綜放開采智能化控制系統(tǒng)研發(fā)與應用

李 偉

(山東能源集團有限公司，山東 濟南 250014)

0 引 言

綜采放頂煤是我國引領世界煤炭開采技術發(fā)展的標志性技術和成果[1]，持續(xù)推進綜采放頂煤技術的進步和發(fā)展，實現綜放開采的智能化是我國煤炭開采必須要攻克的關鍵問題，也是“機械化換人，自動化減人”科技強安專項行動及智能化煤礦建設的重大需求[2]。

自動放煤技術以及工作面裝備協(xié)調聯動是智能化綜放開采的關鍵和研究熱點。張良等[3]提出并試驗了一種基于振動信號的綜放工作面煤矸自動識別系統(tǒng)；王家臣等[4]對比了不同照度對煤矸圖像識別正確率的影響；馬英[5]基于時序放煤開發(fā)了自動化放煤系統(tǒng)；宋慶軍等[6]開發(fā)的基于聲波的放頂煤過程自動控制系統(tǒng)可識別出煤矸混合比例，實現了矸石含量的在線檢測及堵煤、卡煤故障特征識別。近年來設備協(xié)調聯動方面，通過對圍巖智能耦合控制、工作面自動找直、刮板輸送機煤流負荷平衡控制和工作面環(huán)境安全監(jiān)測聯動控制等技術攻關，在地質條件相對簡單的煤層初步實現了人工遠程干預的智能開采模式[7-8]。但受制于智能放煤制約，綜放工作面未形成完整自動化控制系統(tǒng)。

綜放實踐方面，21世紀初原兗礦集團以先進綜采放頂煤技術為依托，與天地科技股份有限公司合作發(fā)明了適宜自動化開采的兩柱掩護式綜放液壓支架，首次將電液控制系統(tǒng)應用于綜放液壓支架，實現了綜放自動化開采技術的重大突破，并推動了電液控制系統(tǒng)的國產化；2006年，國內首套年產600萬t自動化、信息化綜放成套裝備在原兗礦集團東灘煤礦得到應用，并推廣到澳大利亞，在澳斯達煤礦實現了自動化綜放開采技術的應用；“十一五”國家重點研發(fā)計劃項目“特厚煤層大采高綜放開采關鍵技術及裝備研究”和 “十二五”863 項目“兩柱式強力放頂煤應用支架研制”項目攻關，基本奠定了現有綜放裝備技術體系[9-11]；依托“十三五”國家重點研發(fā)計劃課題，提出了特厚煤層智能化綜放開采理論與關鍵技術架構[12-13]，開展了智能化綜放開采的實踐[14-15]。但仍沒有形成常態(tài)化綜放開采，與實現綜采工作面智能化尚有較大差距。

針對綜放工作面缺失完整控制系統(tǒng)，無法常態(tài)化運行的難題，在放頂煤裝備及自動化技術的基礎上，集成應用先進的技術成果，開發(fā)出綜放開采智能化控制系統(tǒng)，在鮑店煤礦7302工作面成功開展了智能化綜放技術示范，以“裝備自動控制、數據自動采集、崗位無人值守”為方向，實現了采煤機智能控制、“三機”一鍵啟停、液壓支架自動跟機、采煤機記憶截割、時間記憶自動放煤以及可視化遠程監(jiān)控等功能，打造了 “自動控制為主，人工干預為輔”的智能化綜放生產常態(tài)化運行新模式。

1 工作面及裝備概況

1.1 煤層概況

鮑店煤礦位于濟寧市境內，處于兗州煤田的中部。現井田開采深度約為-480 m。礦井開拓方式為立井多水平開拓，全礦井共劃分8個采區(qū)，現主要生產采區(qū)為五、六、七、八、十采區(qū)。工作面開采煤層為山西組的3煤。

7302工作面位于七采區(qū)西翼北部，是七采區(qū)西翼3煤層第1個區(qū)段的工作面，工作面長度為287 m，推進長度為2 132 m，儲量718.9 萬t，是公司本部乃至省內礦井中煤炭儲量最大的工作面。工作面煤層總體趨勢為西北高東南低，煤層產狀為：走向33°～105°，傾向123°～15°，煤層傾角2°～14°，平均8°。工作面煤層厚度8.16～9.69 m，平均9.04 m，具有埋藏淺、傾角小、結構簡單、厚度穩(wěn)定、幾何尺寸較大等特點，采場條件適宜智能化綜放工作面建設。

