煤礦智能連采工作面建設(shè)方向研究

王海超

(國家能源集團神東煤炭集團公司哈拉溝煤礦，陜西 榆林 719315)

目前，連采掘進系統(tǒng)主要應(yīng)用在煤礦雙巷快速掘進中，采用連續(xù)采煤機割煤、梭車運煤、錨桿機支護、給料破碎機破碎轉(zhuǎn)載、帶式輸送機運煤、鏟車清煤及運料的施工工藝。雖然連采掘進全部實現(xiàn)了機械化，但自動化、智能化程度較低，所有設(shè)備均需要司機就地進行操作，為了進一步改善員工的作業(yè)環(huán)境，實現(xiàn)減員增效的目的，必須提升連采工作面的自動化、智能化程度[1]。

1 連采掘進施工簡介

1.1 連采掘進設(shè)備概況

掘進工作面、落、裝、運、支、生產(chǎn)工序由連續(xù)采煤機和后配套設(shè)備完成，一般采用兩條順槽、聯(lián)巷掘支交替、齊頭并進的施工方法，特殊情況下，連采機也用于單巷掘進，掘進過程中聯(lián)巷或調(diào)車硐間距50 m左右，連采雙巷掘進設(shè)備布置圖如圖1所示，連采單巷掘進設(shè)備布置圖如圖2所示[2]。

圖1 連采雙巷掘進設(shè)備布置圖Fig.1 Layout of the double-digging tunneling equipment

圖2 連采單巷掘進設(shè)備布置圖Fig.2 Continuous mining single lane excavationequipment layout

1.2 連采掘進施工工藝

1) 連續(xù)采煤機割煤工序。連續(xù)采煤機主要功能是割煤和裝煤，具體工作方式如圖3所示。在每次掘進巷道前，司機將煤機調(diào)整到巷道前進方向的左幫，并根據(jù)地測部門所放激光線確定位置，開始向正前方煤壁逐步切割，直至掘進深度達6～15 m(根據(jù)作業(yè)規(guī)程循環(huán)進度要求)，這一工序稱為切槽工序。完成切槽，然后退出煤機，調(diào)整連續(xù)采煤機至巷道右?guī)?，仍根?jù)地測部門所放激光線確定位置，開始掃幫，這一工序稱為采垛工序[3]。

無論是切槽還是采垛工序，連續(xù)采煤機截割時，首先將采煤機截割頭調(diào)整至巷道頂板，即升刀；掃去上一刀預(yù)留的200 mm左右煤皮，即掃頂；將截割頭降低200 mm左右向前切入煤體630 mm左右，即進刀；調(diào)整截割頭向下截割煤體，直至巷道底板，即割煤；割完底煤，使巷道底板平整，并裝完余煤，即拉底；將煤機截割頭調(diào)整至巷道頂板接著進行下一個循環(huán)。采煤機完成從頂板到底板再到頂板這一過程稱一個截割循環(huán)。每一個截割循環(huán)工作面向前推進630 mm左右，這種截割循環(huán)反復(fù)進行，直到掘完一個循環(huán)，連續(xù)采煤機退出，錨桿機調(diào)機進行支護。

圖3 連采機截割方式Fig.3 Continuous cutting machine cutting method

2) 裝煤、運煤工序。連續(xù)采煤機上裝有收集頭機構(gòu)和刮板運輸機，連續(xù)采煤機截割時，煤落入收集頭鏟板上，鏟板上的耙爪連續(xù)運轉(zhuǎn)，將煤裝入刮板運輸機內(nèi)，刮板運輸機將煤轉(zhuǎn)運到梭車車斗內(nèi)。工作面運煤由梭車來完成，梭車往返于連續(xù)采煤機和給料破碎機之間，將連采機割下的煤運至給料破碎機，再由膠帶機將煤運出掘進工作面[4]。

3) 浮煤清理工序。當(dāng)完成一個掘進循環(huán)后由鏟車司機及時開動鏟車清理巷道浮煤、淤泥，確保巷道暢通、干凈，在清理浮煤時，應(yīng)注意不要損壞巷道兩幫的水管、電纜及電氣設(shè)備。

