薄煤層智能化工作面的建設(shè)及技術(shù)創(chuàng)新

文/黃超慧

（責(zé)任編輯：龐永厚）

隨著煤炭資源開采的日益減少，薄煤層的安全高效開采成為了我國煤礦企業(yè)關(guān)注的焦點。平煤股份四礦在薄煤層開采過程中，存在著采面高度低、條件差，人員不能直立作業(yè)，勞動強度大等難題，迫切需要薄煤層綜采工作面實現(xiàn)無人自動回采，將工人從高危的生產(chǎn)環(huán)境中解放出來。平煤股份四礦從薄煤層智能化工作面論證、綜采設(shè)備配套選型和智能化控制系統(tǒng)幾個方面對薄煤層智能化工作面的建設(shè)進行了深入研究，對設(shè)備的選型設(shè)計和配套參數(shù)進行細致分析，對控制系統(tǒng)的智能化功能進行了創(chuàng)新和完善，建設(shè)了既有一定生產(chǎn)能力，又能適應(yīng)復(fù)雜生產(chǎn)環(huán)境的薄煤層智能化工作面。該薄煤層智能化工作面的建設(shè)，實現(xiàn)了減員提效，智能化遠程控制和安全高效生產(chǎn)的目標，為薄煤層綜采自動化設(shè)備的推廣和同類薄煤層的智能化開采提供了有利參考。

一、智能化工作面的建設(shè)

1.工作面概況

平煤股份四礦位于平頂山礦區(qū)中部，1955年11月建礦，1958年8月1日投產(chǎn)，現(xiàn)核定年生產(chǎn)能力224萬噸。投產(chǎn)60多年來，礦井由單一水平開采變?yōu)槎嗨介_采，由低瓦斯礦井變?yōu)槊号c瓦斯突出礦井。特別是四礦可采區(qū)域呈南北狹長走向，再加上四組煤層同時開采，采區(qū)上、下重疊布置，主要進、回風(fēng)巷斷面變形量高達50%以上，開采垂深在850m以上，回采工作面客觀上面臨著高瓦斯、高地壓、高地溫；通風(fēng)難、運輸難、提升難、供風(fēng)難、供水難、行人難的安全發(fā)展瓶頸。

己15-23090工作面位于己三采區(qū)東翼中部，己15煤層厚度1.0～2.0m，平均煤厚1.45m。煤層賦存穩(wěn)定，基本頂為細粒砂巖，厚6～12m，厚層狀。直接頂為粉砂與粉砂質(zhì)泥巖互層，厚3.5～5.5m，層狀?；镜诪榉凵百|(zhì)泥巖，厚2.5～7.0m，團塊狀。直接底為泥巖，厚1.5～2.5m，碎塊狀。呈緩傾斜單斜構(gòu)造，煤層傾角5°～12°，平均煤層傾角9°。正斷層22條，其中13條大于1m的正斷層，落差1.1～4.4m。工作面設(shè)計采長148m，走向1966m，可采走向1870m，可采儲量74萬噸。

2.設(shè)備選型

根據(jù)該工作面地質(zhì)條件，經(jīng)過充分論證，采煤機選用上海天地MG2×250/1200-WD采煤機，該采煤機機面高度890mm，每個滾筒由兩臺250KW的截割電機驅(qū)動，高度低、功率大，能夠適應(yīng)己15-23090工作面煤層薄、斷層構(gòu)造多的復(fù)雜地質(zhì)條件。

運輸設(shè)備采用平煤神馬機械裝備集團河南重機公司的SGZ900/800刮板運輸機，該運輸機針對薄煤層降低了機頭、機尾高度。

液壓支架選用平煤神馬機械裝備集團河南礦機有限公司ZY6800-10/20D電液控支架，乳化液泵站集中供液系統(tǒng)選用浙江中煤機械科技有限公司BRW500/37.5泵站水處理及集中供液系統(tǒng)，電液控系統(tǒng)選用德國marco公司pm32-ifc智能化系統(tǒng)。

此外，采用SZZ-800/315轉(zhuǎn)載機、ZY1100型轉(zhuǎn)載機邁步自移裝置、ZT17500-16/30D機巷端頭支架2組共4架、ZC4000-15/28風(fēng)巷垛式超前支架80架等設(shè)備。設(shè)備配套時為保證工作面兩端的破底及拾煤效果，采用了抬高運輸機銷排中心高度的措施，配套后采煤機機面高996mm。

3.系統(tǒng)構(gòu)成及功能

己15-23090薄煤層智能化綜采工作面由液壓支架電液控制系統(tǒng)、采煤機控制系統(tǒng)、運輸子系統(tǒng)、工作面人員定位系統(tǒng)、工作面視頻系統(tǒng)、泵站集中供液系統(tǒng)、組合開關(guān)監(jiān)測系統(tǒng)、設(shè)備檢修預(yù)警系統(tǒng)、地面分控中心系統(tǒng)等10個子系統(tǒng)組成。如圖1所示。

