通訊可靠、順暢;系統(tǒng)設(shè)置有報(bào)警裝置和揚(yáng)聲器，能夠?qū)ぷ髅孢\(yùn)輸設(shè)備的起停、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、沿線(xiàn)閉鎖故障等情況進(jìn)行語(yǔ)言報(bào)警;工作面運(yùn)輸控制系統(tǒng)可以進(jìn)行參數(shù)調(diào)整設(shè)置，同時(shí)可以選擇集控、就地、檢修、點(diǎn)動(dòng)等控制方式，滿(mǎn)足工作面運(yùn)輸作業(yè)需求;控制器具有遠(yuǎn)程控制接口，提供一路電纜接入接口，通過(guò)RS485接口連接，工作人員可根據(jù)實(shí)際情況對(duì)數(shù)據(jù)位進(jìn)行選擇，可以選擇校驗(yàn)、停止，可對(duì)站地址進(jìn)行設(shè)置，有效接收上位機(jī)發(fā)出的控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)輸、破損設(shè)備的遠(yuǎn)程啟停控制。

2.3 順槽皮帶控制技術(shù)

系統(tǒng)中的綜合保護(hù)模塊中含有防止縱向撕帶監(jiān)測(cè)裝置、膠帶防跑偏裝置、堆煤保護(hù)裝置;還含有溫度監(jiān)測(cè)保護(hù)裝置，能夠?qū)ζЮ@組和其他主要運(yùn)轉(zhuǎn)部件的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè);含有煙霧檢測(cè)裝置、煙霧警報(bào)裝置、皮帶打滑監(jiān)測(cè)裝置、膠帶沿線(xiàn)急停保護(hù)裝置、超溫自動(dòng)灑水裝置，沿線(xiàn)急停開(kāi)關(guān)具有通話(huà)功能，工作人員可以通過(guò)沿線(xiàn)拉力電纜使急停開(kāi)關(guān)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)膠帶機(jī)的急停閉鎖。系統(tǒng)中的通訊控制模塊具有中文顯示功能，通過(guò)控制系統(tǒng)可以對(duì)順槽皮帶等運(yùn)輸設(shè)備進(jìn)行集控、單控、閉鎖、手動(dòng)控制功能的切換。此外，皮帶控制系統(tǒng)能夠通過(guò)電纜與工作面通信控制系統(tǒng)進(jìn)行通信，將皮帶控制系統(tǒng)相關(guān)信息，包括沿線(xiàn)保護(hù)狀態(tài)、故障狀態(tài)、溫度參數(shù)等信息通過(guò)通信接口傳輸至工作面運(yùn)輸設(shè)備控制系統(tǒng)，然后工作面運(yùn)輸設(shè)備控制系統(tǒng)再將皮帶控制信息傳輸至綜采自動(dòng)化系統(tǒng)?？刂破骶哂羞h(yuǎn)程控制接口，提供一路電纜接入接口，工作人員可根據(jù)實(shí)際情況對(duì)數(shù)據(jù)位進(jìn)行選擇，可以選擇校驗(yàn)、停止，可對(duì)站地址進(jìn)行設(shè)置。

2.4 智能集成供液技術(shù)

泵站控制系統(tǒng)可以通過(guò)遠(yuǎn)程控制接口與綜采自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行通信，工作人員可根據(jù)實(shí)際情況對(duì)數(shù)據(jù)位進(jìn)行選擇，可以選擇校驗(yàn)、停止，可對(duì)站地址進(jìn)行設(shè)置。通過(guò)綜采自動(dòng)化控制系統(tǒng)傳輸給泵站控制系統(tǒng)的指令，可以對(duì)單臺(tái)泵站運(yùn)行狀況進(jìn)行控制，還可以對(duì)泵站實(shí)現(xiàn)閉鎖;對(duì)多臺(tái)泵站的聯(lián)動(dòng)運(yùn)行狀況進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，對(duì)多臺(tái)泵站實(shí)現(xiàn)閉鎖;系統(tǒng)能夠?qū)Ρ谜驹O(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，具體包括乳化液泵站及噴霧泵站的油位、壓力、缺陷故障保護(hù)情況、配液情況、泵組油溫、泵組油壓、泵組液位等參數(shù)信息，并能夠?qū)⑸鲜霾杉降男畔鬏斀o綜采自動(dòng)化系統(tǒng)。

2.5 采煤機(jī)跟機(jī)自動(dòng)化技術(shù)