4) 錨桿支護工序。連續(xù)采煤機完成一個循環(huán)的掘進作業(yè)后退機，調(diào)入錨桿機對掘進產(chǎn)生的空頂進行支護，在雙巷掘進過程中，連續(xù)采煤機調(diào)至另一個工作面進行掘進，實現(xiàn)掘進、支護并行作業(yè)。

2 智能連采工作面建設(shè)

為了減少連采掘進工作面作業(yè)人員數(shù)量，改善工人的作業(yè)環(huán)境，減輕勞動強度，不斷向“無人則安”的安全生產(chǎn)理念邁進，需提高連采工作面自動化、智能化水平。

2.1 連采機遠(yuǎn)控割煤

連采機遠(yuǎn)控割煤系統(tǒng)主要實現(xiàn)連采機司機遠(yuǎn)程可視化遙控連采機進行割煤，遠(yuǎn)控中心設(shè)置在工作面進風(fēng)巷道中，連采機遠(yuǎn)控割煤可有效改善連采機司機作業(yè)環(huán)境，降低粉塵、振動、噪聲對身體健康的影響。

根據(jù)連采機遠(yuǎn)控割煤智能化設(shè)想，該遠(yuǎn)控系統(tǒng)主要由慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、激光跟蹤系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)、聲音采集器、采高儀、通信系統(tǒng)、對講系統(tǒng)、遙控系統(tǒng)等組成[5]。作業(yè)過程中，連采機司機通過視頻系統(tǒng)查看連采機狀態(tài)，輔助激光跟蹤系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)對掘進方向進行遠(yuǎn)程調(diào)整和控制；通過聲音采集器信息，判斷連采機落刀割底情況；通過采高儀數(shù)據(jù)控制滾筒截割高度；在梭車未實現(xiàn)自動運行情況下，通過對講系統(tǒng)實現(xiàn)連采機司機、梭車司機的實時對話，完成裝煤工作。

2.2 梭車自動運行

梭車作為連采掘進過程中的主要設(shè)備，運行在連采機和破碎機之間，完成接煤、運煤、卸煤工作，運行路線相對固定、作業(yè)內(nèi)容先對單一。生產(chǎn)過程中，司機受工作面回風(fēng)流中粉塵、車輛行駛過程中顛簸較大。

結(jié)合梭車運行實際情況和智能化設(shè)想，梭車自動運行控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)自動行走、接煤、運煤、卸煤以及自動啟停。自動運行控制系統(tǒng)由中央控制器、電磁信號發(fā)射裝置、智能傳感系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)、遙控系統(tǒng)等五部分組成[6]。電磁發(fā)射器安裝在破碎機上，為敷設(shè)在巷道頂板中線位置的漆包線提供高頻交流電源，此導(dǎo)線周圍產(chǎn)生的電磁場作為梭車自動運行的引導(dǎo)信號；在梭車料斗上前后方各安設(shè)一排電磁傳感器組，電磁傳感器不斷采集漆包線產(chǎn)生電磁信號，控制器通過分析電磁傳感器信號確定梭車的運行位置，調(diào)整梭車的方向；在梭車的前左右方分別安裝距離傳感器，防止梭車碰撞煤幫和其他設(shè)備；在梭車前方后方安裝人體感應(yīng)傳感器，防止人員誤入行車區(qū)域，造成人員傷害；在梭車轉(zhuǎn)向液壓回路并聯(lián)伺服閥，伺服閥換向驅(qū)動轉(zhuǎn)向油缸動作，實現(xiàn)梭車的轉(zhuǎn)向；在加速器上安裝調(diào)速伺服電機，實現(xiàn)梭車的運行速度控制；在制動踏板上安裝制動伺服電機，實現(xiàn)梭車的制動；為了反饋梭車輪胎的轉(zhuǎn)動角度以及梭車的運行速度，在輪轂減速器上安裝角度傳感器和速度傳感器；在駕駛室頂棚安裝聲光報警裝置，在裝煤結(jié)束后提示連采機司機停止運輸機；在裝料端和卸料端分別安裝堆煤傳感器，向控制器輸入裝煤結(jié)束信號以及卸煤完畢信號等[7]。