在順槽監(jiān)控中心采用vistwo軟件控制平臺，工作面綜采設(shè)備通過數(shù)據(jù)傳輸平臺和控制平臺相連接，在液壓支架電液控制系統(tǒng)與采煤機控制系統(tǒng)實現(xiàn)全面跟機自動化的基礎(chǔ)上，將電液控制系統(tǒng)與液壓支架視頻監(jiān)控系統(tǒng)相結(jié)合，通過監(jiān)控中心遠程操作對液壓支架進行干預(yù)，實現(xiàn)工作面設(shè)備運行狀態(tài)和環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測，依據(jù)數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)和預(yù)警報警機制，滿足復(fù)雜環(huán)境下液壓支架的自動化、智能化控制。

平煤股份四礦己15-23090薄煤層智能化綜采工作面設(shè)備主要具有以下功能。

（1）液壓支架電液控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)鄰架單動控制、隔架控制、自動跟機移架控制、成組支架動作控制、工作面頂板圍巖耦合等多項功能。同時，通過人員定位卡自動閉鎖附近液壓支架、劃定工作面安全區(qū)域并進行警示，三角煤區(qū)域斜切進刀和端頭支架、轉(zhuǎn)載機一鍵自移，根據(jù)壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)實現(xiàn)礦壓分析及頂板周期來壓的預(yù)警等功能。此外，可監(jiān)測液壓支架高度、壓力、行程劑傾角等各項參數(shù)，并根據(jù)生產(chǎn)情況、視頻監(jiān)控進行遠程調(diào)節(jié)。

（2）運輸子系統(tǒng)利用華寧集控設(shè)備實現(xiàn)自動控制、點動控制，實現(xiàn)在集控中心遠程控制刮板運輸機、轉(zhuǎn)載機、破碎機一鍵啟停；具有實時監(jiān)測三機運行狀態(tài)、電機和減速器的運行參數(shù)（油溫、油位、軸承溫度、冷卻水溫度、流量）及工作面運輸機閉鎖、語音通訊等功能。

圖1 智能化系統(tǒng)架構(gòu)圖

（3）采煤機控制系統(tǒng)實時采集工作面相應(yīng)位置上的采高、傾角、俯仰角、速度、方向等信息，并以5cm為間隔做即時映射，并生成截割曲線模型。采煤機實現(xiàn)集控中心一鍵啟停和可視化遠程控制、記憶截割，以及監(jiān)測油溫、油位、電壓、電流、通訊狀態(tài)及故障信息。利用紅外/編碼器/RFID射頻定位+慣導(dǎo)技術(shù)精確位置，繪制采煤機位置曲線，通過在自動化主機上輸入工作面高度修正值的方式來獲取與工作面相適應(yīng)的采割曲線。通過圖像識別及慣性導(dǎo)航系統(tǒng)對工作面刮板運輸機、液壓支架曲線進行校直，實現(xiàn)采煤自動化。

（4）工作面視頻系統(tǒng)具備監(jiān)測工作面割煤、綜采設(shè)備運行狀況和人員狀況、視頻跟機自動切換、順槽設(shè)備和人員狀況的功能。攝像頭具備330°自旋轉(zhuǎn)及自清潔功能。

（5）綜采工作面集中控制中心具備所有綜采設(shè)備遠距離一鍵啟停、各項參數(shù)實時監(jiān)測，以視頻攝像頭監(jiān)控全工作面設(shè)備運行狀態(tài)、煤壁狀態(tài)、人員狀態(tài)以及依據(jù)人員識別、定位設(shè)定安全區(qū)的功能；具備設(shè)備檢修預(yù)警管理，監(jiān)測工作面瓦斯?jié)舛?、粉塵濃度，并根據(jù)需要開啟區(qū)域支架頂梁噴霧降塵功能。

（6）地面分控中心系統(tǒng)具備在地面調(diào)度中心顯示綜采設(shè)備運行狀態(tài)和遠程控制綜采設(shè)備的功能；具備通過視頻系統(tǒng)監(jiān)控工作面、順槽內(nèi)的設(shè)備和人員狀況，與井下集控中心進行通訊，對工作面各綜采設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)采集和分析并定時(或任何時段)生成狀態(tài)分析報告等功能。

二、智能化工作面創(chuàng)新點及關(guān)鍵技術(shù)

己15-23090薄煤層智能化工作面順槽監(jiān)控中心采用vistwo軟件控制平臺，工作面綜采設(shè)備通過數(shù)據(jù)傳輸平臺和控制平臺相連接，實現(xiàn)工作面設(shè)備運行狀態(tài)和環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測，依據(jù)數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)和預(yù)警報警機制，實現(xiàn)綜采設(shè)備智能管理。在設(shè)備調(diào)試期間，針對該套智能設(shè)備控制系統(tǒng)進行了部分優(yōu)化和改進。

