智能化采煤工作面生產(chǎn)系統(tǒng)建設(shè)研究

陳明生

（山西焦煤集團(tuán)西山煤電股份有限公司鎮(zhèn)城底礦，山西 古交 030203）

1 工程概況

鎮(zhèn)城底礦22603 工作面地表位于王家坡西，區(qū)域可采煤層為2#、3#煤層，煤層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，均厚3.2 m。工作面采用走向長(zhǎng)壁后退式綜合機(jī)械化一次采全高采煤法，全部垮落法管理頂板，割煤高度2.34～3.2 m。22603 工作面作為礦井主要接替工作面，開采強(qiáng)度較大，對(duì)開采設(shè)備的操作要求較高，工作面回采期間，巷道圍巖變形程度大。針對(duì)以上問(wèn)題，提出在22603 工作面構(gòu)建智能化綜采工作面的構(gòu)想，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)工作面的遠(yuǎn)程集控智能化運(yùn)營(yíng)。

2 順槽控制系統(tǒng)

鎮(zhèn)城底礦22603 工作面采用KTC101 型集控系統(tǒng)作為對(duì)整個(gè)智能化工作面信息集成控制的平臺(tái)，其中，KTC101-Z-BP 型主控制器主要用于整個(gè)變頻系統(tǒng)的檢測(cè)與控制，KTC101-Z 型主控制器主要用于三機(jī)設(shè)備的預(yù)警與控制。順槽控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)智能化工作面建設(shè)的關(guān)鍵核心，工作面所有的采集數(shù)據(jù)均通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)連接至順槽控制中心，通過(guò)工控平臺(tái)對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別分析，采用預(yù)警機(jī)制，生成科學(xué)的運(yùn)行規(guī)劃。在工作面回采期間，根據(jù)刮板輸送機(jī)移動(dòng)的位置軌跡，對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行路徑進(jìn)行設(shè)計(jì)，制定液壓支架耦合自適應(yīng)的規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)工作面智能化生產(chǎn)。順槽控制系統(tǒng)能夠按照設(shè)定的周期生成設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)統(tǒng)計(jì)報(bào)告，通過(guò)對(duì)出現(xiàn)異常的關(guān)鍵性指標(biāo)進(jìn)行分析，有效地反映設(shè)備故障原因，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的有效維護(hù)，以及傳統(tǒng)更換式維護(hù)向智能化預(yù)防式服務(wù)的平穩(wěn)過(guò)渡[1]。

工控平臺(tái)是智能化工作面控制系統(tǒng)的核心部分，具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析與自主決策功能，同時(shí)支持多種通訊協(xié)議。順槽控制中心工控平臺(tái)能夠?qū)崟r(shí)顯示設(shè)備的運(yùn)行狀況，根據(jù)設(shè)備運(yùn)行規(guī)律，生成運(yùn)行規(guī)劃。該平臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、設(shè)備控制、數(shù)據(jù)分析、智能控制以及保護(hù)功能[2]。

（1）數(shù)據(jù)采集功能是工控平臺(tái)的基礎(chǔ)功能，主要通過(guò)交換機(jī)來(lái)反饋工作面設(shè)備、環(huán)境監(jiān)測(cè)與人員定位信息。

（2）數(shù)據(jù)顯示功能具備生成和顯示工作面三維立體圖、工作面各設(shè)備組件運(yùn)行、受力情況以及設(shè)備維護(hù)狀態(tài)的作用。順槽控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示示意如圖1。

圖1 順槽控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示示意圖

（3）設(shè)備控制功能包括設(shè)備間聯(lián)動(dòng)、設(shè)備環(huán)境聯(lián)動(dòng)與設(shè)備人員聯(lián)動(dòng)，主要實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)與液壓支架防碰撞、采煤機(jī)與三機(jī)載荷平衡、工作面瓦斯?jié)舛群筒擅簷C(jī)聯(lián)動(dòng)、工作面粉塵和液壓支架噴霧聯(lián)動(dòng)、液壓支架和泵站聯(lián)動(dòng)等功能。

（4）數(shù)據(jù)分析功能是實(shí)現(xiàn)智能化工作面建設(shè)的基本前提，主要包含對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行維護(hù)狀態(tài)以及視頻圖像識(shí)別等多種綜合性功能，利用傳感器監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面任意時(shí)間段內(nèi)產(chǎn)量、推進(jìn)度、設(shè)備開機(jī)率、液壓系統(tǒng)壓力、液壓支架關(guān)鍵部分應(yīng)力、機(jī)械設(shè)備振動(dòng)狀態(tài)、工作面片幫冒頂?shù)淖R(shí)別與分析功能。

（5）智能控制功能建立于工控平臺(tái)數(shù)據(jù)分析功能的基礎(chǔ)之上，通過(guò)將生產(chǎn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)與系統(tǒng)設(shè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，科學(xué)地形成運(yùn)行規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的整體協(xié)調(diào)、修正功能。其工作內(nèi)容主要包括對(duì)工作面推進(jìn)直線度、液壓支架耦合自適應(yīng)、采煤機(jī)智能化路徑以及三機(jī)自移控制等。