2.3 錨桿機自動鉆錨

連采工作面掘進過程中頂板多采用四臂錨桿機支護，一般需要3名錨桿機司機操作鉆臂，完成上網(wǎng)、鉆孔、安裝錨桿、攪拌、緊固等作業(yè)。由于錨桿機司機在鉆臂推進機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)附近作業(yè)，存在極大的安全隱患。錨桿機采用干式打鉆時，受除塵濾芯過濾效果影響，打鉆產(chǎn)生的煤塵、矽塵對身體健康造成嚴(yán)重影響；采用濕式打鉆時，淋水較大，對健康同樣造成影響。

根據(jù)現(xiàn)階段錨桿機運行過程中存在問題以及設(shè)備智能化設(shè)想，錨桿機主要實現(xiàn)鉆孔、裝樹脂、裝錨桿、攪拌、緊固作業(yè)自動運行，上網(wǎng)、設(shè)備行走人工輔助完成，具備人機交互、數(shù)據(jù)上傳、遠(yuǎn)程遙控功能。 目前，國內(nèi)部分廠家聯(lián)合煤炭企業(yè)針對錨桿機自動運行進行了初步研究，自動錨桿機已經(jīng)初步具備自動鉆錨功能，自動上網(wǎng)、自動行走功能仍有待進一步實現(xiàn)。

2.4 給料破碎機自動運行

給料破碎機主要完成煤炭的破碎、轉(zhuǎn)載任務(wù)，以滿足帶式輸送機對煤塊大小和給煤量的需求。目前，給料破碎機多采用手動控制，生產(chǎn)過程中破碎機司機開啟泵電機和破碎電機，當(dāng)梭車卸煤后，破碎機司機操作運輸機控制閥組，啟動運輸機卸煤，卸煤完畢后，操作控制閥組，停止運輸機運轉(zhuǎn)，生產(chǎn)過程中存在卸煤完畢后未及時停止運輸機情況，增大了設(shè)備磨損和電能消耗。

由于給料破碎機運輸機自動啟?？刂葡到y(tǒng)改造相對簡單，目前大部分掘進工作面實現(xiàn)了基于堆煤、跑偏開關(guān)、紅外線等原理的運輸機自動啟?？刂疲褂眯Ч?。為了提高破碎機自動運行控制系統(tǒng)的可靠性，進一步提高設(shè)備的智能化水平，給料破碎機需進一步實現(xiàn)破碎滾筒堵轉(zhuǎn)保護、刮板機速度異常保護，即當(dāng)破碎機滾筒被大塊煤卡住后，系統(tǒng)能自動停止破碎電機運轉(zhuǎn)，并發(fā)出警報；當(dāng)刮板鏈斷鏈、壓死、液壓系統(tǒng)爆管等導(dǎo)致運輸機運行速度異常后，系統(tǒng)自動停止運輸機運轉(zhuǎn)，并發(fā)出警報。系統(tǒng)組成如圖4所示。

圖4 給料破碎機自動運行控制系統(tǒng)原理圖Fig.4 Schematic diagram of automatic operationcontrol system of feed crusher

2.5 局部通風(fēng)機變頻智能控制

煤礦掘進工作面多采用壓入式局部通風(fēng)方式，局部通風(fēng)機安設(shè)在全風(fēng)壓進風(fēng)巷道中，采用專用變壓器、專用開關(guān)、專用線路，具備風(fēng)電閉鎖、瓦斯電閉鎖功能，通過風(fēng)筒向工作面掘進頭提供新鮮風(fēng)流，供作業(yè)人員呼吸、稀釋和排除各種有毒有害氣體和粉塵，創(chuàng)造良好的作業(yè)環(huán)境，保障井下作業(yè)人員的身體健康、勞動安全和設(shè)備正常運轉(zhuǎn)[8]。局部通風(fēng)機多采用工頻風(fēng)機，當(dāng)供風(fēng)距離較近時，采用單電機運行方式，隨著掘進工作面不斷推進，適時開啟雙電機運行模式，保證工作面供風(fēng)。當(dāng)風(fēng)機距離工作面較近時，局部通風(fēng)機單電機運行，供風(fēng)量較大，造成掘進工作面揚塵嚴(yán)重；局部通風(fēng)機雙電機開啟后，供風(fēng)量突然增加，風(fēng)筒脫節(jié)情況頻發(fā)，增加了日常風(fēng)筒維護量；工頻風(fēng)機在日常切換過程中，風(fēng)筒內(nèi)風(fēng)量突變，對風(fēng)筒瞬時沖擊加大，進一步增加風(fēng)筒脫節(jié)風(fēng)險。

