智能矸石充填技術(shù)在巴彥高勒煤礦的應(yīng)用

王際欣,于 波

(內(nèi)蒙古黃陶勒蓋煤炭有限責(zé)任公司巴彥高勒煤礦, 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017300)

1 前言

311211充填工作面為巴彥高勒煤礦首個充填工作面，位于12盤區(qū)東翼中部。該工作面設(shè)計兩條巷道，巷道垂直于12盤區(qū)充填大巷，沿煤層底板布置，方位角為180°。工作面由南往北進行推采。其中主運輸巷道與盤區(qū)輔運大巷平交，擔(dān)負輔助運輸、煤炭運輸、進風(fēng)及輔助排水任務(wù)；輔運巷道與盤區(qū)輔運大巷立交并通過聯(lián)絡(luò)巷與主運、回風(fēng)大巷平交，擔(dān)負矸石運輸、回風(fēng)及主要排水任務(wù)。工作面采用走向長壁綜合機械化采煤法(一次采全高)，采用矸石充填法控制頂板，311211工作面走向長度1 016m，傾向長度120m，平均煤厚5.4m。

2 關(guān)鍵設(shè)備選型

充填工作面設(shè)備與其他采煤工作面設(shè)備的區(qū)別主要在于運輸矸石設(shè)備部分，需要重新設(shè)計工作面支架、回風(fēng)巷道超前支架、工作面支架后的多孔底卸式輸送機、橋式皮帶轉(zhuǎn)載機(運矸)、工作面回風(fēng)巷道運矸皮帶機。311211矸石充填工作面關(guān)鍵設(shè)備詳見表1。

3 應(yīng)用技術(shù)分析

3.1 充填支架應(yīng)用電液控制技術(shù)

工作面電控系統(tǒng)是由單架電液控制系統(tǒng)及將所有單架電液控制系統(tǒng)聯(lián)接起來的控制網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對液壓支架動作的控制和狀態(tài)的監(jiān)測[1-2]。

單架電液控制系統(tǒng)主要包括電液控換向閥、支架控制器、電磁閥驅(qū)動器、壓力傳感器(立柱用)、行程傳感器(推移用)、紅外線接收器、礦用隔爆兼本質(zhì)安全型穩(wěn)壓電源、連接器等，單架控制系統(tǒng)如圖1所示。

表1 311211矸石充填工作面關(guān)鍵設(shè)備表

圖1 單架電液控制系統(tǒng)

電液控制系統(tǒng)主機收集、顯示、存儲工作面電液控制系統(tǒng)的監(jiān)測信息。電液控制系統(tǒng)監(jiān)控主機具有標(biāo)準數(shù)據(jù)多種通訊接口，可與第三方控制設(shè)備進行數(shù)據(jù)通訊，并具有多種井上下通訊方案解決接口；同時具備以太網(wǎng)標(biāo)準的接口，保證與井下以太網(wǎng)通訊正常對接。電液控制系統(tǒng)主要包括井下監(jiān)控主機、本安通訊電纜接線盒、礦用隔爆兼本質(zhì)安全型雙輸出穩(wěn)壓電源、各控制元件之間的通訊連接器、數(shù)據(jù)通訊電纜等，系統(tǒng)組成如圖2所示[3]。

3.2 工作面千兆以太網(wǎng)系統(tǒng)

工作面千兆以太網(wǎng)系統(tǒng)主要由綜合接入器、光電轉(zhuǎn)換器、路由交換機、雙路電源箱、護套連接器、光纜等組成，以太網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

每6架設(shè)置一臺綜合接入器，每臺綜合接入器配一臺雙路電源箱，綜合接入器間采用護套連接器連接。設(shè)置兩對光電轉(zhuǎn)換器，每臺光電轉(zhuǎn)換器配一臺單路電源；光電轉(zhuǎn)換器間通過光纜連接，光電轉(zhuǎn)換器與綜合接入器通過護套連接器，形成環(huán)網(wǎng)。