1.2 工作面設備配置

綜放開采作為厚煤層開采主要技術手段，工作面安全高效推進依賴于開采裝備的適應性和可靠性，其中放頂煤液壓支架是核心裝備。為提升放頂煤液壓支架可靠性，研究了液壓支架高壓自動補償系統(tǒng)和超大流量快速移架系統(tǒng)，支架立柱及千斤頂采用表面鍍銅、推移活塞桿激光熔覆等新技術，創(chuàng)新液壓支架生產新材料新工藝，保證工作面設備高可靠性常態(tài)化運行。綜放工作面裝備配置情況見表1。

表1 綜放工作面主要裝備Table 1 Main equipment for full-mechanized caving mining face

2 綜放工作面智能化控制系統(tǒng)

2.1 總體技術架構

為全面實現“采-放-運”高效協(xié)同運行，將工作面的工人從工作面解放出來，設計開發(fā)了一套完整的工作面自動化解決方案。工作面自動化系統(tǒng)將各個獨立的子系統(tǒng)集成，通過多種技術(控制、以太網、無線、視頻、通信、液壓等)的融合，實現工作面監(jiān)控中心對設備的整體集中自動化監(jiān)控。7302工作面綜合自動化系統(tǒng)總體架構如圖1所示。

圖1 7302綜放工作面綜合自動化系統(tǒng)總體架構Fig.1 Overall architecture of integrated automation system for No.7302 full-mechanized caving mining face

上述綜合自動化系統(tǒng)可實現以下8大基本功能：

1)一鍵啟停：系統(tǒng)自動完成設備層面的啟動條件判斷、啟動邏輯控制、停止條件判定、停止邏輯控制和意外情況造成的順序停止。

2)采煤機記憶割煤：可對整體模式、全局參數、局部模式、局部參數進行修正。

3)自動化放煤：依據記憶放煤方法，實現自動化放煤。

4)自動跟機(含斜切進刀)移架：運輸系統(tǒng)、供液系統(tǒng)等根據采煤機工況、煤流負載、液壓系統(tǒng)狀態(tài)等進行自動調節(jié)。

5)防碰撞功能：系統(tǒng)自動完成采煤機、液壓支架、刮板輸送機安全距離的監(jiān)測，避免設備干涉。

6)端頭設備聯動：依據信息監(jiān)測和視頻監(jiān)測進行聯動控制或遠程手動控制；根據端頭設備位置監(jiān)控、機頭機尾進尺監(jiān)控、偽斜角度監(jiān)控等措施對采煤工藝進行微調。

7)工藝執(zhí)行管理：對既定工藝的執(zhí)行過程、執(zhí)行結果進行有效監(jiān)測，及時反饋，根據反饋情況及時調整工藝，形成控制閉環(huán)。

8)故障管理：對可能出現的故障進行分析，實現故障分級管理；具備“帶病運行”模式，避免系統(tǒng)頻繁停機。

2.2 工作面智能化子系統(tǒng)

2.2.1 工作面監(jiān)控中心

目前綜采工作面所包含的系統(tǒng)控制方式依舊存在碎片化分布式監(jiān)控，以現有綜采工作面被控設備為基礎，建立了以集控中心為核心，工作面視頻監(jiān)控、音頻采集為輔助的集中自動化控制系統(tǒng)(圖2)。

圖2 集控中心組成Fig.2 Centralized control center

集控中心采用“集中+模塊”化設計(視頻+音頻+數據三合一交互展式、集成，集中協(xié)同調度、控制，存儲、查詢、分析)的組合式設計，能夠對液壓支架、采煤機、泵站、“三機”、巷道運輸、供配電進行協(xié)同控制及遠程監(jiān)測，實時的音視頻信息為集控中心提供輔助安全保障。

2.2.2 液壓支架電液控制系統(tǒng)

集中監(jiān)控中心與電液控系統(tǒng)采用CAN(Controller Area Network)總線協(xié)議，工作面監(jiān)控中心通過交換機向電液控制系統(tǒng)主機發(fā)送控制指令，并且電液控制系統(tǒng)開發(fā)控制權限并提供數據接口，能實現在巷道集控中心對液壓支架的遠程控制：

1)三角煤自動化功能實現。整個工作面采煤機割煤過程軌跡呈現Z字形如圖3所示，先行采煤機割透整個工作面，然后由液壓支架推行形成三角煤彎曲段，采煤機斜切進刀，然后回刀割掉三角煤，完成完整一刀的采煤過程。端部斜切進刀割三角煤時，采煤機自上端頭向下進刀割煤，待采煤機經過前溜彎曲段后，將前溜移直，采煤機向上返割三角煤，然后自上向下割至下端頭。