針對存在的問題以及現(xiàn)階段智能通風(fēng)技術(shù)，提出了局部通風(fēng)機智能變頻控制，實現(xiàn)局部通風(fēng)機變頻聯(lián)動控制，系統(tǒng)組成如圖5所示。系統(tǒng)運行過程中，當(dāng)瓦斯及一氧化碳等有毒有害氣體超限時、工作面風(fēng)壓或風(fēng)量減小時，局部通風(fēng)機供風(fēng)量能夠連續(xù)自動調(diào)節(jié)。在此基礎(chǔ)上，將智能局部通風(fēng)系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)接入工業(yè)環(huán)網(wǎng)，實現(xiàn)工作面集控中心和地面調(diào)度指揮中心對局部通風(fēng)機的運行數(shù)據(jù)監(jiān)測、遠(yuǎn)程控制和風(fēng)機切換等功能，實現(xiàn)局部通風(fēng)機遠(yuǎn)控和無人值守。

圖5 智能局部通風(fēng)系統(tǒng)組成圖Fig.5 Intelligent local ventilation systemcomposition diagram

2.6 分散設(shè)備集中控制

為了不斷實現(xiàn)工作面集中管理，需將連采工作面分散設(shè)備(如膠帶機、局部通風(fēng)機、移動變電站、饋電開關(guān)等)進行集中控制。連采工作面集中控制需在工作面設(shè)置集中控制中心，集中控制中心與各設(shè)備進行通訊，實現(xiàn)膠帶機集中啟停控制、故障信息查看、遠(yuǎn)程修改控制器參數(shù)的操作；實現(xiàn)局部通風(fēng)機運行狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測、風(fēng)機遠(yuǎn)程切換、風(fēng)機供電設(shè)備遠(yuǎn)程停送電等功能；實現(xiàn)移動變電站運行數(shù)據(jù)監(jiān)測、遠(yuǎn)程參數(shù)調(diào)整、遠(yuǎn)程停送電功能；實現(xiàn)饋電開關(guān)數(shù)據(jù)上傳并進行集中監(jiān)測控制，將連采工作面集控中心數(shù)據(jù)全部上傳；實現(xiàn)地面調(diào)度室對掘進工作面膠帶機、局部通風(fēng)機、移動變電站、饋電開關(guān)等設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制；實現(xiàn)調(diào)度室遠(yuǎn)程控制膠帶機啟停、局部通風(fēng)機切換、移動變電站停送電等工作。對工作面饋電開關(guān)進行集中整合，采用多回路組合開關(guān)控制，實現(xiàn)工作面連采機、梭車、錨桿機、破碎機、水泵、錨索鉆機、照明燈的供電集中控制。

3 展 望

本文為智能連采工作面建設(shè)提供了建設(shè)方向及思路，煤礦智能連采工作面建設(shè)工作，需要全社會的共同努力，政府要加大對煤礦智能化產(chǎn)業(yè)扶持力度，鼓勵企業(yè)積極投身掘進工作面智能化研究中來；科研單位、制造企業(yè)要加大對掘進智能化設(shè)備的研發(fā)投入；煤礦企業(yè)要注重選用高素質(zhì)人才，培養(yǎng)一批懂技術(shù)、善思考、勇創(chuàng)新的青年隊伍，為煤礦智能化建設(shè)打下堅實基礎(chǔ)。