3.3 井上下數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

配置井上下數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，實現(xiàn)電液控制系統(tǒng)及綜采工作面其他設(shè)備的數(shù)據(jù)集成及上傳監(jiān)測。傳輸系統(tǒng)主要包括井下監(jiān)控主機、本安型光纖環(huán)網(wǎng)交換機、礦用隔爆兼本質(zhì)安全型穩(wěn)壓電源、礦用光纜、地面系統(tǒng)集成主機、地面電液控主機等，系統(tǒng)組成如圖4所示[4-6]。

圖2 系統(tǒng)電液控制系統(tǒng)

圖3 以太網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖4 井上下數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

4 實現(xiàn)控制功能分析

4.1 工作面液壓支架

工作面液壓支架可正常實現(xiàn)程序成組自動控制，包括自動成組移架、自動成組推溜、自動成組伸收護幫板、自動成組伸收伸縮梁、自動成組噴霧。通過綜采自動化系統(tǒng)實現(xiàn)工作面支架在巷道監(jiān)控中心的遠程控制功能。

4.2 運輸機、轉(zhuǎn)載機、破碎機

工作面三機實現(xiàn)單設(shè)備啟停功能、順序開機與停機功能、設(shè)備的數(shù)據(jù)在線動態(tài)檢測功能。

4.3 泵站

在順槽控制臺實現(xiàn)對泵站的集中自動化控制。乳化液泵站實現(xiàn)電磁卸載控制；乳化液泵卸載功能兼具電控、液控兩種，乳化液泵實現(xiàn)空載啟、停；能夠通過軟件設(shè)置乳化液泵的輸出壓力；具有多種傳感器，可實現(xiàn)乳化液泵站的狀態(tài)保護、預(yù)警；具有乳化液箱液位自動檢測功能，并實現(xiàn)集成顯示；能自動檢測智能供液系統(tǒng)的運行信息，并在順槽監(jiān)控中心顯示。

4.4 兩巷道超前支護

兩巷道實現(xiàn)設(shè)備列車、超前支架、垛式支架的電液控制系統(tǒng)操作及遙控控制。

4.5 巷道監(jiān)控中心監(jiān)測功能

(1)工作面支架工況顯示各支架壓力傳感器壓力值、各支架行程傳感器推移行程、各電磁閥片動作狀態(tài)、主機與工作面電液控制系統(tǒng)通信狀態(tài)、故障查詢、形成循環(huán)作業(yè)圖功能。

(2)泵站系統(tǒng)工況顯示泵站出口壓力、液箱液位、乳化油油箱油位。

(3)工作面三機運輸設(shè)備顯示工作面刮板運輸機、破碎機、轉(zhuǎn)載機的啟停狀態(tài)、工作電流、工作電壓等數(shù)據(jù)。

(4)采煤機運行狀態(tài)在監(jiān)控中心上顯示，包含牽引電機電流，截割電機電流，采煤機行走速度及方向，采煤機位置，采煤機牽引電機油溫，搖臂高度，機身仰俯角以及軸承溫度等數(shù)據(jù)。

(5)監(jiān)控中心各控制系統(tǒng)計算機與工作面各設(shè)備的通信狀態(tài)顯示。

(6)工作面各個設(shè)備的保護信息顯示，包括過載、漏電、斷相、數(shù)字信號的反饋、故障各種狀態(tài)等。

(7)工作面語音通話系統(tǒng)狀態(tài)顯示，包括工作面語音電話閉鎖狀態(tài)顯示、斷路位置顯示和急停狀態(tài)顯示。

(8)工作面煤壁視頻、支架視頻可實時顯示并自動跟機切換。

4.6 巷道監(jiān)控中心實現(xiàn)控制功能

1)液壓支架遠程操作

以電液控制系統(tǒng)主機畫面和工作面視頻主機畫面為輔助手段，通過支架遠程操作臺實現(xiàn)對工作面液壓支架的遠程操作。遠程操作功能包括支架單架降架、移架、噴霧、升架、推溜等動作，成組伸收護幫板、成組推溜、成組伸收伸縮梁等。

