薄煤層綜采工作面智能化控制系統(tǒng)應(yīng)用

孟小軍

（晉煤集團(tuán)寺河煤礦二號(hào)井，山西晉城048019）

1 概述

晉煤集團(tuán)寺河煤礦二號(hào)井94316綜采工作面東為九四西盤區(qū)大巷、南為94315工作面(已回采)、西為實(shí)體煤、北為實(shí)體煤。上部3#煤為寺河礦2306、2307工作面采空區(qū)(已回采)及其煤柱。

94316綜采工作面設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)度為1540m，傾向長(zhǎng)度為134m，工作面回采煤層為9#煤層，平均厚度為1.1m，平均傾角為3°，工作面采用綜合機(jī)械化回采工藝。

由于寺河二號(hào)井所開采的9#煤層厚度小、煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜、地質(zhì)條件差等，且9#可采儲(chǔ)量為2800×104t，9#煤層服務(wù)年限長(zhǎng)，若采用傳統(tǒng)回采工藝回采時(shí)不僅勞動(dòng)作業(yè)強(qiáng)度大、回采效率低以及機(jī)械設(shè)備故障率高，而且威脅著回采安全，通過(guò)對(duì)94315綜采工作面回采現(xiàn)狀來(lái)看，傳統(tǒng)回采工藝平均回采效率為5.2m/d，產(chǎn)煤量每百萬(wàn)噸設(shè)備故障率達(dá)9%；為了實(shí)現(xiàn)工作面集中控制，提高工作面回采效率，寺河煤礦二號(hào)井通過(guò)了技術(shù)研究，決定對(duì)工作面采用一套新型的智能化控制系統(tǒng)

2 智能化工作面控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

94316綜采工作面智能控制系統(tǒng)主要由順槽集控中心、地面調(diào)度中心、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)、視頻系統(tǒng)、工作面人員定位系統(tǒng)等子系統(tǒng)等部分組成[1]。

（1）順槽控制中心：順槽控制中心由控制室、上位機(jī)、交換機(jī)、攝像頭和操作臺(tái)等設(shè)備組成。通常在順槽控制室內(nèi)配置5臺(tái)上位機(jī)，鑲嵌在控制室操作臺(tái)上方。鍵盤和平板電腦操作臺(tái)鑲嵌在操作臺(tái)上。電纜和數(shù)據(jù)線隱藏在電纜槽內(nèi)。中間3臺(tái)為工控主機(jī)組成工控平臺(tái)，左右兩側(cè)2臺(tái)為視頻主機(jī)，也可以單獨(dú)再增加視頻顯示屏。順槽監(jiān)控中心配備2個(gè)攝像頭，監(jiān)控設(shè)備列車及順槽監(jiān)控中心視頻畫面。

（2）地面調(diào)度室：地面調(diào)度室主要由顯示大屏幕(3m×3m，或使用地面調(diào)度中心顯示大屏)、井上控制主機(jī)(2臺(tái))、視頻顯示主機(jī)(2臺(tái))等部分組成。在地面調(diào)度中心設(shè)置有智能工作面操作平臺(tái)，包含大屏顯示和系統(tǒng)控制（一鍵啟停、遠(yuǎn)程控制、智能控制三種控制方式）。地面調(diào)度室采用鼠標(biāo)、鍵盤和平板電腦組合控制方式，簡(jiǎn)便迅速，配備有急停按鈕，可在緊急情況下調(diào)度室急停工作面所有設(shè)備[2]。

（3）液壓支架電液控制系統(tǒng)：液壓支架電液控制系統(tǒng)主要由電源箱、控制器、主閥、攝像頭、壓力/采高/行程傳感器、供電系統(tǒng)等部分組成，如圖1所示；系統(tǒng)中照明燈、攝像頭、傳感器主要通過(guò)conm/4c型電纜連接，電液控制系統(tǒng)通過(guò)交換機(jī)接入到工控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)信息傳輸。

（4）采煤機(jī)控制系統(tǒng)：采煤機(jī)控制系統(tǒng)主要由采煤機(jī)上位機(jī)、交換機(jī)和工控平臺(tái)等部分組成且全部安裝在順槽控制室內(nèi)，采煤機(jī)上位機(jī)通過(guò)交換機(jī)和工控平臺(tái)相連并采用工業(yè)千兆以太網(wǎng)進(jìn)行信息傳輸。與此同時(shí)采煤機(jī)的數(shù)據(jù)也通過(guò)工作面數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)，接入到工控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向通訊。

（5）三機(jī)和順槽皮帶機(jī)控制系統(tǒng)：該系統(tǒng)主要由三機(jī)就地控制箱、順槽皮帶就地控制箱、數(shù)據(jù)交換機(jī)和工控平臺(tái)等部分組成。

