大傾角放頂煤智能化工作面建設(shè)方案與分析

禹明哲

(鶴壁煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，河南 鶴壁 458030)

近年來(lái)，從國(guó)家到省級(jí)層面都在大力倡導(dǎo)推進(jìn)智能化建設(shè)，國(guó)家《安全生產(chǎn)“十三五”規(guī)劃》中，明確要求在礦山領(lǐng)域?qū)嵤皺C(jī)械化換人、自動(dòng)化減人”[1-2]，國(guó)家煤監(jiān)局召開(kāi)的全國(guó)性會(huì)議上，多次強(qiáng)調(diào)要積極推進(jìn)煤礦智能化建設(shè)[3-4]。

河南省工業(yè)和信息化廳2019年下發(fā)了《河南省煤礦智能化建設(shè)實(shí)施方案(2019—2021年)》[5]，對(duì)加快推進(jìn)全省煤礦智能化建設(shè)提出了明確要求，布置了主要任務(wù)，制定了建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)?？傮w目標(biāo)是到2021年底，全省年產(chǎn)60萬(wàn)t以上煤礦基本完成智能化升級(jí)改造，各生產(chǎn)系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制、可視化操作，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化、管理信息化、決策智能化；年產(chǎn)60萬(wàn)t以下的煤礦淘汰炮采工藝，全面實(shí)現(xiàn)機(jī)械化生產(chǎn)[6]。

2019年6月18日、7月23日，河南省政府2次召開(kāi)煤礦智能化建設(shè)專題會(huì)，劉偉副省長(zhǎng)就此項(xiàng)工作做了安排部署；8月8日，河南能源化工集團(tuán)組織召開(kāi)了煤礦智能化建設(shè)專題會(huì)，會(huì)議傳達(dá)了河南省煤礦智能化建設(shè)有關(guān)精神和政策，對(duì)集團(tuán)公司煤礦智能化建設(shè)提出了具體要求和明確部署；8月14日，河南省工業(yè)和信息化廳又在鄭州組織省內(nèi)各煤業(yè)公司召開(kāi)了加快推進(jìn)煤礦智能化建設(shè)工作座談會(huì)，對(duì)全省下一步工作計(jì)劃和要求做了詳細(xì)部署。

不難看出，河南省在強(qiáng)力推進(jìn)煤礦智能化建設(shè)工作上的堅(jiān)定決心和信心，按照政策導(dǎo)向，到2021年底，產(chǎn)能90萬(wàn)t/a及以上礦井如果未實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化或智能化工作面開(kāi)采，下一步只能面臨政策性退出關(guān)閉。因此，智能化工作面建設(shè)已經(jīng)是“時(shí)不我待”，必須在理念上認(rèn)識(shí)到位，在戰(zhàn)略上高度重視，堅(jiān)信智能化是煤礦發(fā)展的必由之路，要堅(jiān)定不移、積極地向前推進(jìn)。

1 煤礦智能化建設(shè)現(xiàn)狀、規(guī)劃及目標(biāo)

1.1 煤礦智能化建設(shè)現(xiàn)狀

目前，鶴煤公司所屬7對(duì)正常生產(chǎn)礦井的生產(chǎn)能力分別為：鶴煤三礦生產(chǎn)能力135萬(wàn)t/a，鶴煤六礦生產(chǎn)能力130萬(wàn)t/a、中泰礦業(yè)生產(chǎn)能力150萬(wàn)t/a、黨家河礦生產(chǎn)能力150萬(wàn)t/a、蘇家溝礦生產(chǎn)能力150萬(wàn)t/a、鶴煤八礦生產(chǎn)能力81萬(wàn)t/a、鶴煤九礦生產(chǎn)能力60萬(wàn)t/a，均在煤礦智能化建設(shè)范圍內(nèi)。限于地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、煤層厚度變化大、煤層傾角大(普遍在20°以上，最高可達(dá)30°)、采煤機(jī)煤巖識(shí)別困難、大傾角設(shè)備防倒防滑、頂煤回收及松軟煤層頂板控制等技術(shù)難題及資金限制，目前，各礦還沒(méi)有完整的智能化采掘工作面投入運(yùn)行，僅在黨家河礦110工作面安裝了一套電液控系統(tǒng)，已實(shí)現(xiàn)液壓支架電液自動(dòng)化控制。

