李村煤礦1306綜采面的自動(dòng)化研究與設(shè)計(jì)

張 煒

（潞安集團(tuán)李村煤礦，山西 長(zhǎng)治 046600）

20 世紀(jì)90年代以來(lái)， 世界煤炭工業(yè)向高效集約化生產(chǎn)迅猛發(fā)展，工作面自動(dòng)化、信息化程度呈現(xiàn)不斷升級(jí)態(tài)勢(shì)。 綜采工作面作為礦井生產(chǎn)的核心，對(duì)綜采工作面進(jìn)行自動(dòng)化控制是礦井實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管理現(xiàn)代化的關(guān)鍵[1]。 李村煤礦是以原有綜采工作面設(shè)備為基礎(chǔ)，積極引進(jìn)和開發(fā)新技術(shù)、新工藝、新裝備，促進(jìn)煤炭主業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力的提升，切實(shí)提高單產(chǎn)單進(jìn)水平， 真正實(shí)現(xiàn)減人提效和安全高效發(fā)展。 因此，潞安集團(tuán)提出了在李村煤礦1306 工作面開展智能化綜采工作面建設(shè)的戰(zhàn)略方向。 為此，根據(jù)李村煤礦1306 綜采工作面的實(shí)際情況， 開展了該工作面自動(dòng)化控制系統(tǒng)的總體及關(guān)鍵分系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并對(duì)其控制系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，這為提高工作面中設(shè)備的運(yùn)行效率及企業(yè)綜合競(jìng)爭(zhēng)力提供了重要保障和支撐。

1 綜采工作面基本情況分析

經(jīng)過(guò)調(diào)研及資料收集可知， 李村煤礦1306 工作面位于大堡頭鎮(zhèn)東北部，228 省道東側(cè)，工作面進(jìn)風(fēng)巷上為大堡頭炸藥庫(kù)、雙龍養(yǎng)殖公司，其余均為耕地。 而1306 工作面按煤層走向布置， 可采長(zhǎng)度530 m，切眼長(zhǎng)270 m，可采面積143 100 m2。煤層傾角0°～7°， 平均傾角4°， 煤層厚度4.81～5.46 m，平均5.0 m。 同時(shí)，本工作面總體地勢(shì)西南高東北低，傾向209°～252°，傾角0°～7°。 工作面切眼附近受1302 運(yùn)輸巷揭露的FJ8 逆斷層影響，煤層最大傾角7°。 煤層最大瓦斯含量為7.29 m3/t，預(yù)抽后殘余瓦斯含量為5.09 m3/t。 回采面供風(fēng)量3 168 m3/min。1306 工作面的開采煤層屬下二疊統(tǒng)山西組下部的三號(hào)煤層，煤層具有賦存穩(wěn)定、煤厚變異較小、煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。 煤體以黑色、塊狀為主，粒狀次之，亮煤為主，夾鏡煤條帶，煤質(zhì)為貧煤。

2 綜采工作面中自動(dòng)化控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

結(jié)合1306 工作面實(shí)際情況， 設(shè)計(jì)了一套符合該工作面使用需求的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。 該綜采自動(dòng)化控制系統(tǒng)是以各單機(jī)裝備系統(tǒng)的智能化為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)，而單機(jī)設(shè)備的智能化包括：電液控制系統(tǒng)、采煤機(jī)控制系統(tǒng)、運(yùn)輸機(jī)控制系統(tǒng)、集成供液系統(tǒng)等。 綜采工作面自動(dòng)化控制系統(tǒng)首先需搭建綜合自動(dòng)化平臺(tái)，包括：高速通信平臺(tái)、可視化平臺(tái)及工作面設(shè)備遠(yuǎn)程控制平臺(tái)， 其主要實(shí)現(xiàn)功能包括：工作面自動(dòng)化生產(chǎn)模式及生產(chǎn)工藝優(yōu)化、工作面直線度控制、采煤機(jī)記憶截割控制、機(jī)架協(xié)調(diào)控制、端頭設(shè)備一體化控制、煤流負(fù)荷平衡控制、刮板輸送機(jī)煤量檢測(cè)和智能調(diào)速、順槽皮帶煤流檢測(cè)和智能調(diào)速、工作面瓦斯?jié)舛汝P(guān)聯(lián)控制、液壓支架姿態(tài)與防片幫控制，采煤機(jī)和支架在工作面煤層的三維實(shí)時(shí)展示，基于LASC系統(tǒng)的采煤機(jī)姿態(tài)監(jiān)測(cè)[4]。 因此，本次李村煤礦1306 智慧化工作面的設(shè)計(jì)方案中，針對(duì)水、火、頂板、瓦斯、作業(yè)人員人身安全等煤礦生產(chǎn)過(guò)程中常見的不安全因素，選擇了具有針對(duì)性的自動(dòng)化生產(chǎn)控制工藝、 液壓支架姿態(tài)監(jiān)測(cè)及防片幫、工作面瓦斯?jié)舛汝P(guān)聯(lián)控制、綜采設(shè)備聲光預(yù)警及遠(yuǎn)程控制、自動(dòng)采煤機(jī)噴霧、架間成組噴霧、人員精準(zhǔn)定位系統(tǒng)等功能。 整套綜采工作面的智能化控制結(jié)構(gòu)框架見圖1。

