唐口煤礦智能化放頂煤工作面升級改造技術(shù)研究

高久國

（山東唐口煤業(yè)有限公司，山東 濟(jì)寧 272005）

1 前言

唐口煤礦在2018年底將6308工作面作為首個(gè)智能化工作面，對現(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)，工作面配套自動化控制系統(tǒng)。通過上述升級改造，將以前的人工手動操作工作面改造為智能化放頂煤工作面。

2 煤層地質(zhì)條件

唐口煤礦630采區(qū)共布置10個(gè)綜放工作面，6301、6302工作面斜長約150m，6303～6310工作面斜長200m左右。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7.51m，合并區(qū)平均厚9.3m。采區(qū)煤層傾角2°～9°。煤層直接頂為泥巖，平均厚度3.68m，抗壓強(qiáng)度平均30MPa左右，屬不穩(wěn)定頂板；基本頂為中砂巖，平均厚度8.47m，抗壓強(qiáng)度平均50MPa，屬較穩(wěn)定老頂；直接底為泥巖，平均厚度2.13m，抗壓強(qiáng)度平均30MPa，屬不穩(wěn)定底板；基本底為細(xì)砂巖，平均厚度13.2m，抗壓強(qiáng)度平均50MPa，屬較穩(wěn)定底板。

3 智能化工作面升級改造主要內(nèi)容

3.1 工作面配套設(shè)備

6308 工作面長度182m，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)、GZ1000/2×1000前后部刮板輸送機(jī)和SZZ1200/525轉(zhuǎn)載機(jī)。配套設(shè)備主要型號與參數(shù)如表1所示，工作面“三機(jī)”配套圖如圖1所示。

圖1 工作面“三機(jī)”配套圖

表1 工作面設(shè)備選型一覽表

3.2 智能化工作面升級改造

3.2.1 工作面自動化控制系統(tǒng)

唐口煤礦主要是實(shí)現(xiàn)“工作面自動控制為主，監(jiān)控中心遠(yuǎn)程干預(yù)控制為輔”的自動化生產(chǎn)模式，達(dá)到“無人操作，有人巡視”的智能化生產(chǎn)。工作面順槽監(jiān)控中心主要由礦用隔爆兼本質(zhì)安全型監(jiān)控主機(jī)、礦用本安型顯示器和礦用本安型操作臺、交換機(jī)、電源等設(shè)備組成。順槽監(jiān)控中心具有“一鍵”啟停功能，同時(shí)具備對采煤機(jī)、液壓支架、工作面運(yùn)輸設(shè)備、泵站系統(tǒng)、主運(yùn)輸皮帶等設(shè)備工況監(jiān)測與遠(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)控信號都是通過工作面工業(yè)以太網(wǎng)傳到順槽監(jiān)控中心，在順槽監(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的實(shí)時(shí)傳輸，采用千兆光纖，傳輸速率應(yīng)不低于100Mbps。

3.2.2 工作面視頻系統(tǒng)

由于目前煤巖識別技術(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)包括礦用本質(zhì)安全型攝像儀、礦用本質(zhì)安全型顯示器和礦用本質(zhì)安全型操作臺、安裝電纜及附件等。

圖2 工作面視頻系統(tǒng)

如圖2所示，工作面視頻通過工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行傳輸[1]。工作面視頻監(jiān)控系統(tǒng)包括液壓支架視頻系統(tǒng)、采煤機(jī)視頻系統(tǒng)[2]。為節(jié)省成本，每6個(gè)支架配備3臺礦用本質(zhì)安全型攝像儀，安裝在液壓支架頂梁上，一臺拍攝方向與工作面平行，其余兩臺照向煤壁。采煤機(jī)視頻系統(tǒng)具備對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500ms。工作面視頻要求具備低照度、寬動態(tài)、強(qiáng)光抑制、紅外補(bǔ)光、水霧及煤塵穿透功能。云臺攝像儀云臺水平旋轉(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1080P，水平廣角不低于90?，同時(shí)具有跟隨采煤機(jī)自動切換視頻畫面功能，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。

在監(jiān)控中心配備2臺礦用本質(zhì)安全型顯示器，進(jìn)行工作面視頻顯示，跟隨采煤機(jī)自動切換視頻圖像。為了更好地監(jiān)測，在刮板運(yùn)輸機(jī)機(jī)頭和機(jī)尾、轉(zhuǎn)載點(diǎn)、皮帶機(jī)頭處各安裝1臺礦用本質(zhì)安全型攝像儀，實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3.2.3 液壓支架改造