2)工作面三機集中自動化控制

單設(shè)備啟停功能，包括刮板運輸機、破碎機、轉(zhuǎn)載機(聯(lián)鎖解除)。

順序開機控制功能，順序啟動如下：破碎機→轉(zhuǎn)載機→刮板運輸機(有聯(lián)鎖關(guān)系)。

順序停機控制功能，順序停機如下：刮板運輸機→轉(zhuǎn)載機→破碎機。

具有工作面運輸設(shè)備急停閉鎖功能。

3)工作面乳化液泵站自動化集中控制

實現(xiàn)與乳化液泵站控制系統(tǒng)的雙向通信；對泵站的遠程單設(shè)備起?？刂埔约斑h程多臺泵站的聯(lián)動控制。

4)采煤機遠程控制

監(jiān)控中心通過本安操作臺或者通過系統(tǒng)內(nèi)部程序方式向采煤機發(fā)送控制指令進行遠程控制。控制功能包括啟停采煤機液壓電機，啟停截割電機，啟停牽引電機，更改行進方向，加速和減速，搖臂升降調(diào)節(jié)等。為保證控制指令及時有效，控制小于200ms。

5 現(xiàn)場存在問題分析

5.1 運矸系統(tǒng)影響

整個運矸系統(tǒng)：地面洗矸矸石倉→地面洗矸運輸皮帶→投料系統(tǒng)→井下矸石儲料倉→給料機→12盤區(qū)充填回風(fēng)大巷兩部皮帶(運矸)→311211充填工作面回風(fēng)巷道皮帶→橋式皮帶轉(zhuǎn)載機→后部多孔底卸式刮板輸送機。運矸系統(tǒng)比較復(fù)雜且配合技術(shù)不成熟，各個轉(zhuǎn)載地點配合不協(xié)調(diào)，設(shè)備啟動、停止控制太繁瑣，對生產(chǎn)時間影響較大。

5.2 充填物料影響

充填工作面對充填物料狀態(tài)要求較高：(1)矸石塊度必須滿足可以通過后部多孔底卸式刮板輸送機的卸料孔卸下物料至采空區(qū)的要求，否則物料會頻繁運輸至機頭方向。(2)充填物料濕度不可以太大，濕度大的情況物料通過卸料孔時會導(dǎo)致卸料不及時。(3)充填物料運輸時需要比較均勻供應(yīng)，忽大忽小供應(yīng)物料影響整個充填進度，嚴重時會導(dǎo)致后部運輸機壓死，嚴重影響生產(chǎn)。

5.3 充填設(shè)備影響

由于巴彥高勒煤礦第一個充填工作面使用充填設(shè)備，設(shè)備設(shè)計及配套存在一些弊端。(1)充填工作面回風(fēng)巷道運矸皮帶與橋式皮帶轉(zhuǎn)載機中心線不在一條直線上，搭接處需要頻繁調(diào)節(jié)皮帶。(2)充填支架擋板設(shè)計長度不合理，與后部多孔底卸式刮板輸送機存在干擾。(3)后部多孔底卸式刮板輸送機放料孔油缸接口及管路布置不合理，充填過程中頻繁損壞。

5.4 充填工作面人才影響

由于巴彥高勒煤礦第一次投入使用充填工作面，受職工文化程度、接受新設(shè)備速度影響，特別是對充填設(shè)備的使用、保養(yǎng)、維護方面缺乏經(jīng)驗。在充填設(shè)備使用和維護過程中，不斷暴露出各種各樣的問題，造成人員維護設(shè)備不到位或者使用不當(dāng)人為損壞設(shè)備。

5.5 智能化生產(chǎn)影響

工作面采煤過程中使用智能化采煤，在支架自動跟機移架過程中要求移架步距不低于800mm，并且需要一次移架到位，而充填工作面使用的后部多孔底卸式刮板輸送機吊掛在充填支架后部，在移架過程中需要充分考慮后部運輸機過渡段因溜槽活動余量不足出現(xiàn)受力過大情況，如果余量留的不足會導(dǎo)致斷鏈或者斷啞鈴銷情況。給后部多孔底卸式刮板輸送機留足移架空間的同時會導(dǎo)致矸石充填空間的減小、矸石充填率的降低。