圖3 工作面采煤機割煤路徑Fig.3 Cutting path of shearer

2)智能時序放煤功能?；诜彭斆阂簤褐Ъ茈娨嚎刂葡到y(tǒng)，開發(fā)了智能記憶放煤方法，如圖4所示，放煤工序滯后工作面移架工序進行，滯后距離為3架。放煤工藝遵循以下原則：多輪、順序、均勻放煤、大塊破碎、見矸關門。

圖4 智能化放煤原理Fig.4 Principles of intelligent coal caving

借助放煤機構狀態(tài)多方位感知數據，以時序為調控參數，提升工作面放煤自主化性能，增強了智能放煤技術對復雜條件的適應性。

多輪放煤：在頂煤厚度達到3 m以上時，頂煤垮落以后，上位頂煤由于垮落空間有限，不能充分破碎，甚至有一部分靠近直接頂的頂煤不能垮落，如果這時全部將冒落的頂煤放出，將會造成頂煤塊度大以及部分頂煤未垮落。因此，應采用2輪或3輪放煤。即第1輪放出頂煤的1/2，其余的在第2輪全部放出。此流程通過程序加以經驗時間控制。

順序放煤：在工作面全長上應從工作面一端開始，順序打開支架放煤口進行放煤，與移架的順序保持一致。

均勻放煤：在每輪次放煤時，每個放煤口的放煤量應近似相等。一般情況下，通過控制放煤時間來控制。

大塊破碎：放煤過程中如遇見大塊煤，應及時用支架放煤機構的破煤裝置將大塊破碎。對低位放頂煤工藝而言，通過尾梁傾角傳感器控制尾梁的擺動角度，將大塊擠碎或者用插板將大塊煤搗碎。

見矸關門：當進行最后一輪放煤，在放煤口出現約30%的含矸量時，關閉放煤口，可以通過控制放煤時間來控制，在生產過程當中，可隨著煤層厚度變化以及工作面的推進調整放煤的時間參數。

2.2.3 采煤機控制系統(tǒng)

采煤機的上位機通過交換機接入到自動化平臺，實現采煤機狀態(tài)實時顯示、遠程控制、綜采設備聯動、記憶割煤、狀態(tài)數據分析和評估等功能，實現采煤機遠程化控制，如圖5所示。

圖5 采煤機遠程控制Fig.5 Remote control of shearer

2.2.4 輸送機通信控制系統(tǒng)

開發(fā)了輸送機集中控制系統(tǒng)，輸送機通信控制系統(tǒng)能夠顯示刮板輸送機、轉載機、破碎機、帶式輸送機運行數據，實現對輸送機、轉載機及破碎機等設備的集中控制，對刮板輸送機、轉載機、破碎機及帶式輸送機的單設備遠程啟?？刂?。遠程啟停控制具備如下功能：

1)單設備啟停功能，包括刮板輸送機、轉載機、破碎機(需解除聯鎖)。

2)順序開機功能，啟動順序如下：破碎機—轉載機—刮板輸送機—采煤機(存在聯鎖關系)。

3)順序停機功能，停機順序如下：采煤機—刮板輸送機—轉載機—破碎機。

4)具有急停閉鎖功能。同時，輸送機通信控制系統(tǒng)還可以實現與帶式輸送機的雙向通信，實時獲取帶式輸送機的運行狀態(tài)，若帶式輸送機處于停止狀態(tài)，自動閉鎖工作面“三機”設備。當工作面自動化系統(tǒng)出現故障時，刮板輸送機、轉載機、破碎機、巷道帶式輸送機子系統(tǒng)不受自動化系統(tǒng)制約，可以單獨開機，確保生產不受影響。

2.2.5 泵站控制系統(tǒng)

泵站乳化液配比通過交換機接入到自動化平臺上，對泵站系統(tǒng)的數據采集和運行狀態(tài)進行集中顯示，遠程啟停控制，通過變頻器調節(jié)泵流量以實現綜采系統(tǒng)自動聯動。

1)泵站系統(tǒng)數據監(jiān)測功能。泵站系統(tǒng)及乳化液配比裝置的相關運行數據經過數據通信傳輸給巷道集中控制室內的自動化主機，并在自動化主機上進行顯示，顯示內容需包含：泵站工作狀態(tài)、控制模式、泵站油溫、油位、出口壓力及壓力差、液箱液位以及乳化液配比濃度、工作狀態(tài)等所有泵站系統(tǒng)發(fā)送給自動化主機的數據信息，實現對泵站、乳化液配比設備的遠程監(jiān)測，同時將泵站運行故障報警進行集成顯示。

