綜放工作面自動(dòng)化高效開(kāi)采實(shí)踐與改進(jìn)

胡安昌

（內(nèi)蒙古福城礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 016200）

目前我國(guó)智能化無(wú)人開(kāi)采技術(shù)發(fā)展處于起步階段，尤其是大采智能化開(kāi)采技術(shù)處于不斷探索和研究階段。許多礦產(chǎn)也進(jìn)行了試驗(yàn)，但是面對(duì)智能化工作面建設(shè)過(guò)程中遇到的“礦巖識(shí)別”的世界性難題的技術(shù)瓶頸，均未取得實(shí)質(zhì)性突破，福城某礦在建設(shè)智能化工作面的過(guò)程中采取以“網(wǎng)絡(luò)通訊為基礎(chǔ)、采礦機(jī)記憶截割、液壓支架自動(dòng)跟機(jī)、遠(yuǎn)程集中控制、視頻監(jiān)控為手段”加以解決，達(dá)到智能綜采的常態(tài)化應(yīng)用[1]。

1 煤礦綜采工作面自動(dòng)化技術(shù)的分析

1.1 支撐技術(shù)自動(dòng)化

傳統(tǒng)的煤礦開(kāi)采中，大部分情況下都是利用四連桿液壓支架完成礦產(chǎn)的采礦工作，這種方式可以達(dá)到預(yù)期的支撐效果，但是美中不足，四連桿液壓支架的自重非常大，并不適用薄礦層的開(kāi)采。薄礦層的開(kāi)采需要調(diào)整四連桿液壓支架的結(jié)構(gòu)，促使其可以支撐住油缸，還能對(duì)油缸兩端鉸接頂梁和底座進(jìn)行有效的支撐，改良后的支撐技術(shù)，不僅能夠控制油缸的位置，還能夠控制頂梁的狀態(tài)，經(jīng)過(guò)以上的調(diào)整和改良，這種架構(gòu)不僅增加了支撐的承重量，與此同時(shí)還保證支撐結(jié)構(gòu)總體的平穩(wěn)、安全，達(dá)到了提升加固的目標(biāo)。這種支撐架構(gòu)需要實(shí)現(xiàn)對(duì)支架的自動(dòng)化控制，要運(yùn)用紅外線的發(fā)射和接受設(shè)備輔助實(shí)現(xiàn)。如此一來(lái)，支架能夠滿足自動(dòng)化控制的要求，并且符合采礦設(shè)備對(duì)位置的要求。另外，采礦機(jī)械裝備要依靠線纜連接傳輸信息，線纜長(zhǎng)期處在復(fù)雜惡劣的環(huán)境中。為了確保線纜傳輸?shù)陌踩头€(wěn)定性，在支撐結(jié)構(gòu)上安裝攝像頭，不僅對(duì)線纜系統(tǒng)提供了實(shí)時(shí)監(jiān)控，也實(shí)現(xiàn)了支撐結(jié)構(gòu)的可視化操作。

1.2 采礦機(jī)自動(dòng)化

在薄礦層的開(kāi)采過(guò)程中，受到采礦設(shè)備的限制，導(dǎo)致薄礦層的開(kāi)采量占比很小，采礦機(jī)需要利用機(jī)身和自重都相對(duì)較小的設(shè)備進(jìn)入巷道，盡可能的避免采礦機(jī)器斜切進(jìn)刀進(jìn)行開(kāi)采工作。傳統(tǒng)舊式的采礦機(jī)通信系統(tǒng)不發(fā)達(dá)，自動(dòng)化的水平低，薄礦層開(kāi)采技術(shù)落后導(dǎo)致薄礦層的產(chǎn)量很低。綜采工作面自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用，全面優(yōu)化了采礦機(jī)的機(jī)械設(shè)備和軟件系統(tǒng)，并且構(gòu)建了雙向通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了采礦過(guò)程中的數(shù)據(jù)收集、處理，精確的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的計(jì)算，從而有效掌控了采礦裝備的牽引速度，提升了礦產(chǎn)的開(kāi)采效率。然而采礦機(jī)自動(dòng)化技術(shù)的全面實(shí)現(xiàn)要將監(jiān)控中心、載波信號(hào)和采礦裝備的傳送機(jī)信號(hào)有效的聯(lián)系在一起，形成集中化把控管理，降低運(yùn)行成本的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的管理。

2 智能化聯(lián)動(dòng)綜采作業(yè)技術(shù)