目前工作面智能化系統(tǒng)主要集中在工作面采煤過程中，工作面后方充填智能化程度太低，充填過程中需要頻繁的人工觀測。

5.6 管理問題影響

目前充填工作面充填效率較低，完成一個充填循環(huán)基本需要2～3h。由于管理上的問題，個別班組放松對充填工作面充填系統(tǒng)的管理，不重視充填效率的提升及充填率的提升；而把工作重點放到了采煤生產(chǎn)上，沒有充分認識到充填工作面存在充填消耗矸石的重要意義。

6 發(fā)展方向分析

下一步充填工作面重點工作主要集中在提高充填效率、提升充實率以及增加后部充填的智能化控制系統(tǒng)，提高充填工作面的自動化控制程度。

6.1 加強工作面充填管理

嚴格落實“以充定采”制度，嚴格考核支架狀態(tài)，根據(jù)工作面后方頂板條件及時調(diào)整支架狀態(tài)，實現(xiàn)動態(tài)管控，保證有效充矸空間。同時工區(qū)內(nèi)部班組結(jié)算采取“以質(zhì)定價，按量結(jié)算”的市場化結(jié)算模式，進一步提高工作面矸石充填率。

6.2 優(yōu)化人員配置

3112盤區(qū)生產(chǎn)系統(tǒng)極為復(fù)雜，煤流系統(tǒng)共計四部皮帶，運矸系統(tǒng)共計三部皮帶，輔助運輸環(huán)節(jié)較多，系統(tǒng)運行及維護工作量大，針對3112盤區(qū)生產(chǎn)系統(tǒng)復(fù)雜及系統(tǒng)維護工作量大的特點，根據(jù)綜采工區(qū)現(xiàn)有作業(yè)人員，固定311211充填工作面作業(yè)人員，集中展開業(yè)務(wù)學(xué)習(xí)及技術(shù)培訓(xùn)，迅速提升作業(yè)人員素質(zhì)，使人人能夠熟練應(yīng)用充填設(shè)備，針對個人特長安排工作崗位。通過優(yōu)化施工組織，科學(xué)地“排兵布陣”，大大提高了生產(chǎn)效率。

6.3 工作面后方視頻校核系統(tǒng)研究

視頻校核系統(tǒng)由工作面后方視頻采集系統(tǒng)、視頻顯示系統(tǒng)、巷道監(jiān)控中心控制系統(tǒng)三部分組成，巷道監(jiān)控中心控制系統(tǒng)可將視頻采集系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)進行壓縮存儲，并通過通訊平臺實時采集動作機構(gòu)視頻監(jiān)控圖像。

監(jiān)控系統(tǒng)為每個用戶分配對應(yīng)的權(quán)限，用戶只能在授權(quán)范圍內(nèi)操控監(jiān)控資源。視頻監(jiān)控組網(wǎng)方式：礦用攝像頭→光纖/網(wǎng)絡(luò)線→信息中心網(wǎng)絡(luò)→NVR→視頻展示系統(tǒng)。

6.4 自動充填控制方案研究

1)自動充填控制相關(guān)傳感器配置

單架在支架后頂梁下方安裝矸石充填高度傳感器，用來檢測矸石充填堆積的高度，依據(jù)該監(jiān)測高度來判斷矸石充填是否達到標(biāo)準要求，從而控制相應(yīng)的動作。當(dāng)天窗按循環(huán)動作完成的時候，高度傳感器實時監(jiān)測矸石充滿度，以充滿矸石信息判斷是否開始新的循環(huán)動作。天窗開啟和關(guān)閉動作通過控制電液控制系統(tǒng)的電磁閥實現(xiàn)。

