礦井自動化綜采關(guān)鍵技術(shù)的研究

廖振華

（山西寧武德盛煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036700）

引言

隨著煤炭市場競爭的不斷加劇，各煤炭生產(chǎn)企業(yè)不斷對綜采技術(shù)方案進行升級，提升井下綜采作業(yè)效率和自動化程度。但由于煤礦井下地質(zhì)環(huán)境復雜、作業(yè)環(huán)境惡劣，在綜采作業(yè)過程中的遠程監(jiān)測均是通過各類傳感器進行，直觀性差、無法準確判斷傳感器的工作狀態(tài)是否完好，而且對液壓支架支護狀態(tài)的監(jiān)測準確性差，無法及時對支架的支護姿態(tài)進行判斷和調(diào)整，導致采煤機綜采作業(yè)過程中經(jīng)常和液壓支架出現(xiàn)片幫異常情況，給井下的綜采作業(yè)效率和綜采作業(yè)安全帶來了嚴重的隱患。因此需要在井下配備專業(yè)的人員對各類傳感器的運行狀態(tài)和液壓支架的支護狀態(tài)進行判斷和調(diào)整，而利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和高清攝像技術(shù)建立的井下高清視頻實時監(jiān)測系統(tǒng)、液壓支架姿態(tài)智能監(jiān)測和防片幫控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)“無人”化綜采作業(yè)。

1 自動化綜采控制系統(tǒng)

自動化綜采控制系統(tǒng)主要以物聯(lián)網(wǎng)為核心，將采煤機、液壓支架、刮板輸送機等綜采面作業(yè)設(shè)備連接起來，通過大量的傳感器來實現(xiàn)對各設(shè)備運行狀態(tài)的實時監(jiān)測，通過采集大量的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)和綜采作業(yè)流程優(yōu)化，設(shè)置各個設(shè)備運行間的邏輯控制關(guān)系，從而實現(xiàn)對井下綜采作業(yè)過程的自動化控制，該自動化聯(lián)控系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]。

由圖1可知，該系統(tǒng)以主動感知和自動決策為核心，主動感知主要是通過在各類設(shè)備上添加壓力傳感器、傾角傳感器、位置傳感器、高清視頻攝像儀，實現(xiàn)對井下綜采作業(yè)過程的全過程監(jiān)測。自動決策是指通過對各設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)測結(jié)果的匯總，綜合判斷各設(shè)備運行狀態(tài)是否滿足聯(lián)合綜采的需求，自動對設(shè)備運行狀態(tài)進行調(diào)整，實現(xiàn)無人化值守作業(yè)。在系統(tǒng)運行過程中，各個設(shè)備的監(jiān)測信息均通過以太網(wǎng)絡進行傳遞，滿足數(shù)據(jù)傳輸安全性和快速性的需求。

圖1 自動化綜采控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

該系統(tǒng)采用了模塊化的設(shè)計思想，能夠根據(jù)不同煤礦綜采面的布置結(jié)構(gòu)，靈活選擇智能控制系統(tǒng)中的設(shè)備，具有可靠性高、穩(wěn)定性好、適應性強的特點。

2 高清視頻監(jiān)測系統(tǒng)

由于井下液壓支架組數(shù)量大，為了減少高清視頻監(jiān)測系統(tǒng)的投入同時最大限度地消除視覺盲點[2]，因此采用了具有旋轉(zhuǎn)功能和俯仰角調(diào)節(jié)功能的高清視頻監(jiān)測儀，為了確保在低可見度下的監(jiān)測準確性，視頻監(jiān)測系統(tǒng)還具有紅外補光的功能。攝像設(shè)備具有防爆、防水功能，配有自動清洗裝置，定期自動進行噴淋清洗，確保監(jiān)測的清晰度。

根據(jù)井下液壓支架和采煤機的布置關(guān)系，結(jié)合視頻監(jiān)測設(shè)備的性能參數(shù)，以6個支架為一個監(jiān)測小單元，攝像機安裝在中間支架的頂梁上，以視頻監(jiān)測設(shè)備能夠監(jiān)控到范圍內(nèi)截割滾筒的截割情況為準。為了滿足井下復雜環(huán)境下，視頻信號傳輸?shù)木_性和快速性，系統(tǒng)以工業(yè)以太網(wǎng)為數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡的核心，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群桶踩訹3]，見圖2。

圖2 井下高清視頻監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3 支架姿態(tài)智能監(jiān)測和防片幫控制系統(tǒng)

對液壓支架支護狀態(tài)的監(jiān)測，主要是通過在支架上設(shè)置傾角傳感器、壓力傳感器、行程傳感器等，通過對支架支護高度、支護俯仰角、液壓缸工作壓力的監(jiān)測來判斷支架的支護狀態(tài)，對支架的最大支護高度、俯仰角度等設(shè)置超限報警，報警后系統(tǒng)自動對支護狀態(tài)進行調(diào)整，避免支架出現(xiàn)支護失穩(wěn)現(xiàn)象。為了避免在調(diào)節(jié)過程中各支架因支護高度不同而導致的煤矸石從夾縫中滑落傷人的情況，設(shè)置兩個相鄰支架間的支護高度差不能超過400 mm[4]，否則會觸發(fā)報警，并自動調(diào)整。

由于綜采作業(yè)高度越大，作業(yè)過程中越容易發(fā)生片幫現(xiàn)象，因此在大采高支護作業(yè)時，需要對支架的支護壓力和強度進行監(jiān)控，若各個支架超壓嚴重說明存在較大的片幫和冒頂隱患，因此控制系統(tǒng)發(fā)出報警控制信號，對液壓支架進行自動補壓和支護狀態(tài)調(diào)整，防止綜采作業(yè)過程中出現(xiàn)片幫和冒頂事故。

在液壓支架的頂部設(shè)置有接近傳感器，用于對支架護幫板是否到位進行檢查，若回收到位則不會觸發(fā)警戒信號，若出現(xiàn)回收不到位情況，則系統(tǒng)發(fā)出聲光報警同時控制停止采煤機的進給綜采作業(yè)，防止采煤機和液壓支架發(fā)生碰撞。

通過對該礦井自動化聯(lián)控綜采技術(shù)的實際應用，煤礦井下綜采面的單班作業(yè)人員由53人降低到了目前的25人，作業(yè)人數(shù)降低了52.8%，顯著提升了煤礦井下的綜采作業(yè)自動化程度。

4 結(jié)論

1）依此設(shè)計的采用模塊化的設(shè)計思想，能夠根據(jù)不同煤礦綜采面的布置結(jié)構(gòu)，靈活地選擇智能控制系統(tǒng)中的設(shè)備，自動化聯(lián)控系統(tǒng)具有可靠性高、穩(wěn)定性好、適應性強的特點；

2）高清視頻監(jiān)測系統(tǒng)能實現(xiàn)對井下綜采作業(yè)過程的高清監(jiān)控，實現(xiàn)了對綜采面采煤機、液壓支架的工作狀態(tài)進行全方位的可視化監(jiān)測；

3）支架姿態(tài)智能監(jiān)測和防片幫控制系統(tǒng)，能夠有效地提高支架支護的穩(wěn)定性，避免掘進作業(yè)過程中采煤機和支架的碰撞，提升了井下綜采作業(yè)安全性；

4）新的聯(lián)控綜采技術(shù)能夠?qū)⒕C采面作業(yè)人員數(shù)量降低52.8%，極大地提升了井下綜采作業(yè)的自動化程度。