針對(duì)傳統(tǒng)綜采技術(shù)方案中綜采作業(yè)面空間狹小，生產(chǎn)過(guò)程中極易出現(xiàn)阻塞現(xiàn)象及采礦機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架之間的配合采用人工跟機(jī)調(diào)整方式，精度低、可靠性差，無(wú)法滿足無(wú)人化綜采作業(yè)需求的現(xiàn)狀，提出了智能化聯(lián)動(dòng)綜采作業(yè)技術(shù)方案。通過(guò)制定無(wú)人化綜采作業(yè)技術(shù)路線，提升了三機(jī)聯(lián)動(dòng)控制的精度，優(yōu)化了綜采作業(yè)工藝，實(shí)現(xiàn)了井下綜采作業(yè)設(shè)備的聯(lián)動(dòng)控制和綜采作業(yè)的連續(xù)性[2]。

設(shè)定無(wú)人化綜采作業(yè)技術(shù)路線，目的在于根據(jù)井下綜采作業(yè)流程及各機(jī)械設(shè)備之間的聯(lián)動(dòng)配合關(guān)系，針對(duì)性地制訂無(wú)人綜采作業(yè)技術(shù)流程。由于礦產(chǎn)井下地質(zhì)條件復(fù)雜、能見(jiàn)度低下，本文提出了以慣性導(dǎo)航技術(shù)為核心的無(wú)人綜采作業(yè)方案，有效地解決了井下機(jī)械設(shè)備定位精度差、協(xié)同作業(yè)困難的問(wèn)題，形成了以礦產(chǎn)井下智能聯(lián)動(dòng)控制為主，地面控制中心遠(yuǎn)程輔助控制為輔的無(wú)人化綜采智能控制模式。在實(shí)際應(yīng)用中，先通過(guò)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)判斷采礦機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架的相對(duì)位置，根據(jù)采礦機(jī)的位置和綜采作業(yè)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)刮板輸送機(jī)和液壓支架運(yùn)行狀態(tài)的自動(dòng)調(diào)整。同時(shí)為了確保聯(lián)動(dòng)控制的精確性和有效性，設(shè)置在“三機(jī)”上的傳感器設(shè)備能夠及時(shí)將“三機(jī)”的運(yùn)行姿態(tài)傳遞到地面上的監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下聯(lián)動(dòng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)整。

針對(duì)傳統(tǒng)綜采作業(yè)過(guò)程中出現(xiàn)的綜采作業(yè)面空間狹小，生產(chǎn)過(guò)程中極易出現(xiàn)阻塞的情況，本文提出了單向截割綜采技術(shù)方案。在綜采作業(yè)過(guò)程中，截割方向能夠始終與礦流方向保持一致，因此，能夠有效解決綜采作業(yè)過(guò)程中大塊煤炭引發(fā)的卡阻現(xiàn)象。另外，由于順煤流切割，能夠使井下的視頻監(jiān)控系統(tǒng)獲得一個(gè)相對(duì)較好的監(jiān)控環(huán)境，確保了地面監(jiān)控中心對(duì)井下無(wú)人化綜采作業(yè)監(jiān)控的準(zhǔn)確性。

3 煤礦井下無(wú)人化綜采作業(yè)的安全保障體系

為了確保煤礦井下無(wú)人化綜采作業(yè)過(guò)程的安全性，同步建立了綜采面的安全保障體系，實(shí)現(xiàn)了對(duì)綜采作業(yè)過(guò)程中防火、防瓦斯、防塌方的控制，具體包括以下3點(diǎn)：①建立煤礦井下通風(fēng)安全監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下通風(fēng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)調(diào)控，確保井下通風(fēng)安全。②建立煤礦井下瓦斯預(yù)警體系，對(duì)不同區(qū)域的瓦斯含量進(jìn)行全覆蓋監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果及時(shí)調(diào)整通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)狀態(tài)，確保井下瓦斯含量始終處于安全水平。另外，建立煤礦自燃防火監(jiān)測(cè)體系，對(duì)井下的重點(diǎn)自燃區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)，形成以阻化劑防火為主、以注凝膠防火為輔的井下防自燃控制系統(tǒng)。③建立以超前支護(hù)、臨時(shí)支護(hù)、頂板安全監(jiān)測(cè)為主的巷道頂板穩(wěn)定性控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)頂板工作穩(wěn)定性的連續(xù)監(jiān)測(cè)和預(yù)警，確保了綜采作業(yè)的安全。采用無(wú)人化綜采作業(yè)技術(shù)方案極大地提升了綜采面的自動(dòng)化和無(wú)人化程度，能夠?qū)⒕C采作業(yè)面的人員數(shù)量減少90%以上，工作時(shí)安全性將得到極大的提升。

4 關(guān)鍵系統(tǒng)組成

智能化工作面系統(tǒng)由順槽控制中心，地面調(diào)度室，支架電液控制系統(tǒng)，采煤機(jī)控制系統(tǒng)，三機(jī)/ 順槽皮帶控制系統(tǒng)，泵站控制系統(tǒng)，視頻系統(tǒng)，工作面礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，工作面智能照明系統(tǒng)，工作面人員定位系統(tǒng)，工作面智能噴霧和工作面環(huán)境監(jiān)測(cè)等子系統(tǒng)組成。