2)矸石充填自動控制流程

(1)自動控制矸石充填流程主要分為以下兩部分。

矸石堆積過程：該過程主要實現(xiàn)矸石充填控制及充填高度檢測。

開啟下一循環(huán)過程：該過程中當(dāng)高度傳感器判斷充填高度達到預(yù)定目標(biāo)時自動開啟下一循環(huán)。

(2)當(dāng)充填支架開始單架執(zhí)行矸石自動充填控制時，打開本架后部刮板運輸機放料口，進入矸石充填過程，在此過程中自動檢測矸石的堆積高度(可用時間輔助進行判斷)，當(dāng)達到預(yù)定矸石充填高度時關(guān)閉放料口，其中落料高度值可以進行參數(shù)進行設(shè)定。

(3)控制放料口每次的開啟時間控制方法。每個支架的單架自動充填時，放料口開啟可由時間參數(shù)控制或落料高度檢測傳感器反饋信息控制。成組充填過程中，成組放料口打開順序應(yīng)與運輸物料的方向相反，放料時間依次遞增；當(dāng)放料口到達控制系統(tǒng)中時間參數(shù)值時，關(guān)閉放料口；或當(dāng)落料高度檢測傳感器檢測到落料高度已經(jīng)達到后部運輸機下沿位置時，關(guān)閉放料口。針對控制系統(tǒng)中時間參數(shù)值設(shè)定，將現(xiàn)有井下的操作工的放料時間規(guī)律進行模擬，每個支架設(shè)定多種單架自動循環(huán)模式，不同的循環(huán)模式中放料時間由長到短各不相同。

成組充填時，每個支架根據(jù)自身在組循環(huán)中的相對位置，自動選擇本架的循環(huán)充填模式，以匹配后部運輸機負荷，使得開口放料時間為最佳開關(guān)時間。若在改造過程中，如果無法安裝高度檢測傳感器，矸石放料口的開關(guān)控制只能依靠修改時間參數(shù)來參與控制。

3)單架矸石充填自動控制模式

單架矸石充填自動控制模式共3種，分別為鄰架單動作矸石充填控制模式、自動化矸石充填模式和記憶矸石充填模式。

(1)鄰架單動作矸石充填控制模式如圖5所示，充填支架作業(yè)人員通過控制支架控制器相應(yīng)動作按鍵實現(xiàn)對相鄰支架的矸石充填動作的控制。

圖5 鄰架單動作矸石充填控制模式

(2)自動化矸石充填模式如圖6中所示，充填支架作業(yè)人員通過控制支架控制器上的一鍵啟動功能，實現(xiàn)對鄰架的自動矸石充填控制，支架充填動作可根據(jù)支架控制器中存儲的充填動作參數(shù)進行控制。充填動作參數(shù)主要包括時間、落料高度等。支架控制器中存儲多套自動控制參數(shù)，支架操作人員可根據(jù)工作面實際條件選擇控制參數(shù)進行使用。

圖6 自動化矸石充填模式圖

(3)記憶矸石充填模式如圖7中所示，充填支架作業(yè)人員通過控制支架控制器進行完整的一次矸石充填過程控制。支架控制器記錄作業(yè)人員的單架動作操作順序及相應(yīng)的控制動作時間，稱此過程為充填“學(xué)習(xí)階段”。支架控制器充填“學(xué)習(xí)”完成后，自動生成并存儲、記憶充填自動動作控制參數(shù)。作業(yè)人員可實現(xiàn)一鍵啟動自動記憶充填，支架控制器將按照“學(xué)習(xí)階段”存儲的自動記憶充填控制參數(shù)執(zhí)行相應(yīng)的自動矸石充填動作。

圖7 記憶矸石充填模式圖

7 結(jié)論

智能矸石充填技術(shù)在巴彥高勒煤礦311211工作面的成功應(yīng)用，已實現(xiàn)液壓支架遠程控制，采煤機遠程控制，泵站、三機、采煤機、液壓支架自動跟機一鍵啟停；工作面視頻自動跟機切換；中部跟機自動化生產(chǎn)；運輸巷道超前支架遙控器控制，設(shè)備列車的遙控器控制及自動控制，實現(xiàn)在地面智能操控中心對工作面設(shè)備的遠程監(jiān)測和遠程控制。