前灣煤業(yè)2S202-1綜采工作面的智能化升級(jí)設(shè)計(jì)

高建新

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 鄉(xiāng)寧042100）

0 引言

隨著國(guó)家科技水平的不斷發(fā)展，將更加先進(jìn)的智能化、自動(dòng)化控制技術(shù)應(yīng)用到煤礦開(kāi)采中，實(shí)現(xiàn)整個(gè)工作面的全面、自動(dòng)化無(wú)人開(kāi)采，已成為當(dāng)前實(shí)現(xiàn)工作面提升改造的重要方向[1]。目前，現(xiàn)有的工作面現(xiàn)場(chǎng)，主要以人員操作為主，雖使用了部分自動(dòng)化設(shè)備，但存在設(shè)備的智能化程度較低、功能單一等問(wèn)題，無(wú)法有效獲取及遠(yuǎn)程控制該些設(shè)備的關(guān)鍵參數(shù)及操作，工作面的全面協(xié)調(diào)性相對(duì)較弱，這給煤礦的開(kāi)采效率及作業(yè)安全性提升造成了重要影響[2]。為此結(jié)合鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)前灣煤業(yè)有限公司2S202-1綜采工作面的特點(diǎn)，開(kāi)展了該工作面的智能工作面提升改造設(shè)計(jì)，最終通過(guò)實(shí)際運(yùn)行驗(yàn)證了改造后的智能工作面的可靠性及穩(wěn)定性，這對(duì)提升現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)安全及企業(yè)經(jīng)濟(jì)收入具有重要意義。

1 2S202-1綜采工作面概況分析

鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)前灣煤業(yè)2S202-1綜采工作面走向長(zhǎng)度332 m，傾向長(zhǎng)度75 m，主要開(kāi)采2號(hào)煤層，埋藏深度189 m，煤層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，煤層厚度2.8～3.38 m，平均為3m，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，含0～2層夾矸；頂板主要為粉砂巖，局部為泥巖或砂質(zhì)泥巖，底板多為泥巖，局部為粉砂巖；煤層傾角平均為5°，2號(hào)煤層煤質(zhì)為焦煤，經(jīng)鑒定煤層有爆炸性為II級(jí)自燃煤層。經(jīng)過(guò)對(duì)該工作面中礦井瓦斯等級(jí)鑒定可知：該工作面的瓦斯涌出量1.79 m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量1.42 m3/t，采面最大絕對(duì)瓦斯涌出量0.79 m3/min，掘進(jìn)面最大絕對(duì)瓦斯涌出量0.16 m3/min，鑒定為低瓦斯礦井。同時(shí)，工作面中煤層本井田范圍內(nèi)為穩(wěn)定全區(qū)可采煤層，該工作面在掘進(jìn)期間運(yùn)輸順槽、回風(fēng)順槽均無(wú)斷層和陷落柱等導(dǎo)水構(gòu)造。

2 智能工作面系統(tǒng)概述

目前，大力發(fā)展智能工作面已成為當(dāng)前煤礦領(lǐng)域重點(diǎn)發(fā)展及提升的方向，但對(duì)智能化工作的定義卻有所不同[3]。經(jīng)過(guò)行業(yè)的一致探討和論證后確定，所謂的智能工作面建設(shè)主要是指在工作區(qū)域以外的地點(diǎn)實(shí)施整個(gè)工作面的遠(yuǎn)程操作和遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)工作面中無(wú)人化或較少人員的煤礦開(kāi)采工作面建設(shè)。整個(gè)智能工作面的建設(shè)是一個(gè)大的系統(tǒng)建設(shè)，包括了各類(lèi)煤礦開(kāi)采設(shè)備的遠(yuǎn)程控制子系統(tǒng)、工作面監(jiān)控子系統(tǒng)、工作面集中控制子系統(tǒng)、各工作面之間的通訊系統(tǒng)等，各子系統(tǒng)之間通過(guò)以太網(wǎng)、無(wú)線網(wǎng)的全面覆蓋，配備相應(yīng)的硬件、軟件及網(wǎng)絡(luò)通信等多塊連接，完成對(duì)整個(gè)智能工作面的建設(shè)[4]。目前，部分煤礦企業(yè)所建立的智能工作面相對(duì)較為狹窄，僅針對(duì)采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行了遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的建立，缺乏工作面系統(tǒng)的完整性，其他分塊的建設(shè)或規(guī)劃較為不明確，這使得整個(gè)工作面的建設(shè)、運(yùn)行、維護(hù)等方面存在較大困難。