工作人員可以在地面調(diào)度中心或者順槽監(jiān)控中心對(duì)井下設(shè)備進(jìn)行啟?；蚱渌深A(yù)操作;可以在地面調(diào)度中心或順槽監(jiān)控中心對(duì)井下設(shè)備的運(yùn)行工況進(jìn)行監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程自動(dòng)控制;能夠?qū)C采工作面設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行集成和處理，同時(shí)具有對(duì)設(shè)備的自動(dòng)故障診斷功能，當(dāng)發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在缺陷或異常時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)顯示屏或者語(yǔ)音播報(bào)裝置進(jìn)行提示，便于工作人員及時(shí)處理解決;能夠?qū)ζё砸葡到y(tǒng)以及對(duì)兩順槽超前支架電控、就地遙控及遠(yuǎn)程控制;連接工業(yè)以太網(wǎng)，在運(yùn)行過(guò)程中實(shí)現(xiàn)視頻信息與文字?jǐn)?shù)據(jù)信息的高速傳輸;具有采煤機(jī)與支架的防碰撞功能、支架頂梁姿態(tài)監(jiān)測(cè)功能;各個(gè)子系統(tǒng)與綜采工作面自動(dòng)化控制系統(tǒng)之間可獨(dú)立運(yùn)行，當(dāng)綜采工作面自動(dòng)化控制系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí)，子系統(tǒng)不受影響，可以單獨(dú)開(kāi)車(chē)，保障生產(chǎn)效率。

2.6 采煤機(jī)記憶截割技術(shù)

采煤機(jī)記憶割煤技術(shù)可以對(duì)采煤機(jī)實(shí)施自動(dòng)啟閉。當(dāng)刮板輸運(yùn)機(jī)實(shí)際負(fù)荷超出限定值時(shí)，自動(dòng)化控制系統(tǒng)能夠?qū)Σ擅簷C(jī)實(shí)施自動(dòng)閉鎖控制，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)急停閉鎖。

3 智能化開(kāi)采產(chǎn)量保障措施

3.1 從管理方面進(jìn)行保障

智能化開(kāi)采系統(tǒng)的操作和維護(hù)應(yīng)配備專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員，并由專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員向所有操作使用人員進(jìn)行操作技術(shù)培訓(xùn)指導(dǎo)，并告知操作使用的注意事項(xiàng)。系統(tǒng)設(shè)置密碼授權(quán)模式，由專(zhuān)門(mén)制定的專(zhuān)業(yè)操作人員掌握，并不得泄露給其他人員。非專(zhuān)業(yè)人員不得擅自修改系統(tǒng)原有的參數(shù)。

3.2 從操作方面進(jìn)行保障

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，所有操作人員必須保持精力集中，對(duì)系統(tǒng)監(jiān)控畫(huà)面保持密切監(jiān)控，不能疏忽大意。為了防治工作面設(shè)備誤動(dòng)作從而造成人身安全威脅或者造成設(shè)備故障，應(yīng)密切注意工作面狀況。如果發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)，應(yīng)立即根據(jù)系統(tǒng)提示了解故障原因，采取措施直到警報(bào)解除，認(rèn)真做好報(bào)警處理信息記錄。

3.3 從維護(hù)維修方面進(jìn)行保障

智能化系統(tǒng)的維護(hù)維修采用專(zhuān)人維護(hù)，結(jié)合系統(tǒng)運(yùn)行狀況制定合理的檢查和維護(hù)計(jì)劃，定期開(kāi)展專(zhuān)業(yè)檢查，及時(shí)對(duì)發(fā)現(xiàn)的異常問(wèn)題處理和解決。對(duì)一些重要的電氣元部件，應(yīng)嚴(yán)格按照《煤礦安全規(guī)程》中的相關(guān)管理規(guī)定中的內(nèi)容進(jìn)行管理和維護(hù)。如果需要對(duì)系統(tǒng)的零部件進(jìn)行更換，只允許更換原供貨商提供的零部件。

3.4 從人才培養(yǎng)方面進(jìn)行保障

隨著綜采工藝技術(shù)的升級(jí)，現(xiàn)有人員的知識(shí)結(jié)構(gòu)無(wú)法滿(mǎn)足新工藝新技術(shù)的要求。為此，加強(qiáng)對(duì)人員隊(duì)伍的知識(shí)技術(shù)培訓(xùn)，采取理論知識(shí)教授和事件操作指導(dǎo)相結(jié)合的方式，培訓(xùn)后進(jìn)行考核，通過(guò)考核方能上崗，確保人員隊(duì)伍素質(zhì)水平與綜采智能化工藝需求相匹配。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，中厚煤層工作面開(kāi)采智能化系統(tǒng)的應(yīng)用集合了綜合應(yīng)用控制技術(shù)、無(wú)線(xiàn)技術(shù)、視頻音頻技術(shù)、以太網(wǎng)技術(shù)、通信技術(shù)、液壓技術(shù)等多種技術(shù)。因多種技術(shù)的集成使煤礦井下生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)入到了記憶割煤為主，人工遠(yuǎn)程干預(yù)為輔的現(xiàn)代化高效開(kāi)采模式。借助液壓支架自動(dòng)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)自動(dòng)控制，減少人工勞動(dòng)量，提高了采煤效率。通過(guò)對(duì)綜采設(shè)備智能化感知，借助現(xiàn)場(chǎng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)綜采工作面設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)控制和遠(yuǎn)程干預(yù)相結(jié)合的生產(chǎn)模式，實(shí)現(xiàn)了綜采工作面無(wú)人則安、少人則安的目標(biāo)，大大提升生產(chǎn)安全和開(kāi)采效益。

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