2)泵站系統(tǒng)數據遠程控制功能。①實現單臺乳化泵啟動、單臺乳化泵停止，單臺噴霧泵啟動、單臺噴霧泵停止，自動配比啟動、自動配比停止。②泵站聯動啟動、泵站聯動停止以及泵站系統(tǒng)急停功能。

2.2.6 工作面視頻系統(tǒng)

工作面每3個支架安裝1臺礦用本質安全型攝像儀，安裝于支架的頂梁上，兼顧煤壁和機道，進行視頻監(jiān)控、跟機視頻。輸送機機頭、轉載機、泵站處各安裝1臺礦用本質安全型攝像儀，進行實時監(jiān)控。巷道帶式輸送機機頭和機尾處各安裝1臺礦用本質安全型攝像儀，實現對設備及出煤情況的視頻監(jiān)視。在監(jiān)控中心安裝1路視頻攝像儀，地面調度中心可對監(jiān)控中心進行監(jiān)測，以防監(jiān)控中心長期處于無人狀態(tài)。

網絡攝像儀采用以太網進行視頻傳輸，攝像儀傳輸接口采用以太網電口傳輸，傳輸速率為100 Mbit/s，該攝像儀具有紅外補光功能，攝像儀通過有線或無線的方式接到基站，通過基站供電和視頻信息的傳輸。

在監(jiān)控中心配備2臺礦用本質安全型顯示器，進行工作面視頻顯示，實現在視頻顯示器上跟隨采煤機自動切換視頻攝像儀畫面，視頻顯示器傳輸接口采用以太網電口傳輸，傳輸速率為100 Mbit/s。工作面視頻接入方式如圖6所示。

圖6 工作面視頻接入方式Fig.6 Connection of video system

2.2.7 工業(yè)以太網及無線信號

工作面光纖以太網主要由本質安全型無線基站、礦用隔爆兼本質安全型電源、光纖快插連接器等組成?；景惭b在支架頂梁上以及巷道壁上，工作面每6架安裝1臺，巷道輸送帶每300 m安裝1臺。每臺基站需要1臺電源供電。基站與基站之間采用快插光纖連接器橋接，帶寬可達到千兆。每臺基站帶有3路以太網接口，可連接2臺本安攝像儀，同時給攝像儀提供電源?；編в腥蛱炀€，可實現2.4 G的WiFi接入，同時還配有2路RS485接口。

2.2.8 手持終端

無線基站通過2.4G無線AP接入，實現整個工作面WIFI覆蓋。覆蓋范圍內可使用本安手機，手機安裝APP軟件實現功能如下：工作面“三機”、泵站、輸送帶遙控；顯示與地面視頻通話；實現工作面工業(yè)視頻畫面監(jiān)控；顯示與沿線擴音電話通話；實現工作面工況數據監(jiān)測。

2.2.9 巷道輸送帶智能調速系統(tǒng)

巷道輸送帶采用變頻器驅動，為了實現運行過程中可根據煤量智能調速，在轉載機上安裝一個超聲波煤流傳感器(圖7)。傳感器通過在電子單元的控制下，探頭向被測物體發(fā)射一束超聲波脈沖。聲波被物體表面反射，部分反射回波由探頭接收并轉換為電信號。從超聲波發(fā)射到重新被接收，其時間與探頭至被測物體的距離成正比。電子單元檢測該時間，并根據已知的聲速計算出被測距離，通過減法運算就可得出物位值。

圖7 超聲波煤流傳感器Fig.7 Ultrasonic coal flow sensor

數據傳輸到監(jiān)控中心后臺計算機，計算機建立數學模型通過積分算出煤流體積和煤量，然后控制變頻器進行調速。

2.2.10 人員定位及環(huán)境監(jiān)測聯動

工作面自動化系統(tǒng)為環(huán)境安全監(jiān)測系統(tǒng)預留接口，在監(jiān)控中心顯示并實現聯動保障。當發(fā)生災害報警時，工作面會立即斷電停車，系統(tǒng)報警，指示人員回撤。

人員定位信息可在綜采工作面集中控制中心顯示，并實現聯動保障，并滿足以下功能：①實時監(jiān)測當前井下人員動態(tài)；②定位井下人員位置；③在工作面設定安全區(qū)，對重要綜采設備設立安全區(qū)。

3 智能綜放技術系統(tǒng)應用

綜放智能化控制系統(tǒng)集成應用了工作面時序智能放煤、采煤機智能化截割等關鍵技術，實現了工作面采煤機、刮板輸送機和液壓支架智能化協(xié)同控制采煤作業(yè)的目的，形成了一套集智能化傳感、工業(yè)以太網、智能控制軟件和智能監(jiān)控中心為一體的成套裝備與智能開采工藝(圖8)。