3 智能工作面系統(tǒng)構(gòu)建

結(jié)合前文分析，經(jīng)過(guò)全面研究后，確定了2S202-1綜采工作面在智能工作面建設(shè)中所需重點(diǎn)考慮的子系統(tǒng)包括：采煤機(jī)智能控制子系統(tǒng)、液壓支架電控子系統(tǒng)、工作面集中控制子系統(tǒng)、通訊網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)、工作面視頻監(jiān)控子系統(tǒng)、智能集中供液子系統(tǒng)等6大方向，結(jié)合該工作面的實(shí)際情況，對(duì)該些子系統(tǒng)的硬件、軟件、通訊等方面進(jìn)行具體設(shè)計(jì)和相互串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)工作面的全面布局及設(shè)計(jì)研究[5]。下面就該工作面中關(guān)鍵子系統(tǒng)進(jìn)行重點(diǎn)分析。

3.1 采煤機(jī)智能控制子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于采煤機(jī)為一套復(fù)雜的煤礦開(kāi)采設(shè)備，在其智能控制子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需實(shí)現(xiàn)該設(shè)備的遠(yuǎn)程操作控制、運(yùn)行參數(shù)檢測(cè)、故障異常報(bào)警、設(shè)備自行診斷、數(shù)據(jù)參數(shù)實(shí)時(shí)顯示等功能，因此，所設(shè)計(jì)的控制子系統(tǒng)采用了模塊化設(shè)計(jì)，包括了DSP數(shù)據(jù)處理器、油溫傳感器、油箱液位傳感器、傾角傳感器、旋轉(zhuǎn)編碼器、CAN總線通訊、智能顯示儀表、電控箱等部件，其中，DSP數(shù)據(jù)處理器采用了32位的CAN總線進(jìn)行通訊連接，可完成采煤機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)采集、計(jì)算、分析、判斷、數(shù)據(jù)記憶及保存等功能，數(shù)據(jù)響應(yīng)時(shí)間小于22ms；壓力傳感器選用了GYD60-Y2型，液位傳感器選用了GYL60-Y2型，傾角傳感器選用了SST800型。整套控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)CAN通訊后，通訊速率達(dá)到了250 kbps。另外，在采煤機(jī)的高速和低速轉(zhuǎn)軸上分別安裝了振動(dòng)加速傳感器，所采集數(shù)據(jù)直接傳遞至DMX采集單元后，經(jīng)過(guò)DSP處理器的分析計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)轉(zhuǎn)軸運(yùn)行狀態(tài)及壽命的實(shí)時(shí)監(jiān)控。采煤機(jī)上部分檢測(cè)元器件安裝位置示意圖如圖1所示。

圖1 采煤機(jī)上部分檢測(cè)元器件安裝位置示意圖

3.2 液壓支架電控子系統(tǒng)

液壓支架電控子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)液壓支架的作業(yè)姿態(tài)、工作參數(shù)、操作動(dòng)作等進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)及控制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由若干個(gè)控制單元組成，其中硬件部分設(shè)計(jì)了PLC控制器、壓力傳感器、傾角傳感器、行程傳感器、紅外線接收器、驅(qū)動(dòng)器、CAN總線通訊電纜等組成，各檢測(cè)元件在采集到液壓支架相關(guān)參數(shù)后，傳輸至PLC控制器進(jìn)行計(jì)算、判斷處理，并將計(jì)算結(jié)果傳輸至計(jì)算機(jī)中，實(shí)時(shí)掌握并控制液壓支架的工作狀態(tài)，系統(tǒng)的通訊傳輸速率達(dá)到了260 kbps[6]，液壓支架上部位元器件安裝位置示意圖如圖2所示。在此系統(tǒng)中，通過(guò)所安裝的傾角傳感器的相互串聯(lián)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備中掩護(hù)梁、頂梁、前連桿等部件的作業(yè)姿態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到傾角超過(guò)設(shè)置的閥值時(shí)，系統(tǒng)中控制器則會(huì)自動(dòng)執(zhí)行傾角角度的調(diào)整，使液壓支架保存最佳的作業(yè)，若傾角無(wú)法準(zhǔn)確調(diào)整時(shí)，則會(huì)發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警，由控制中心的操作人員進(jìn)行人工操作調(diào)整。

圖2 液壓支架上部位元器件安裝位置示意圖

3.3 工作面集中控制子系統(tǒng)

此工作面中的集中控制子系統(tǒng)主要安裝在工作面的順槽中，設(shè)計(jì)了控制器車(chē)廂及人員操作車(chē)廂，其中，人員操作車(chē)廂中設(shè)計(jì)了4臺(tái)計(jì)算及顯示器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)工作面中相關(guān)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面中的集體調(diào)度?？刂破鬈?chē)廂中設(shè)置了3臺(tái)PLC控制器、交換機(jī)、后備電源等，數(shù)據(jù)信號(hào)的傳遞主要通過(guò)RS485進(jìn)行傳輸，其中，PLC可有效協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)的運(yùn)行情況，保證各設(shè)備之間能實(shí)現(xiàn)有效的作業(yè)協(xié)調(diào)。工作面的集中控制系統(tǒng)框架圖如圖3所示。另外，通過(guò)此子系統(tǒng)，可將整個(gè)工作面的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，并通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的資源傳輸與共享。