5 系統(tǒng)建設(shè)調(diào)試方案

（1）泵站列車入井后，施工泵站列車動(dòng)力線接線、泵站RS485通訊線的鋪設(shè)、泵站交換機(jī)接線，鋪設(shè)井下環(huán)網(wǎng)交換機(jī)至井下集控室的光纜、井下集控室至泵站列車的光纜、井下集控室至泵站語(yǔ)音通訊線。以上工作在設(shè)備列車入井前完成，為調(diào)試地面調(diào)度室至井下集控室、井下集控室至泵站列車的數(shù)據(jù)通訊及語(yǔ)音通訊做好準(zhǔn)備。

（2）設(shè)備列車入井，集控室到位后，對(duì)井下環(huán)網(wǎng)交換機(jī)、泵站列車、設(shè)備列車的光纜進(jìn)行熔接。安排人員對(duì)設(shè)備列車的動(dòng)力線及RS485 通訊線進(jìn)行鋪設(shè)。光纜熔接完畢，設(shè)備列車送電后，組織技術(shù)人員對(duì)井下集控室至泵站及地面調(diào)度的數(shù)據(jù)通訊，語(yǔ)音通訊、集控室至泵站的語(yǔ)音通訊、泵站及設(shè)備列開(kāi)關(guān)的數(shù)據(jù)通訊、三機(jī)設(shè)備的單啟單停，一鍵啟停、泵站的單控及集控進(jìn)行調(diào)試。調(diào)試應(yīng)在支架安裝三分之一之前完成。調(diào)試期間可以組織人員對(duì)集控室至采面的通訊光纜、集控室至采面的語(yǔ)音通訊線進(jìn)行鋪設(shè)。

（3）采面轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、輸送機(jī)機(jī)頭安裝完畢后動(dòng)力線、狀態(tài)監(jiān)測(cè)通訊線及時(shí)對(duì)接，為采面三機(jī)聯(lián)合試車提前做好準(zhǔn)備。

（4）支架安裝10架左右時(shí)，安排專人對(duì)支架電液控、視頻監(jiān)控、語(yǔ)音通訊、采面數(shù)據(jù)交換機(jī)、采礦機(jī)通訊載波、架間照明線路進(jìn)行安裝。由技術(shù)科協(xié)調(diào)信息化科對(duì)采面通訊光纜進(jìn)行熔接。以上工作根據(jù)支架安裝進(jìn)度及時(shí)跟進(jìn)，為調(diào)試采面支架數(shù)據(jù)通訊、視頻通訊，采礦機(jī)載波通訊做好準(zhǔn)備。

（5）支架安裝近三分之一時(shí)，支電液控及時(shí)送電，由瑪珂人員對(duì)支架程序、視頻監(jiān)控、及相關(guān)姿態(tài)參數(shù)進(jìn)行初調(diào)。并根據(jù)采面支架安裝進(jìn)度，跟進(jìn)調(diào)試進(jìn)度，為采面設(shè)備安裝完畢后的聯(lián)調(diào)做好準(zhǔn)備。

（6）采礦機(jī)安裝完畢后，對(duì)采煤機(jī)慣性導(dǎo)航、采礦機(jī)紅外發(fā)射、射頻發(fā)射裝置進(jìn)行安裝。為調(diào)試采礦機(jī)通訊做好準(zhǔn)備。

（7）采面三機(jī)聯(lián)合試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，應(yīng)實(shí)現(xiàn)地面調(diào)試室、井下集控室對(duì)采面的語(yǔ)音通訊、三機(jī)設(shè)備的一鍵啟停，單起單控、采面視頻監(jiān)控、三機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、開(kāi)關(guān)狀態(tài)顯示、采礦機(jī)數(shù)據(jù)顯示、支架狀態(tài)顯示、支架遠(yuǎn)控等功能的正?？刂萍帮@示。

6 智能化綜采工作面應(yīng)用成效

（1）通過(guò)由以太網(wǎng)液壓支架控制器組成的工作面以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)，將液壓支架電液控制系統(tǒng)，三機(jī)控制子系統(tǒng)，采煤機(jī)控制子系統(tǒng)，工作面視頻系統(tǒng)，泵站控制子系統(tǒng)，順槽皮帶控制子系統(tǒng)，智能刮板系統(tǒng)，供電系統(tǒng)，環(huán)境數(shù)據(jù)，以及基于特高頻射頻技術(shù)的工作面人員定位系統(tǒng)，集成到采用 vistwo 技術(shù)的工控自動(dòng)化平臺(tái)上。工控自動(dòng)化平臺(tái)采用同一數(shù)據(jù)庫(kù)，同一顯示控制平臺(tái)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析，采用預(yù)警和報(bào)警機(jī)制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制，自動(dòng)化控制和智能控制，實(shí)現(xiàn)綜采工作面人員設(shè)備和環(huán)境一體化。