1.2 煤礦智能化建設(shè)規(guī)劃

按照河南省委省政府和集團(tuán)公司對(duì)煤礦智能化建設(shè)有關(guān)要求，鶴煤公司制定了智能化采煤工作面建設(shè)三年規(guī)劃，編制了鶴煤公司煤礦智能化建設(shè)方案。其中，2020年建設(shè)智能化采煤工作面4個(gè)(鶴煤三礦4101工作面、鶴煤六礦2125工作面、鶴煤八礦3105工作面、黨家河礦202工作面)，總投資約18 250萬(wàn)元。

鶴壁礦區(qū)煤層賦存特殊，地質(zhì)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，煤層傾角普遍在20°以上，最高可達(dá)30°，在25°以上大傾角放頂煤采煤工作面實(shí)施智能化建設(shè)，在國(guó)內(nèi)尚無(wú)先例，存在較高的技術(shù)難度。

1.3 煤礦智能化建設(shè)目標(biāo)

通過(guò)采煤機(jī)智能控制、液壓支架自動(dòng)跟機(jī)、智能記憶放煤、可視化遠(yuǎn)程監(jiān)控等系統(tǒng)，在采煤生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)前部采煤以記憶截割為主，人工遠(yuǎn)程干預(yù)為輔；后部放煤以自動(dòng)記憶放煤為主，人工就近干預(yù)為輔；支架前部以跟隨采煤機(jī)自動(dòng)動(dòng)作為主，人工干預(yù)為輔；成套綜采設(shè)備以集中自動(dòng)化控制為主，就地控制為輔；以數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)為主，視頻監(jiān)控為輔；即“以工作面自動(dòng)控制為主，遠(yuǎn)程干預(yù)控制為輔”的自動(dòng)化生產(chǎn)模式；實(shí)現(xiàn)“智能化作業(yè)，有人巡視”，達(dá)到工作面少人安全高效開(kāi)采[7-9]。

2 智能化工作面建設(shè)方案

2.1 設(shè)備配置

綜放智能化工作面設(shè)備主要包括采煤機(jī)、液壓支架、過(guò)渡支架、端頭支架、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、前后部輸送機(jī)、配電系統(tǒng)、凈化水裝置、電纜單軌吊、乳化液保障系統(tǒng)，具體型號(hào)、數(shù)量見(jiàn)表1。

表1 綜放智能化工作面設(shè)備配置Tab.1 Equipment configuration of fully-mechanized caving intelligent working face

2.2 綜放工作面智能化控制系統(tǒng)

綜采工作面智能化控制系統(tǒng)是一套完整的工作面自動(dòng)化解決方案，系統(tǒng)將多種技術(shù)(如控制、以太網(wǎng)、無(wú)線、視頻、通信、液壓等)應(yīng)用于綜采工作面，實(shí)現(xiàn)在工作面巷道監(jiān)控中心對(duì)綜采設(shè)備進(jìn)行集中自動(dòng)化控制，確保各設(shè)備協(xié)調(diào)、連續(xù)、高效、安全運(yùn)行，將工人從工作面解放出來(lái)，實(shí)現(xiàn)工作面少人化。

采煤機(jī)通過(guò)記憶割煤功能行走割煤；并通過(guò)采煤機(jī)上安裝的紅外發(fā)射器和液壓支架立柱上安裝的紅外接收器，識(shí)別采煤機(jī)當(dāng)前位置；采煤機(jī)割煤后，控制系統(tǒng)通過(guò)電磁閥控制液壓支架走架走架、推刮板輸送機(jī)、放煤。其中，液壓支架拉架、推刮板輸送機(jī)通過(guò)位移傳感器控制行程，升降、后插板放煤等動(dòng)作均通過(guò)提前定量好的動(dòng)作時(shí)間控制行程。其余設(shè)備如刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、膠帶機(jī)均由自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和啟?？刂芠10]。