圖3 工作面的集中控制系統(tǒng)框架圖

4 工作面可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)確定

4.1 采煤機(jī)智能控制子系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)確定

結(jié)合前文所設(shè)計(jì)的采煤機(jī)智能控制子系統(tǒng)，為掌握其系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性及穩(wěn)定性，對(duì)其運(yùn)行時(shí)的6個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，主要包括采煤機(jī)狀態(tài)識(shí)別、GIS定位與煤巖識(shí)別、采煤機(jī)滾筒高度調(diào)節(jié)等指標(biāo)，具體框架如圖4所示。其中，采煤機(jī)狀態(tài)識(shí)別指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)則融合了多種智能化傳感技術(shù)，通過(guò)檢測(cè)采煤機(jī)上電機(jī)、搖臂等多個(gè)部件的參數(shù)，經(jīng)過(guò)CAN總線的信號(hào)傳輸和處理器的計(jì)算，完成對(duì)該指標(biāo)的計(jì)算評(píng)價(jià)。

圖4 采煤機(jī)智能控制子系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)框架圖

4.2 液壓支架控制子系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)

液壓支架作為一套復(fù)雜的作業(yè)設(shè)備，其作業(yè)過(guò)程中所涉及到的動(dòng)作相對(duì)較多，為掌握液壓支架作業(yè)過(guò)程的可靠性，確定了其系統(tǒng)運(yùn)行的評(píng)價(jià)指標(biāo)，包括：支架護(hù)幫與智能預(yù)警系統(tǒng)、支架姿態(tài)識(shí)別控制系統(tǒng)等，具體框架如圖5所示。通過(guò)對(duì)此些分系統(tǒng)的獨(dú)立評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)液壓支架運(yùn)行狀態(tài)的綜合評(píng)估。

圖5 液壓支架控制子系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)框架圖

4.3 工作面集中控制子系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)

根據(jù)2S202-1綜采工作面特點(diǎn)，為掌握該工作面中控制子系統(tǒng)的綜合性能，確定了此工作面中集中控制子系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，包括：一鍵啟停、人員監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、工作面設(shè)備人員干預(yù)控制系統(tǒng)等，具體如圖6所示。通過(guò)對(duì)各指標(biāo)系統(tǒng)運(yùn)行情況的評(píng)價(jià)，全面掌握整套集中控制子系統(tǒng)的綜合性能。

圖6 工作面集中控制子系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)圖

5 工作面系統(tǒng)應(yīng)用評(píng)價(jià)效果分析

結(jié)合前文建立的各分系統(tǒng)及系統(tǒng)運(yùn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)情況，通過(guò)將近6個(gè)月運(yùn)行測(cè)試，得到了各子系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果，結(jié)果顯示：采煤機(jī)、液壓支架、工作面集中控制等子系統(tǒng)的運(yùn)行均較為良好，能通過(guò)控制中心對(duì)各設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操作與控制，并在顯示器中實(shí)時(shí)顯示設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，此過(guò)程，設(shè)備作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)幾乎實(shí)現(xiàn)了無(wú)人化操作，人員只需根據(jù)顯示界面發(fā)出的異常情況進(jìn)行有針對(duì)性的處理。由于井下環(huán)境的惡劣性及特殊性，系統(tǒng)中部分元器件出現(xiàn)了異常問(wèn)題，此時(shí)，系統(tǒng)則及時(shí)通過(guò)顯示器進(jìn)行了故障異常報(bào)警提示，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)工作面的智能化監(jiān)測(cè)與控制。據(jù)該工作面負(fù)責(zé)人介紹，所建立的智能工作面與同類(lèi)相比，具有更高的智能化控制程度，控制全面性更廣。預(yù)估在設(shè)備維修費(fèi)用、人工成本、產(chǎn)能提升等方面，每年可為企業(yè)帶來(lái)將近100萬(wàn)元以上經(jīng)濟(jì)效益，得到了一致好評(píng)，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性及可行性。

6 結(jié)論

將當(dāng)前更加成熟的智能化控制技術(shù)應(yīng)用到工作面的建設(shè)及操作中，實(shí)現(xiàn)整個(gè)工作面的全面協(xié)調(diào)控制，已成為當(dāng)前提示工作面作業(yè)安全性的重要方向。為此，結(jié)合2S202-1綜采工作面的特點(diǎn)，開(kāi)展了該工作面的智能工作面建設(shè)，通過(guò)確定各子系統(tǒng)的運(yùn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)和實(shí)際運(yùn)行測(cè)試，得出：該工作面中各子系統(tǒng)運(yùn)行良好，具有更加智能的遠(yuǎn)程操作控制性能，工作面的系統(tǒng)完整性更加全面，提高了工作面的作業(yè)安全性及可靠性，也將給企業(yè)帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)效益，具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。