煤礦井下智能化高效綜采技術的應用研究

張 潔

（山西煤炭運銷集團金山煤業(yè)有限公司， 山西 臨汾 041000）

引言

煤炭資源作為一種重要的能源，為人類社會的發(fā)展進步提供巨大的助力，特別是隨著以煤炭資源為依托的冶金、電力等行業(yè)的迅猛發(fā)展，整個社會對煤炭資源依舊保持著旺盛的需求，同時隨著人力、運輸成本的不斷增加也對煤炭生產企業(yè)造成了極大的經(jīng)濟壓力，因此需求不斷提效、降成本的方法[1]。

煤礦井下的綜采主要是由采煤機、刮板輸送機及液壓支架共同協(xié)調完成，在綜采作業(yè)時由人工根據(jù)綜采進度分別對采煤機、刮板輸送機及液壓支架的作業(yè)狀況進行調整，受井下惡劣的作業(yè)環(huán)境影響，在實際調整時經(jīng)常造成不同步，導致綜采作業(yè)停止，不僅對井下作業(yè)人員的安全造成了極大的威脅而且極大地影響了煤礦井下的作業(yè)效率，因此實現(xiàn)采煤機、刮板輸送機及液壓支架的聯(lián)合控制，不僅可以降低井下作業(yè)人員的數(shù)量而且可以降低因人工調節(jié)不同步造成的綜采作業(yè)間斷，大幅提升井下作業(yè)的安全性和綜采效率。

1 “三機”聯(lián)動控制要求

采煤機在執(zhí)行綜采作業(yè)時需要確保落煤量能夠滿足刮板輸送機的安全運量，避免出現(xiàn)空載或者過載運行，因此其在截割時的截割滾筒的轉速和牽引速度需根據(jù)刮板輸送機的運輸能力綜合設定，同時采煤機工作時的位置及牽引運動的方向及速度也直接決定著液壓支架的推溜位置和站位，采煤機牽引速度計算可表示為：

式中：vc為采煤機截割作業(yè)時的牽引速度；Qm為刮板輸送機的額定輸送能力；Kg為輸送機運量的安全調節(jié)系數(shù)，常取1.2～1.4；m為綜采面煤壁的厚度；S為截割滾筒截齒的截割深度；C為煤炭的采出率，取0.94；γ為煤炭的容重。

液壓支架在工作時需根據(jù)監(jiān)測到的采煤機的坐標進行相應的調整，在需要移架時，根據(jù)與采煤機的相對位置，計算出需移動的方向和行程，由液壓系統(tǒng)控制完成護幫板收放、移架、頂升及支護作業(yè)，在移動過程中為了避免出現(xiàn)漏支護導致的煤層頂板塌陷，需確保移位速度大于采煤機的牽引速度[2]，即：

式中：vs為液壓支架的移位速度；ns為同時移位的液壓支架的數(shù)量；t為液壓支架的追機速度；L為相鄰液壓支架的中心距。

刮板輸送機在工作時的負載情況可通過對輸送機驅動電機的工作電流的監(jiān)測來體現(xiàn)，當電機工作電流超過額定工作電流的90%時可向采煤機發(fā)出過載信號，降低采煤機的綜采速度，當工作電流低于額定工作電流的70%時，則向采煤機發(fā)出指令控制，采煤機加快綜采效率確保刮板輸送機的連續(xù)運量，從而確保刮板輸送機工作時的可靠性和使用壽命。

2“三機”聯(lián)動控制系統(tǒng)總體方案

煤礦井下采煤機、刮板輸送機及液壓支架聯(lián)合控制系統(tǒng)中系統(tǒng)需要通過刮板輸送機的負載狀態(tài)信號不斷地調整采煤機的截割速度和牽引速度[3]，根據(jù)監(jiān)測到的采煤機的綜采位置，對相應位置的液壓支架的工作狀態(tài)進行調整，聯(lián)合控制系統(tǒng)的總體結構如下頁圖1所示。