系統(tǒng)主要由3部分組成，分別是工作面部分、巷道監(jiān)控中心、地面部分。綜采智能化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 綜采智能化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of intelligent control system for fully-mechanized mining

2.3 液壓支架電液控制系統(tǒng)

通過(guò)在液壓支架安裝電液控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)具備雙向鄰架或隔架單動(dòng)作、雙向鄰架自動(dòng)順序動(dòng)作、雙向成組自動(dòng)控制、初撐力自動(dòng)保持及帶壓移架、設(shè)備信息數(shù)據(jù)上傳及存儲(chǔ)功能。系統(tǒng)具備聲音報(bào)警、急停、本架閉鎖及故障自診斷顯示功能，并能方便地進(jìn)行人工手動(dòng)操作。工作面電控系統(tǒng)包括單個(gè)支架控制單元系統(tǒng)及將所有支架上的單元系統(tǒng)通過(guò)必要的共用或附加設(shè)備聯(lián)接起來(lái)的控制網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓支架動(dòng)作的控制和狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。電液控單架配置如圖2所示。

圖2 電液控制系統(tǒng)單架配置Fig.2 Single frame configuration of electro-hydraulic control system

2.4 工作面視頻系統(tǒng)

每6架支架安裝1臺(tái)云臺(tái)攝像儀，用于三機(jī)狀態(tài)監(jiān)控，視頻系統(tǒng)通過(guò)通信獲取采煤機(jī)運(yùn)行位置和方向，實(shí)現(xiàn)在視頻顯示器上跟隨采煤機(jī)自動(dòng)切換視頻畫(huà)面。監(jiān)控中心安裝1臺(tái)云臺(tái)攝像儀，實(shí)現(xiàn)地面調(diào)度中心對(duì)監(jiān)控中心的監(jiān)測(cè)，每3個(gè)支架配備1臺(tái)礦用隔爆巷道燈，安裝于支架的頂梁上。在刮板輸送機(jī)機(jī)頭和機(jī)尾、轉(zhuǎn)載點(diǎn)、膠帶機(jī)頭處各安裝1臺(tái)礦用本質(zhì)安全型攝像儀，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2.5 巷道集控中心

監(jiān)控中心主要用于集中安放自動(dòng)化控制系統(tǒng)項(xiàng)目的相關(guān)設(shè)備，在巷道列車上打造一個(gè)“井下中控室”。操作者只需坐在監(jiān)控中心即可通過(guò)顯示器觀察到工作面各設(shè)備運(yùn)行工況，并可通過(guò)語(yǔ)音通信進(jìn)行調(diào)度、聯(lián)絡(luò)，通過(guò)操作臺(tái)遠(yuǎn)程操控工作面各設(shè)備，系統(tǒng)還具備故障診斷報(bào)警功能。

2.6 工作面原煤破碎運(yùn)輸集中控制系統(tǒng)

工作面語(yǔ)音通信系統(tǒng)和巷道膠帶系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)傳輸功能，綜采自動(dòng)化與此2套系統(tǒng)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面“三機(jī)”、巷道膠帶機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)及集中控制功能。

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)前后刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)及帶式輸送機(jī)的單設(shè)備遠(yuǎn)程啟停控制及順序遠(yuǎn)程啟?？刂啤?dòng)順序：帶式輸送機(jī)→破碎機(jī)→轉(zhuǎn)載機(jī)→前后刮板輸送機(jī)；停止順序：前后刮板輸運(yùn)機(jī)→轉(zhuǎn)載機(jī)→破碎機(jī)→帶式輸送機(jī)，具體如圖3所示。

圖3 破碎機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、刮板機(jī)、帶式輸送機(jī)集中控制Fig.3 Centralized control diagram of crusher，transfer machine，plate scraper and belt conveyor

2.7 乳化液保障系統(tǒng)

通過(guò)安裝乳化液泵站、乳化液自動(dòng)配比系統(tǒng)、遠(yuǎn)距離供液管路，通過(guò)與巷道集控中心數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)乳化液泵站的遠(yuǎn)程控制、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)供液功能。