圖1 綜采自動(dòng)化控制系統(tǒng)框圖

3 關(guān)鍵分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 采煤機(jī)自動(dòng)控制設(shè)計(jì)

為適應(yīng)智能化工作面的設(shè)計(jì)要求，在滿足基本控制功能的基礎(chǔ)上，確定了采煤機(jī)的智能化控制系統(tǒng)框架，見圖2。所設(shè)計(jì)的采煤機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)主要由采煤機(jī)、西門子PLC控制器、各類傳感器、顯示控制箱、監(jiān)控盤、監(jiān)視器、工況機(jī)、控制電纜等組成，設(shè)置有工作面采煤工藝的記憶截割程序，可實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)在工作面的無(wú)人自動(dòng)記憶截割運(yùn)行，且采煤工藝文件可根據(jù)需要進(jìn)行配置修改[5]。同時(shí)，該系統(tǒng)采高傳感器能實(shí)時(shí)感知搖臂的高度擺動(dòng)的位置；傾角傳感器能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作面的傾角及俯仰采角度；這些都可作為采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)的信息反饋回主控器。 通過(guò)一定數(shù)學(xué)模型準(zhǔn)確計(jì)算出搖臂的實(shí)時(shí)采高，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的采高定位。 另外，該自動(dòng)控制系統(tǒng)利用LASC系統(tǒng)監(jiān)測(cè)采煤機(jī)三維姿態(tài)角度、歷次采煤機(jī)截割過(guò)程中的位姿信息， 建立采煤機(jī)的三維模型，在三維虛擬系統(tǒng)中將煤機(jī)姿態(tài)直觀展示，采煤機(jī)姿態(tài)監(jiān)測(cè)見圖3。

圖2 采煤機(jī)控制系統(tǒng)框架

圖3 采煤機(jī)姿態(tài)監(jiān)測(cè)

3.2 刮板輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的刮板輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)主要采用“變頻器外部調(diào)速控制器+ 變流移動(dòng)變電站+ 高壓變頻器+單速變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)+彈性聯(lián)軸器+減速器”的驅(qū)動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)的智能軟啟動(dòng)與負(fù)荷調(diào)速控制，以及能夠完成刮板輸送機(jī)啟停和運(yùn)行等基本控制，達(dá)到降低刮板輸送機(jī)磨損，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，節(jié)能減排，實(shí)現(xiàn)設(shè)備智能化的目的。 其變頻控制結(jié)構(gòu)框架見圖4。 刮板輸送機(jī)控制系統(tǒng)作為智能綜采工作面的子系統(tǒng)，包括：智能控制箱、煤量掃描裝置和內(nèi)置的智能調(diào)速控制軟件。 其中，煤量檢測(cè)與智能調(diào)速主要通過(guò)煤量掃描儀進(jìn)行不接觸式的煤量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；掃描儀用來(lái)測(cè)量輸送機(jī)上的煤流形狀，而刮板輸送機(jī)的煤量掃描裝置則安裝在轉(zhuǎn)載機(jī)上。 刮板輸送機(jī)上的煤量檢測(cè)與智能調(diào)速模型見圖5。

圖4 刮板輸送機(jī)變頻控制結(jié)構(gòu)

圖5 刮板輸送機(jī)上煤量檢測(cè)與智能調(diào)速模型

3.3 遠(yuǎn)程控制平臺(tái)

1306 工作面中遠(yuǎn)程控制平臺(tái)主要由防爆主機(jī)機(jī)箱、電源箱、交換機(jī)、信號(hào)轉(zhuǎn)換器等組成，具體結(jié)構(gòu)框架見圖6。其中，該遠(yuǎn)程控制中心內(nèi)支架通過(guò)隔爆主機(jī)的電液控主機(jī)來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作面中全部液壓支架上立柱壓力，并通過(guò)視頻主機(jī)軟件來(lái)監(jiān)測(cè)支架當(dāng)前姿態(tài)信息，同時(shí)通過(guò)支架操作臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面液壓支架的動(dòng)作控制干預(yù)[6]。 該操作人員可同時(shí)兼顧采煤機(jī)、三機(jī)及泵站的集中控制。 而支架操作臺(tái)通過(guò)CAN協(xié)議可保證控制命令實(shí)時(shí)發(fā)送至工作面支架控制器，進(jìn)而完成相關(guān)動(dòng)作的干預(yù)。 采煤機(jī)、三機(jī)及泵站控制指令則通過(guò)操作臺(tái)發(fā)送給主機(jī)，由主機(jī)向各個(gè)設(shè)備發(fā)出。