（6）保護(hù)功能主要承載對(duì)設(shè)備工作環(huán)境、人員的保護(hù)，包括對(duì)工作面煤壁片幫、頂板冒落、采煤機(jī)和液壓支架碰撞、電機(jī)過(guò)載以及施工人員人身安全的保護(hù)。

3 液壓支架及超前支架電液控制系統(tǒng)

電液控制系統(tǒng)主要執(zhí)行對(duì)工作面液壓支架與超前支架的控制功能，同時(shí)兼做工作面的數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)。智能電液控制系統(tǒng)采用以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制方式，較之于傳統(tǒng)通過(guò)CAN 總線控制方式而言，數(shù)據(jù)傳輸效率、控制范圍與執(zhí)行能力大大提高。通過(guò)工控平臺(tái)的控制，電液系統(tǒng)能夠?qū)植恳约叭ぷ髅娣秶鷥?nèi)液壓支架的運(yùn)行姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的修正與調(diào)整，精確高效地完成支架單架或成組動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓支架的自適應(yīng)控制[3]。

液壓支架及超前支架電液控制系統(tǒng)主要由上位機(jī)、控制器、傳感器、液壓主閥和供電系統(tǒng)五大部分構(gòu)成。其中，控制器、傳感器與液壓主閥相連，控制器下連LED 照明燈、視頻攝像頭，控制器之間通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)conm/4c 型電纜連接，形成電液控制系統(tǒng)，并由交換機(jī)接入至工控平臺(tái)。智能化工作面電液控制系統(tǒng)連接示意如圖2。

圖2 智能化工作面電液控制系統(tǒng)連接示意圖

液壓支架及超前支架電液控制系統(tǒng)采用分層技術(shù)將液壓支架的運(yùn)行狀態(tài)、數(shù)據(jù)分析顯示集成于同一界面上。該控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)支架運(yùn)行狀態(tài)顯示、支架運(yùn)行控制、無(wú)線遙控、急停閉鎖、采煤機(jī)路徑設(shè)計(jì)規(guī)劃以及礦壓分析與預(yù)警等功能。其中，支架運(yùn)行狀態(tài)顯示功能主要具備直觀顯示支架立柱壓力、煤機(jī)位置方向、采煤機(jī)推移軌跡行程、位置與支架護(hù)幫板狀態(tài)等；支架運(yùn)行控制功能主要通過(guò)控制相鄰支架或隔架的單組動(dòng)作與組合動(dòng)作，執(zhí)行跟機(jī)自動(dòng)化動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)三角煤的自動(dòng)截割功能；無(wú)線遙控功能主要是通過(guò)無(wú)線遙控指令，遠(yuǎn)程指導(dǎo)工作面支架與超前支架的推進(jìn)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)工作面智能化支護(hù)工藝；急停閉鎖功能主要實(shí)現(xiàn)針對(duì)突發(fā)事件下對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)的有效控制，當(dāng)工作面出現(xiàn)突發(fā)情況時(shí)，通過(guò)控制急停按鈕，停止設(shè)備運(yùn)行，確保工作面人員與設(shè)備的安全；采煤機(jī)路徑設(shè)計(jì)規(guī)劃功能主要通過(guò)工控平臺(tái)智能控制功能，形成路徑運(yùn)行規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)智能化控制[4]；礦壓分析與預(yù)警功能通過(guò)接收工控平臺(tái)的礦壓規(guī)劃指令，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)工作面頂板初期來(lái)壓與周期來(lái)壓強(qiáng)度、周期的有效分析，從而對(duì)下一次頂板來(lái)壓情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，有效預(yù)防頂板災(zāi)害的出現(xiàn)。

4 三機(jī)控制系統(tǒng)

工作面設(shè)備的“三直兩平”是檢驗(yàn)智能化工作面建設(shè)與實(shí)現(xiàn)礦井安全高效生產(chǎn)的關(guān)鍵性指標(biāo)。三機(jī)控制系統(tǒng)以對(duì)采煤機(jī)的精確定位為基礎(chǔ)，利用行程傳感器、圖像識(shí)別技術(shù)與工控平臺(tái)的數(shù)據(jù)分析處理功能，生成刮板輸送機(jī)的運(yùn)行軌跡曲線，并在此基礎(chǔ)上，實(shí)時(shí)調(diào)整工作面液壓支架的位置，實(shí)現(xiàn)工作面液壓支架、刮板輸送機(jī)與采煤機(jī)的平直。此外，三機(jī)控制系統(tǒng)能夠通過(guò)工控平臺(tái)分析處理工作面端頭的視頻數(shù)據(jù)，對(duì)大塊煤體進(jìn)行有效識(shí)別與處理，避免轉(zhuǎn)載機(jī)受到損壞。