液壓支架液壓系統(tǒng)改造主要是將手動操縱閥改為電液控制換向閥，將手動反沖洗過濾器改為自動反沖洗過濾器，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?？偟脑O(shè)計(jì)原則是盡量不改變現(xiàn)有的液控單向鎖、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。如圖3（a）、（b）所示，在原手動操縱閥的安裝位置處安裝電液控制換向閥。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功能兩個(gè)電液控制換向閥。20功能控制閥進(jìn)行立柱升降、拉架推溜、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作，6功能控制閥進(jìn)行伸收尾梁、插板、拉后溜和后噴霧支架后部動作，具體布置方式見圖3（c）。圖中1是控制閥，2是20功能控制閥，3是6功能控制閥，4是綜合接收器。圖3（b）是上述各部件的實(shí)物布置圖。

圖3 操縱閥安裝位置

圖4 推移千斤頂行程傳感器

液壓系統(tǒng)改動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行程傳感器。如圖4所示，行程傳感器是裝在液壓缸中，長度與推移行程一致，由于液壓支架推移步距為960mm，因而行程傳感器的長度也不小于960mm。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)長孔，為此需要對推移千斤頂進(jìn)行改造。改造的基本原則是只改動推移千斤頂結(jié)構(gòu)，不改動推移桿和底座等部件。

圖5（a）是推移千斤頂改造前的結(jié)構(gòu)，由圖可知，推移千斤后端設(shè)置Φ82的圓孔用來裝配推移千斤頂固定銷軸。圖5（b）為推移千斤頂改造后結(jié)構(gòu)，由圖可知，該結(jié)構(gòu)取消了后端圓孔，在原來圓孔處焊接兩個(gè)Φ80外徑圓鋼，利用圓鋼代替原來的銷軸固定推移千斤頂，同時(shí)將千斤頂末端長度增加了35mm，以裝配行程傳感器。對比兩圖不難發(fā)現(xiàn)，改造前后推移千斤頂外形結(jié)構(gòu)基本不變，只是后端長度略有增加，與現(xiàn)有部件裝配不存在問題。

3.2.4 工作面供液系統(tǒng)改造

選用3臺BRW630/37.5智能乳化泵，每臺乳化液泵都配備變頻一體機(jī)，配套2臺7000L乳化液箱和2臺供液站；選用2臺BPW516/16智能噴霧泵，配套1臺7000L水箱；同時(shí)配備自動反沖洗高壓過濾站、自動反沖洗清水過濾站、回液過渡站和反滲透水處理裝置（圖6）。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)動控制、多級過濾、自動補(bǔ)液、乳化液自動配比、系統(tǒng)運(yùn)行信息檢測與上傳等功能，可以在順槽監(jiān)控中心進(jìn)行啟、?？刂疲瑸楣ぷ髅嬷悄芑_采創(chuàng)造條件。

圖5 推移千斤頂結(jié)構(gòu)示意

圖6 智能集成供液系統(tǒng)

3.2.5 其他設(shè)備改造

對現(xiàn)有采煤機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行升級改造，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)自動重復(fù)示范刀截割模式數(shù)據(jù)自動運(yùn)行；當(dāng)煤層條件發(fā)生變化時(shí)，人工遠(yuǎn)程干預(yù)修正搖臂動作，遠(yuǎn)程監(jiān)控截割。人工干預(yù)修正值自動覆蓋原數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)記憶截割和遠(yuǎn)程控制。

對刮板輸送機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，采用交流變頻器，實(shí)現(xiàn)軟啟動和智能調(diào)速控制。增加了刮板輸送機(jī)自動伸縮機(jī)尾，增設(shè)刮板輸機(jī)減速器溫度、壓力等傳感器，開放接口與通訊協(xié)議，同時(shí)將刮板輸送機(jī)油溫、油壓等參數(shù)上傳到順槽監(jiān)控中心。購置KTC101通訊控制系統(tǒng)，對刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、順槽帶式輸送機(jī)進(jìn)行啟停、閉鎖等控制，開放轉(zhuǎn)載機(jī)自移、皮帶機(jī)自移、順槽皮帶控制協(xié)議，將上述設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、電機(jī)溫度、報(bào)警及故障等數(shù)據(jù)一并上傳到工作面智能化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)順槽監(jiān)控中心對上述設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。同時(shí)對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。

4 結(jié)論

通過對上述設(shè)備的升級改造，唐口煤礦大采高放頂煤工作面基本上具備了智能化開采條件，但還有一些問題有待解決：

（1）由于煤矸識別技術(shù)還不成熟，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）由于唐口煤礦煤層地質(zhì)條件復(fù)雜，智能化工作面升級改造時(shí)沒有采用工作面自動調(diào)直系統(tǒng)，工作面調(diào)直還需要人工介入，工作面自動調(diào)直沒有實(shí)現(xiàn)智能化。

（3）由于煤巖識別技術(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。