（2）在工控自動(dòng)化平臺(tái)上，綜采工作面智能化系統(tǒng)和安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，人員定位系統(tǒng)，無(wú)線通訊系統(tǒng)，井下廣播系統(tǒng)，頂板壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，大型設(shè)備故障診斷系統(tǒng)和降塵系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，將綜采工作面智能化系統(tǒng)融入到智能礦山系統(tǒng)平臺(tái)上，達(dá)到智能礦山的設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)預(yù)防式服務(wù)，建設(shè)成安全、高效、少人化、節(jié)能的自動(dòng)化綜采工作面。

（3）智能化工作面開(kāi)采移架速度要與礦流系統(tǒng)、采礦機(jī)割礦產(chǎn)速度匹配，與支護(hù)質(zhì)量監(jiān)測(cè)效果進(jìn)行數(shù)據(jù)通信和反饋，同時(shí)受到泵站流量和移架方式的限制和制約，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，采煤機(jī)速度并不穩(wěn)定，割煤方向與煤流方向不停在轉(zhuǎn)換，因此同一工作面需要在不同的時(shí)間段采用不同的移架方式，最大限度保證工作面的生產(chǎn)效率。

（4）工作面液壓支架的姿態(tài)智能調(diào)整是實(shí)現(xiàn)工作面智能化的關(guān)鍵因素，其主要要求包括初撐力保證、支架頂梁接頂、工作面直線度保證等，通過(guò)支架液壓系統(tǒng)改進(jìn)，保證頂梁側(cè)護(hù)板前后兩個(gè)千斤頂能夠?qū)崿F(xiàn)一伸一縮的功能，即優(yōu)化液壓支架調(diào)架功能。其次，通過(guò)在立柱安設(shè)壓力傳感器，頂梁、掩護(hù)梁安設(shè)傾角傳感器，采集立柱壓力、頂梁掩護(hù)梁角度，判斷立柱受力情況、頂梁低頭上翹情況、支架受偏載情況，最后通過(guò)姿態(tài)算法分析支架姿態(tài)，并通過(guò)電液控制系統(tǒng)對(duì)支架姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整

（5）綜合經(jīng)濟(jì)效益得到極大提高，現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)作業(yè)人員8人（巡檢工5人，集控中心操作工1人，機(jī)電檢修工1人，泵站司機(jī)1人）組成，工作面所有設(shè)備的操控任務(wù)由監(jiān)控中心操作員利用遠(yuǎn)程操作臺(tái)來(lái)完成，主要負(fù)責(zé)綜采設(shè)備的啟停、遠(yuǎn)程人工干預(yù)采煤機(jī)進(jìn)行各項(xiàng)動(dòng)作并進(jìn)行自動(dòng)跟機(jī)過(guò)程中的補(bǔ)架等工作。工作面所有設(shè)備的安全監(jiān)護(hù)工作交給5個(gè)巡檢工來(lái)完成，兩人主要負(fù)責(zé)巡檢液壓支架，兩人負(fù)責(zé)巡檢采煤機(jī)，一人負(fù)責(zé)巡檢運(yùn)輸機(jī)。巡檢工主要在開(kāi)采過(guò)程中觀察設(shè)備運(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題時(shí)緊急停機(jī)，并聯(lián)系人員來(lái)共同解決問(wèn)題，人員數(shù)量的降低、開(kāi)采工效的提高，必然要求工人素質(zhì)的提高、管理的科學(xué)化。在標(biāo)準(zhǔn)化管理、安全管理、職工素質(zhì)提升方面進(jìn)行實(shí)踐，為智能化工作面的實(shí)現(xiàn)提供了可靠的管理保證。

7 結(jié)束語(yǔ)

礦產(chǎn)自動(dòng)化開(kāi)采是礦產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和工業(yè)技術(shù)改革的核心，礦產(chǎn)企業(yè)務(wù)必緊跟信息時(shí)代的發(fā)展步伐，應(yīng)用信息技術(shù)的成果，將數(shù)字化、人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)應(yīng)用于礦產(chǎn)開(kāi)采過(guò)程中，攻關(guān)智能化開(kāi)采核心技術(shù)難題，逐步實(shí)現(xiàn)煤礦開(kāi)采全過(guò)程的智能化監(jiān)控，通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控實(shí)現(xiàn)井下少人甚至無(wú)人作業(yè)，徹底改變傳統(tǒng)的礦產(chǎn)生產(chǎn)方式，使礦產(chǎn)行業(yè)適應(yīng)信息時(shí)代的發(fā)展，走可持續(xù)發(fā)展的道路。