圖8 7302綜放工作面井下運行情況Fig.8 Running situation of No.7302 fully-mechanized caving mining face

3.1 系統(tǒng)工業(yè)試驗原則

為實現常態(tài)化運行，工業(yè)試驗過程中，加強技術和管理創(chuàng)新：

1)嚴抓關鍵環(huán)節(jié)管控。建立采區(qū)遠距離無人值守集中供液系統(tǒng)，配備大流量變頻驅動泵站，有效緩沖液壓脈動，實現恒壓供液；選用20 t/h凈水裝置，實現乳化液純凈水配制，采用4級高精度過濾，確保用液清潔度。

2)優(yōu)化智能開采工藝。積極優(yōu)化跟機控制和支架動作程序，對拉移超前支架進行智能識別處理。精準測量、記錄、比對、優(yōu)化放煤時間、放煤傾角等相關參數，單輪放煤時間由26 s縮減至13 s，雙輪順序放煤支架間隔由5架調整為10架。采煤機依據示范刀記憶采高、速度等相關數據，進行智能化運算，形成記憶截割模板，并可在自動截割過程中不斷修正誤差，實現自動調高、挖底、加速和減速等控制功能。

3)健全崗位標準。制定了《智能采煤工作面技術規(guī)范》，明確職工培訓、材料投入、生產調度等相關責任單位和人員作業(yè)標準，強化技術、裝備、資金、人才等保障措施。

3.2 系統(tǒng)工業(yè)性試驗成果

通過井下工業(yè)性試驗，該套系統(tǒng)達到以下指標：

1)通過完善的智能化開采設備配套，實現了煤礦智能化綜放開采的常態(tài)化應用，液壓支架自動跟機率達75%以上，時序自動放煤率達70%以上，達到了綜采工作面年產1 000 萬t的生產能力，工作面內作業(yè)人員從原來的9人減為4人，實現了煤礦高產高效綠色安全開采的目標。

2)采煤機通過對搖臂采高傳感器零點校準和線性系數的校準，其檢測精度優(yōu)于3 cm，滿足記憶割煤調高需求，并保證端點特別是輸送機機頭機尾的精度，保證記憶割煤時的位置要求，確保采煤機在工作面的行程安全。

3)經過對采煤機記憶截割功能的測試，系統(tǒng)能夠支持井下工作面復雜端頭截割作業(yè)循環(huán)，控制操作方便快捷、煤機主顯示屏、帶真彩顯示端頭站和遠程顯示信息準確，自動截割端點位置定位精確，左右滾筒截割高度重復精度高，具有很強的實用性，記憶截割開機率達到85%以上。

4)智能刮板輸送機實現了自動張緊、智能調速等功能，全面降低了刮板輸送機的能源消耗、設備磨損，在顯著提高生產效率的同時提高設備可靠性、延長設備使用壽命，實現了綜采設備采煤機、液壓支架、刮板輸送機“三機”的智能化協(xié)同控制。

目前研制的智能化綜放控制系統(tǒng)以及形成的智能綜放模式現已在東灘、興隆和趙樓等多處煤礦得到推廣應用。

4 結 論

1)在當前的技術條件下，有穩(wěn)定可控的工作面條件仍是實現智能開采的基礎。7302工作面整體地質條件簡單，煤層賦存條件好，為智能化建設提供了良好的平臺。

2)裝備的適應性和可靠性是智能化的基礎。高工作阻力液壓支架、高可靠性采煤機、大功率高運能刮板輸送機以及泵站等為工作面智能化運行奠定了裝備基礎。

3)綜放開采智能化控制系統(tǒng)與現場管理的結合是實現常態(tài)化運行的保障。液壓支架記憶放煤、采煤機記憶截割、三角煤截割工藝、輸送系統(tǒng)聯動運行、泵站自動控制等關鍵技術和控制系統(tǒng)，必須在實踐中不斷完善，加強現場管理，才有效實現智能化功能。

4)鮑店煤礦7302工作面智能化綜放實踐，減少了煤礦井下綜采工作面的人員數量，降低了生產設備的能耗，向煤礦綠色開采推進了一步，帶動了我國相關研究單位和企業(yè)在自動化、智能化、高端材料、關鍵制造工藝等方面的整體技術進步，為資源環(huán)境技術領域相關的科技研發(fā)工作和相關學科積累了實踐經驗。