煤礦井下智能綜采體系在木瓜礦10-202工作面的應(yīng)用

杜 輝

（霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電公司，山西 呂梁 033102）

0 引言

霍州煤電木瓜礦10-202工作面位于南區(qū)準(zhǔn)備巷道左翼，開采煤層為9+10，平均厚度6.35 m，順槽長度580 m，切巷長度240 m，地質(zhì)儲量94萬t。煤層上部即為老頂，為石灰?guī)r，平均厚度5.15 m，質(zhì)地堅(jiān)硬，但裂隙發(fā)育，隨采隨落；直接底為泥巖，老底為鋁質(zhì)泥巖。為方便超前支架使用，兩巷均已硬化。工作面周圍均為實(shí)體煤巖層，相鄰煤層為實(shí)體煤層，以北靠近鼎盛陶瓷土礦工業(yè)廣場保安煤柱，以南緊鄰南區(qū)左翼3條大巷，以西為實(shí)體煤，以東為實(shí)體煤。在井下綜采面分布著采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)等設(shè)備，但各類設(shè)備之間的整體智能化程度不足，影響了礦井綜采效益的進(jìn)一步提升。

因此本文提出了一種新的煤礦井下智能綜采自動控制體系，實(shí)現(xiàn)了井下液壓支架自動跟機(jī)、采煤機(jī)記憶割煤。整個工作面，經(jīng)過近半年的系統(tǒng)優(yōu)化、調(diào)整及現(xiàn)場應(yīng)用，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)對綜采設(shè)備的聯(lián)動控制，同時結(jié)合設(shè)備姿態(tài)反饋、工作面視頻監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)在順槽集控中心對采煤機(jī)、液壓支架、乳化液泵站、工作面運(yùn)輸三機(jī)等自動化設(shè)備的“一鍵”啟停、遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。通過井下與地面網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，使地面控制中心具備井下集控中心的功能以外，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)的儲存處理，可以自動生成礦壓報表、采煤機(jī)運(yùn)行軌跡報表，主要設(shè)備電機(jī)電流、溫度等各項(xiàng)報表，為工作面設(shè)備運(yùn)行情況分析提供了有力保障。

1 井下智能綜采控制中心

根據(jù)10-202工作面的實(shí)際情況，木瓜礦建立了一種具有高度集成和智能化的井下智能綜采控制中心[1]，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由圖1可知，該智能控制系統(tǒng)主要包括了地面監(jiān)控中心和井下綜采控制單元。井下綜采控制單元實(shí)現(xiàn)了將采煤機(jī)、液壓支架、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)和刮板輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的聯(lián)合監(jiān)測和控制。系統(tǒng)首先對采煤機(jī)進(jìn)行自動截割控制，通過監(jiān)測采煤機(jī)的截割狀態(tài)，將相關(guān)數(shù)據(jù)信息傳遞給其他綜采設(shè)備，根據(jù)采煤機(jī)的運(yùn)行情況來控制液壓支架實(shí)施自動跟機(jī)控制、控制刮板輸送機(jī)的自動調(diào)直作業(yè)、控制轉(zhuǎn)載機(jī)和破碎機(jī)的工作效率，滿足物料破碎和轉(zhuǎn)運(yùn)需求。

圖1 井下智能綜采控制中心

由于井下各類電磁環(huán)境比較復(fù)雜，而且控制系統(tǒng)單位時間內(nèi)的數(shù)據(jù)通信量極大，因此為了確保數(shù)據(jù)通信的可靠性，系統(tǒng)采用了鎧裝光纖作為井下綜采面上各類綜采設(shè)備數(shù)據(jù)信息傳遞的線路。在井下設(shè)置有數(shù)據(jù)交換機(jī)，用于顯示井下各綜采設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，滿足在井下現(xiàn)場控制的需求，井下交換機(jī)和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)之間采用光纖連接[2]，滿足數(shù)據(jù)高速傳輸需求。地面監(jiān)控中心主要用于顯示井下綜采面各類設(shè)備聯(lián)合運(yùn)行的情況，同時若出現(xiàn)緊急情況，地面監(jiān)控中心的人員能夠根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)控，確保煤礦井下的綜采作業(yè)安全。

在該智能控制系統(tǒng)中，集控倉上面3個顯示屏主要為視頻監(jiān)控系統(tǒng)，左邊為工作面整體監(jiān)控視頻，中間為采煤機(jī)跟機(jī)視頻，右側(cè)為各轉(zhuǎn)載點(diǎn)、關(guān)鍵點(diǎn)及泵站的監(jiān)控視頻。下方3個顯示屏為與其相對應(yīng)的控制版面組成不同的控制系統(tǒng)。根據(jù)圖像顯示，可以直觀的看到左邊為采煤機(jī)采高、速度、位置等各項(xiàng)參數(shù)，通過控制面板科直接啟停機(jī)組。中部主要為液壓支架控制，可以顯示立柱壓力，推移油缸行程，支架姿態(tài)，同時也能夠遠(yuǎn)程控制支架的拉架、伸縮護(hù)幫等各項(xiàng)動作。右側(cè)為泵站、三機(jī)控制界面，實(shí)現(xiàn)了工作面三機(jī)逆煤流啟動，泵站的遠(yuǎn)程啟動，同時也對設(shè)備運(yùn)行電流、壓力等數(shù)據(jù)實(shí)施監(jiān)控。