為簡化系統(tǒng)結構，增加控制的精確性和反應速度，本文將該聯(lián)合控制系統(tǒng)分為設備層、監(jiān)控層及管理層三個部分，設備層是指布置在采煤機、刮板輸送機、液壓支架上的各類傳感器設備及各類的信息傳輸和發(fā)送設備，其主要用于將各機械設備的運行狀態(tài)實時傳輸?shù)铰?lián)合控制中心，完成同步協(xié)調。監(jiān)控層主要由不間斷電源、聯(lián)動控制設備及監(jiān)控系統(tǒng)組成，主要用于對“三機”的位置狀態(tài)進行監(jiān)測，以便實現(xiàn)自動和遠程聯(lián)動控制，管理層主要是由設置在地面管理中心的各類儲存、顯示及控制設備組成，用于遠程對井下各設備的運行狀態(tài)進行監(jiān)測和控制。

圖1 “三機”聯(lián)動控制系統(tǒng)總體結構示意圖

3 采煤機聯(lián)合控制技術

在聯(lián)合控制系統(tǒng)中對采煤機的控制主要包括對截割負荷（控制落煤速度）和牽引速度的控制，牽引速度包括在巷道內的左側牽引和右側牽引，在工作時系統(tǒng)監(jiān)控設備將刮板輸送機的負載信息、采煤機的牽引速度及方向傳遞給控制中心，系統(tǒng)控制器根據(jù)預設的分析軟件的分析，發(fā)出對采煤機牽引速度調整的信號，同時通過采煤機的變頻調速系統(tǒng)確保采煤機截割負荷滿足調控要求，在聯(lián)合控制系統(tǒng)中采煤機的聯(lián)動工作過程如圖2所示。

圖2 采煤機的聯(lián)動工作邏輯示意圖

4 液壓支架電液控制技術

在聯(lián)合控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)將監(jiān)控到的采煤機工作時的位置和位移信息傳遞給邏輯控制系統(tǒng)，邏輯控制系統(tǒng)根據(jù)采煤機的工作狀態(tài)及下一步的位移情況，控制相應位置的液壓支架進行支護、收撤、移位作業(yè)，液壓支架的各種動作的執(zhí)行主要是通過電液控制系統(tǒng)完成的[4]，其結構如圖3所示。

液壓支架各種動作的執(zhí)行主要是由支架控制器進行控制的，支架控制器之間利用CAN數(shù)據(jù)總線實現(xiàn)連接，在工作時通過紅外傳感器進一步確認采煤機的相對站位，通過各種壓力和位移傳感器實現(xiàn)對液壓支架動作執(zhí)行情況的監(jiān)控，實現(xiàn)對液壓支架工作狀態(tài)的聯(lián)合控制，隔離耦合器主要是將不同控制器的電源相互隔離，降低工作過程中對相鄰控制系統(tǒng)的電磁干擾，確?？刂葡到y(tǒng)動作執(zhí)行的可靠性和靈敏性。

圖3 液壓支架電液控制系統(tǒng)結構示意圖

5 聯(lián)合控制系統(tǒng)通信技術

在聯(lián)合控制系統(tǒng)中，需要同時控制的機械設備多，動作復雜，在同一時刻需傳遞的各類數(shù)據(jù)信息量大，對各類數(shù)據(jù)信息數(shù)據(jù)的精確性要求較高，因此開發(fā)了新的聯(lián)合控制通信技術，其結構原理如圖4所示。

圖4 聯(lián)合通信系統(tǒng)結構示意圖

該聯(lián)合通信系統(tǒng)主要包括井下聯(lián)合通信系統(tǒng)和地面管理通信系統(tǒng)，井下系統(tǒng)主要用于對現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸及上傳，完成各控制設備之間的數(shù)據(jù)通信和控制，地面管理通信系統(tǒng)通過ICP通信協(xié)議與井下通信系統(tǒng)連接，完成地面和井下的數(shù)據(jù)信息交互。

6 結語

根據(jù)煤礦井下刮板輸送機、采煤機、液壓支架的工作情況以及實際工作經(jīng)驗提出的采煤機、刮板輸送機及液壓支架聯(lián)動的控制要求和聯(lián)合控制系統(tǒng)，極大提升了煤礦井下綜采面工作的自動化程度，不僅實現(xiàn)了井下作業(yè)少人化、智能化的要求，而且極大地提升了煤礦井下的綜采效率，對煤礦生產企業(yè)提升綜采作業(yè)經(jīng)濟性具有巨大的意義。