圖6 工作面遠(yuǎn)程控制平臺(tái)

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

結(jié)合前文分析， 完成了李村煤礦1306 工作面智能化綜采工作面的建設(shè)。 為進(jìn)一步掌握工作面中各關(guān)鍵設(shè)備的智能化程度及運(yùn)行情況，對(duì)所建立的工作面進(jìn)行了應(yīng)用驗(yàn)證。 在運(yùn)行過(guò)程中，工作面自動(dòng)化控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)位姿實(shí)時(shí)監(jiān)控、記憶截割，支架自動(dòng)隨采煤機(jī)拉架、推溜動(dòng)作，支架姿態(tài)監(jiān)控，工作面智能遠(yuǎn)程供液，轉(zhuǎn)載機(jī)和皮帶機(jī)尾自移等功能操作及控制。 同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)也達(dá)到了煤礦建設(shè)中智能、高效、減人的設(shè)計(jì)要求。 工作面實(shí)現(xiàn)智能化后，可達(dá)到機(jī)械化換人、智能化減人模式。 作業(yè)人數(shù)得到有效減少，實(shí)現(xiàn)減人提效目標(biāo)，降低了生產(chǎn)中的不安全系數(shù)，達(dá)到了人少安全，無(wú)人則安的效果。在保證刮板輸送機(jī)煤流量的前提下，智能調(diào)節(jié)刮板輸送機(jī)的運(yùn)行速度，減少刮板回轉(zhuǎn)次數(shù)，降低刮板輸送機(jī)磨損，延長(zhǎng)設(shè)備壽命，達(dá)到節(jié)能的效果，每年相關(guān)經(jīng)濟(jì)效益約379 萬(wàn)元。 順槽皮帶機(jī)智能控制系統(tǒng)是通過(guò)協(xié)調(diào)各個(gè)變頻器的工作，提高皮帶的運(yùn)載效率，達(dá)到節(jié)能減排，降低磨損，延長(zhǎng)壽命的經(jīng)濟(jì)效益，每年相關(guān)經(jīng)濟(jì)效益約179 萬(wàn)元。 通過(guò)在李村礦工作面的成功使用，為在全集團(tuán)公司推廣使用獲得豐富的操作、管理經(jīng)驗(yàn)，大大提高了集團(tuán)公司競(jìng)爭(zhēng)能力。 由此，驗(yàn)證了所建立的智能化工作面自動(dòng)化控制系統(tǒng)的可靠性及可行性。

5 工作面人員配置

通過(guò)對(duì)1306 工作面工作現(xiàn)場(chǎng)的統(tǒng)計(jì)分析，在完成工作面智能化改造后，其生產(chǎn)班人員可由原來(lái)的28 人縮減到16 人。 由此，可大大減少工作面人員的數(shù)量，減少企業(yè)在人員方面的經(jīng)濟(jì)成本，所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)明顯。 實(shí)現(xiàn)智能化后綜采隊(duì)一個(gè)生產(chǎn)班人數(shù)的對(duì)比情況見表1。由此可知，對(duì)該工作面進(jìn)行智能化升級(jí)改造十分必要。

表1 實(shí)現(xiàn)智能化后綜采隊(duì)一個(gè)生產(chǎn)班人數(shù)的對(duì)比情況

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6 結(jié)語(yǔ)

智能化綜采工作面的建設(shè)，是當(dāng)前各煤礦行業(yè)重點(diǎn)發(fā)展及改進(jìn)的方向。 將各類先進(jìn)的控制技術(shù)應(yīng)用到工作面建設(shè)中，已成為提高企業(yè)綜合競(jìng)爭(zhēng)力的必然趨勢(shì)。 由此，結(jié)合李村煤礦1306 綜采工作面的實(shí)際情況，開展了工作面自動(dòng)化控制系統(tǒng)的總體方案及關(guān)鍵分系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析， 并進(jìn)行了實(shí)際運(yùn)行驗(yàn)證。 結(jié)果表明，所建立的智能化工作面控制系統(tǒng)運(yùn)行正常， 有效提高了1306 綜采工作面中設(shè)備的運(yùn)行效率及運(yùn)行安全性，也使得作業(yè)人員數(shù)量有所降低，給企業(yè)帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，增強(qiáng)了企業(yè)的綜合競(jìng)爭(zhēng)能力。