泵站集中控制系統(tǒng)具有泵站出口壓力、泵站油溫、泵站油位狀態(tài)、泵站電磁閥動(dòng)作情況、液箱液位、乳化油油箱油位檢測(cè)功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)泵站的單設(shè)備啟?？刂埔约岸嗯_(tái)泵站的聯(lián)動(dòng)控制。

2.8 地面監(jiān)控中心

采用以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)綜采設(shè)備數(shù)據(jù)上傳，通過(guò)礦井自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)，將綜采設(shè)備的數(shù)據(jù)傳到井上，實(shí)現(xiàn)地面調(diào)度指揮中心對(duì)綜采設(shè)備的監(jiān)測(cè)、顯示；實(shí)現(xiàn)綜采設(shè)備(液壓支架、采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、負(fù)荷開(kāi)關(guān)、泵站)數(shù)據(jù)的集成，在地面調(diào)度中心對(duì)綜采設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、顯示。實(shí)現(xiàn)“三機(jī)”聯(lián)動(dòng)，巷道膠帶集中控制，地面“一鍵啟動(dòng)”，智能化操作。地面監(jiān)控中心系統(tǒng)組成如圖4所示。

圖4 地面監(jiān)控視頻示意Fig.4 Ground surveillance video

3 難點(diǎn)分析與對(duì)策

鶴煤公司本部礦井均為20世紀(jì)50年代建設(shè)、60年代投產(chǎn)的老礦井，現(xiàn)大部分礦井已進(jìn)入衰老期，系統(tǒng)復(fù)雜，環(huán)節(jié)多、線路長(zhǎng)，且井田內(nèi)斷層、褶曲發(fā)育、煤層傾角較大，巷道動(dòng)壓大，對(duì)推廣使用自動(dòng)化、智能化裝備有很大制約。

礦井采用綜采放頂煤開(kāi)采工藝，存在傾斜角度25°以上的煤層實(shí)施智能化工作面建設(shè)，在國(guó)內(nèi)無(wú)先例，對(duì)于支架放倒及輸送機(jī)防滑都有較為嚴(yán)格的要求，存在一定技術(shù)難度[11-14]。

當(dāng)前煤巖識(shí)別技術(shù)尚未成熟和普及，放頂煤工作面后部放煤仍只能通過(guò)電磁閥開(kāi)閉時(shí)間來(lái)控制，無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別是否已經(jīng)放完，仍需輔以人工干預(yù)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化[15]。

鶴煤公司下一步需加強(qiáng)與行內(nèi)業(yè)內(nèi)先進(jìn)單位交流學(xué)習(xí)，吸取先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，不斷優(yōu)化采煤工藝，同時(shí)要加強(qiáng)與研發(fā)企業(yè)和高校的技術(shù)攻關(guān)合作，通過(guò)優(yōu)化智能化控制程序，達(dá)到逐步提升智能化工作面控制精度和智能程度的目的。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，國(guó)家能源戰(zhàn)略和煤炭產(chǎn)業(yè)政策正在發(fā)生深刻變化，煤炭供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革正在穩(wěn)步推進(jìn)，內(nèi)蒙古、陜西、山西等省(自治區(qū))煤礦優(yōu)質(zhì)產(chǎn)能正在逐步釋放，河南、山東等中東部省份煤炭產(chǎn)能逐年降低，蒙華鐵路、青電入豫、疆電入豫等大型項(xiàng)目逐步建成，面對(duì)復(fù)雜多變的外部環(huán)境，省內(nèi)煤炭企業(yè)需要認(rèn)真研究出路。

當(dāng)前，推進(jìn)煤礦智能化建設(shè)，是國(guó)家推進(jìn)企業(yè)智能化發(fā)展的需要，歸根結(jié)底也是企業(yè)生存和發(fā)展的需要，在面臨著極大的發(fā)展機(jī)遇和挑戰(zhàn)面前，煤炭應(yīng)緊追趨勢(shì)，因地制宜，加快推進(jìn)煤礦智能化建設(shè)。