針對(duì)鎮(zhèn)城底礦22603 工作面的地質(zhì)構(gòu)造及開采情況，引進(jìn)3 臺(tái)型號(hào)為VJYJVFG-500M4-4T3300V/1200kW 的高壓變頻一體機(jī)驅(qū)動(dòng)工作面刮板輸送機(jī)、 一臺(tái)型號(hào)為VJVFT-400L-4T1140V/500kW 的一體機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)載機(jī)。

三機(jī)控制系統(tǒng)主要由三機(jī)就地控制箱、數(shù)據(jù)交換機(jī)和工控平臺(tái)三部分構(gòu)成。三機(jī)就地控制箱通過(guò)工作面數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)與工控平臺(tái)相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換與傳輸。三機(jī)控制系統(tǒng)布置示意如圖3。

5 采煤機(jī)控制系統(tǒng)

采煤機(jī)控制系統(tǒng)是智能化工作面建設(shè)的重要組成部分，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)對(duì)煤炭資源高效回采的關(guān)鍵性技術(shù)核心。采煤機(jī)控制系統(tǒng)分為采煤機(jī)就地控制與工控平臺(tái)兩大部分，具有規(guī)劃采煤機(jī)采煤路徑、安全防護(hù)、實(shí)現(xiàn)綜采與環(huán)境聯(lián)動(dòng)等功能。采煤機(jī)數(shù)據(jù)傳輸采用雙向傳輸?shù)姆绞?，既可以通過(guò)自身的數(shù)據(jù)線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，也能夠借助工作面數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)完成對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸與接收，具有較強(qiáng)的反干擾能力與環(huán)境適應(yīng)度。

采煤機(jī)控制系統(tǒng)主要由上位機(jī)、工控平臺(tái)、數(shù)據(jù)交換機(jī)三大部分組成。控制系統(tǒng)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，生產(chǎn)數(shù)據(jù)通過(guò)工作面的數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)接入至工控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸通信功能。采煤機(jī)控制系統(tǒng)連接示意如圖4。

圖3 三機(jī)控制系統(tǒng)布置示意圖

圖4 采煤機(jī)控制系統(tǒng)連接示意圖

采煤機(jī)控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)路徑規(guī)劃與控制。目前，對(duì)于巷道頂?shù)装宸€(wěn)定、賦存結(jié)構(gòu)沒有明顯變化的情況，智能化工作面采用的采煤機(jī)記憶截割方式已取得了一定成效，但對(duì)于巷道頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作面變化較大的情況，智能化采煤作業(yè)仍存在一定的局限性。為有效解決這一難題，實(shí)現(xiàn)采煤作業(yè)的平穩(wěn)推進(jìn)，采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)通過(guò)工控平臺(tái)的數(shù)據(jù)處理分析，生成采煤機(jī)下六刀的路徑規(guī)劃，通過(guò)順槽控制室內(nèi)的采煤機(jī)上位機(jī)上輸入工作面高度修正值的方式，獲取與工作面地質(zhì)構(gòu)造相適應(yīng)的截割曲線，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤層的高效智能化截割。該系統(tǒng)較之傳統(tǒng)采煤機(jī)記憶截割工藝，在精度與適應(yīng)上明顯提高[5]。智能化采煤機(jī)路徑規(guī)劃對(duì)比示意如圖5。

圖5 智能化采煤機(jī)路徑規(guī)劃對(duì)比示意圖

6 實(shí)踐效果

鎮(zhèn)城底礦22603 工作面構(gòu)建智能化工作面控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了綜采工作面自行感知、決策及生產(chǎn)設(shè)備自動(dòng)協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)等智能化開采模式，大大降低了人力投入，提高了回采安全性。鎮(zhèn)城底礦22603 工作面施行智能化工作面期間，操作人員由14 人減少至3 人，液壓支架調(diào)直誤差平均降低了38%以上，工作面回采安全性與效率得到了有效保障。

7 結(jié)語(yǔ)

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與傳統(tǒng)工業(yè)的深度融合，以智能化生產(chǎn)驅(qū)動(dòng)煤礦建設(shè)、實(shí)現(xiàn)工業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)改造的趨勢(shì)成為熱潮，煤礦的安全高效開采與智慧化礦山建設(shè)的聯(lián)系愈發(fā)緊密。本文以煤礦智能化工作面生產(chǎn)系統(tǒng)建設(shè)為背景，通過(guò)融合采煤機(jī)自動(dòng)截割、液壓支架及端頭支架的自動(dòng)移架、運(yùn)輸系統(tǒng)智能運(yùn)行等關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建了智能化工作面生產(chǎn)系統(tǒng)的基本雛形，旨在構(gòu)建高效智能的開采生產(chǎn)體系，實(shí)現(xiàn)整個(gè)工作面的“有人巡視、無(wú)人操作、遠(yuǎn)程干預(yù)、安全高效、綠色節(jié)能”的智慧運(yùn)營(yíng)。