1.數(shù)據(jù)傳輸高度集成、多網(wǎng)合一

工作面電液控、視頻、照明、供電、數(shù)據(jù)傳輸、系統(tǒng)控制實現(xiàn)多網(wǎng)合一，工作面架與架之間一線貫通，減少了工作面架架布線量，節(jié)省了安裝時的人力、物力投入，減少了生產(chǎn)中的故障點。

2.采煤機與工作面采高聯(lián)動

采煤機使用紅外、射頻和編碼器三種定位模式，實現(xiàn)精準定位、采煤機與工作面采高聯(lián)動，當液壓支架高度不足以通過采煤機時，可實現(xiàn)自動停止采煤機牽引或在集控中心預(yù)警。

3.液壓系統(tǒng)爆管保護

當液壓支架遠距離供液系統(tǒng)油管破裂壓力驟降或大量泄漏時，自動控制系統(tǒng)根據(jù)傳感器壓力變化，可實現(xiàn)自動停泵或在集控中心預(yù)警。

4.礦壓分析及預(yù)警

通過對工作面支架立柱壓力數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)礦壓分析及頂板初次來壓和周期來壓的預(yù)警功能，為采面頂板管理提供有效依據(jù)。

5.端頭支架及轉(zhuǎn)載機遠程遙控操作

端頭支架與轉(zhuǎn)載機自移并入電液控制系統(tǒng)，端頭支架安裝照明及攝像頭，可實時顯示巷道人員、設(shè)備狀態(tài)，實現(xiàn)端頭支架、轉(zhuǎn)載機一鍵自移及遙控器遙控操作。

6.煤流運輸預(yù)警

智能工作面煤流與負荷之間具有協(xié)調(diào)功能，當運輸設(shè)備負荷大時，實現(xiàn)采煤機牽引自動減速或在集控中心預(yù)警，避免因負荷大引起運輸機壓車。

7.遙控器采用漢化模式

電液控制系統(tǒng)遙控器及控制器全部采用漢化模式，便于職工操作培訓(xùn)。

8.設(shè)備檢修預(yù)警功能

（1）在集控中心電腦隨機存儲和編輯工作面供電、供液和通訊系統(tǒng)圖，方便查詢和故障排除。

（2）備品備件錄入系統(tǒng)，實現(xiàn)設(shè)備易損件備件的核對和查詢。

（3）自定義錄入工作面各設(shè)備檢修重點及檢修周期，實現(xiàn)設(shè)備周期檢修提醒，保證設(shè)備維護和檢修效果。

三、智能化工作面建設(shè)的改進方向

一是工作面電液控、視頻、照明、供電、數(shù)據(jù)傳輸、系統(tǒng)控制實現(xiàn)多網(wǎng)合一，工作面架與架之間一線貫通的數(shù)據(jù)線為百兆帶寬四芯數(shù)據(jù)線，多信號及供電導(dǎo)致數(shù)據(jù)及視頻傳輸?shù)膶崟r性較差，有時可能導(dǎo)致視頻延遲或卡頓，可將該四芯數(shù)據(jù)線進行升級，提高視頻及數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧鲿承浴?/p>

二是慣導(dǎo)系統(tǒng)及視頻監(jiān)測圖像智能識別較差，導(dǎo)致在集控中心觀察采面運輸機、支架的平直需通過慣導(dǎo)對圖像進行人工處理，圖像智能識別及數(shù)據(jù)處理功能有待提高。

三是智能化及功能設(shè)置選擇性有待完善，控制系統(tǒng)只是按既定程序執(zhí)行動作，未采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制及自適應(yīng)技術(shù)，不具備通過大數(shù)據(jù)自主完善系統(tǒng)功能及分析判斷功能，此外，工作面不具備設(shè)備按采煤機設(shè)定軌跡自動運行的功能。

四是為保證安全及更好地了解設(shè)備運行狀態(tài)，采煤機、液壓支架及轉(zhuǎn)載機自移等設(shè)備在動作命令執(zhí)行前，建議由語音預(yù)警或聲光預(yù)警功能來提供預(yù)警。

四、結(jié)論

平煤股份四礦己15-23090工作面是河南省首個薄煤層自動化工作面，智能化綜采設(shè)備可通過傳感、通訊等技術(shù)，實現(xiàn)順槽設(shè)備控制中心遠程可視化操作、綜采設(shè)備集中控制一鍵啟停，實現(xiàn)液壓支架自動跟機移架、液壓支架支護狀態(tài)監(jiān)控、運輸機自動調(diào)直、采煤機記憶截割、設(shè)備工況檢測和故障診斷技術(shù)等功能，在人員較少的情況下實現(xiàn)自動回采，從根本上提高了作業(yè)安全系數(shù)，極大地改善了煤礦工人的工作環(huán)境，大幅降低了工人的勞動強度，實現(xiàn)產(chǎn)能增效、提質(zhì)增效、減員提效，單班生產(chǎn)人員由20人減至9人，月均產(chǎn)量達到10萬噸，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟效益，有效推動了河南省薄煤層的開采工作，對薄煤層安全高效開采具有推廣意義和參考價值。