（6）視頻系統(tǒng)：該系統(tǒng)主要由云臺(tái)攝像頭、工控平臺(tái)等部分組成。工作面每6架支架安裝一臺(tái)云臺(tái)攝像頭。安裝在支架頂梁處，朝向煤壁。視頻攝像頭和控制器相連，由控制器供電和控制[3]。視頻圖像經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)，接入到工控平臺(tái)。安裝在工作面端頭的攝像頭(超前支架、轉(zhuǎn)載、破碎、順槽皮帶、泵站)經(jīng)過(guò)節(jié)點(diǎn)交換機(jī)將視頻圖像傳輸?shù)焦た仄脚_(tái)。

（7）人員系統(tǒng)：該系統(tǒng)主要由工作面人員無(wú)線定位卡、以太網(wǎng)控制器、工控平臺(tái)等部分組成；工作面人員攜帶RFID射頻發(fā)射器，和工作面電液控制系統(tǒng)控制器進(jìn)行雙向通訊。RFID數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)進(jìn)入到工控上位機(jī)。工控平臺(tái)依據(jù)人員位置、人員權(quán)限以及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等，制定相應(yīng)保護(hù)措施。

3 智能化工作面控制系統(tǒng)主要功能

（1）建立工作面控制系統(tǒng)、順槽監(jiān)控中心及地面調(diào)度中心三層結(jié)構(gòu)，完成對(duì)采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)、泵站、供電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、顯示、參數(shù)修改及控制功能，實(shí)現(xiàn)設(shè)備就地控制、集中控制、數(shù)據(jù)上傳、遠(yuǎn)程監(jiān)視的功能。

（2）通過(guò)服務(wù)器、交換機(jī)、信號(hào)轉(zhuǎn)換器，構(gòu)建一個(gè)統(tǒng)一開放的工作面百兆以太網(wǎng)。研究不同廠家設(shè)備之間的通訊協(xié)議融合，實(shí)現(xiàn)工作面設(shè)備信息匯集，滿足工作面視頻、音頻、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的傳輸要求。

（3）采用適合于低光照度、潮濕環(huán)境下的主動(dòng)除塵攝像儀，將其部署于液壓支架、采煤機(jī)上，實(shí)現(xiàn)綜采設(shè)備運(yùn)行情況、跟機(jī)視頻切換及工作面煤巖監(jiān)視的功能，為集中控制及遠(yuǎn)程控制提供現(xiàn)場(chǎng)畫面參考。

（4）對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行技術(shù)改造或采用新型采煤機(jī)，采用采高監(jiān)測(cè)、角度監(jiān)測(cè)、紅外監(jiān)測(cè)、視頻顯示等先進(jìn)傳感設(shè)備，并根據(jù)工作面煤層厚度變化以及地質(zhì)情況，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高、調(diào)速以及記憶割煤等目的[4]。

（5）實(shí)現(xiàn)工作面支架就地控制、集中控制、遠(yuǎn)程控制及數(shù)據(jù)上傳，采用多傳感器位置及狀態(tài)識(shí)別、采煤機(jī)位置識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟機(jī)移架。

（6）地面調(diào)度室可通過(guò)系統(tǒng)軟件對(duì)遠(yuǎn)程工作面內(nèi)聯(lián)動(dòng)設(shè)備如采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)等進(jìn)行遠(yuǎn)程啟停動(dòng)作；同時(shí)收集工作面綜采設(shè)備運(yùn)行技術(shù)參數(shù)，實(shí)時(shí)上傳并生成分析報(bào)告。

（7）該系統(tǒng)主要采用RS485通信接口以及MODBUS RTU通信協(xié)議進(jìn)行通信，可對(duì)工作面三機(jī)控制系統(tǒng)、帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)等進(jìn)行自動(dòng)控制以及雙向通信，從而實(shí)現(xiàn)了三機(jī)集成控制的目的[5]；同時(shí)當(dāng)智能化控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，三機(jī)集控子系統(tǒng)可進(jìn)行獨(dú)立開機(jī)，從而保證工作面正常生產(chǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

2020年2月對(duì)94316綜采工作面安裝了一套智能化控制系統(tǒng)，截止2020年8月通過(guò)6個(gè)月實(shí)際應(yīng)用效果來(lái)看，安裝該系統(tǒng)后工作面作業(yè)人數(shù)由原來(lái)的24人減少為7人，降低了工作面勞動(dòng)作業(yè)強(qiáng)度，同時(shí)該系統(tǒng)提高了工作面所有機(jī)械設(shè)備聯(lián)動(dòng)性，提高了工作面回采效率，以及工作面機(jī)械化自動(dòng)作業(yè)水平，工作面回采速度由原來(lái)的5.2m/d提高至7.8m/d，加快了工作面回采速度，取得了顯著應(yīng)用成效。