控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對液壓支架自動跟機(jī)、采煤機(jī)記憶割煤控制，同時結(jié)合設(shè)備姿態(tài)反饋、工作面視頻監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)在順槽集控中心對采煤機(jī)、液壓支架、乳化液泵站、工作面運(yùn)輸三機(jī)等自動化設(shè)備“一鍵”啟停、遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，顯著提升了綜采智能化程度。

2 液壓支架跟機(jī)自動控制

10-202工作面切巷全長245 m，共有支架139架，其中端頭架8架，過渡架4架，中間架127架，支架型號為Z Y13000/30/65D。采用電液控制，實(shí)現(xiàn)領(lǐng)架、隔架，手動、自動，單架、成組控制。采煤機(jī)為MG750/1980WD型，滾筒直徑3 200 mm，截深800 mm，截割功率750 kW。配備傾角傳感器、能夠顯示機(jī)組走向、傾向角度，搖臂安裝編碼器，可以顯示截割高度，牽引電機(jī)安裝行走編碼器，可以確定機(jī)組在工作面的位置。機(jī)身內(nèi)置慣導(dǎo)系統(tǒng)，外部安裝無線基站，配合自動支架動作。同時在每個液壓支架上配備有紅外傳感器、報警器、位移傳感器各1個，立柱壓力傳感器2個，傾角傳感器4個，監(jiān)測采煤機(jī)位置，推移行程及支架姿態(tài)，在實(shí)現(xiàn)工作面液壓支架自動拉架的同時，保障了安全生產(chǎn)。

在實(shí)際使用過程中系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是采用了“雙點(diǎn)定位”的模式[3]，通過紅外線定位裝置和行走編碼器定位裝置，實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)和液壓支架位置的精確確定，解決了傳統(tǒng)的單編碼器定位在井下惡劣環(huán)境中可靠性低、偏差大的不足。結(jié)合井下綜采作業(yè)的工藝流程，經(jīng)過多次驗(yàn)證，最終確認(rèn)了最佳的液壓支架和采煤機(jī)聯(lián)動工藝流程[4]。當(dāng)采煤機(jī)運(yùn)行時，采煤機(jī)截割作業(yè)方向上從第7組液壓支架開始同時進(jìn)行收護(hù)幫板作業(yè)，防止截割作業(yè)時發(fā)生碰板，在采煤機(jī)截割作業(yè)方向的后側(cè)，從第7組液壓支架開始進(jìn)行移架，從第13組支架開始進(jìn)行打護(hù)幫板、從第18組液壓支架開始進(jìn)行推溜，從而實(shí)現(xiàn)液壓支架的跟機(jī)自動運(yùn)行（見圖2）。該跟機(jī)自動控制系統(tǒng)具有定位精度高、可靠性好的優(yōu)點(diǎn)，定位精度達(dá)到±10 mm，同時將跟機(jī)控制效率提升72.6%。

圖2 液壓支架跟機(jī)自動控制流程

3 采煤機(jī)記憶截割控制系統(tǒng)

結(jié)合煤礦井下自動截割控制技術(shù)的發(fā)展，考慮各類技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用成熟度和應(yīng)用效果，本文提出了采用記憶截割控制的方案。該控制系統(tǒng)將采煤機(jī)位姿監(jiān)測、采煤機(jī)截割控制、進(jìn)給控制、姿態(tài)修正等系統(tǒng)集于一體，實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)整個運(yùn)行過程的集中控制和反饋。

在運(yùn)行控制過程中分為截割姿態(tài)和數(shù)據(jù)記憶階段、采煤機(jī)自動跟蹤記憶路徑階段以及自適應(yīng)修正截割路徑階段。在控制時，首先人工控制采煤機(jī)進(jìn)行截割作業(yè)，在截割過程中各類檢測傳感器將采煤機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)信號和姿態(tài)信號傳遞給控制中心，控制中心對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后存儲，作為采煤機(jī)自動跟機(jī)作業(yè)時的跟蹤控制標(biāo)準(zhǔn)。采煤機(jī)進(jìn)入到自動控制階段后，首先調(diào)取存儲庫內(nèi)的記憶截割路徑和采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)信號，進(jìn)行記憶截割控制，同時對下一階段的運(yùn)行情況進(jìn)行預(yù)判，提前調(diào)取對應(yīng)的記憶截割路徑，確保自動截割的連續(xù)性和穩(wěn)定性[5]。

由于煤礦井下地質(zhì)條件變化度較大，為了避免傳統(tǒng)記憶截割靈活性差的不足，在該控制系統(tǒng)中增加了自適應(yīng)修正截割路徑的階段，通過截割阻力的變化，預(yù)測當(dāng)前煤層的截割硬度，根據(jù)不同的硬度自動匹配最佳的截割轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度等，降低在遇到頂板、底板、硬巖層時的截割沖擊力，提升采煤機(jī)截割穩(wěn)定性和截割效率，提升采煤機(jī)自動截割對井下復(fù)雜地形環(huán)境的適應(yīng)性?；糁菝弘娔竟系V采煤機(jī)記憶截割控制界面如圖3所示[6]。

圖3 采煤機(jī)記憶截割控制系統(tǒng)界面示意圖

4 乳化液配比及自動控制系統(tǒng)

木瓜礦泵站配備了浙江中煤生產(chǎn)BP W630/37.5高端智能乳化液泵3臺，F(xiàn)R X630/70不銹鋼乳化液配比箱2臺，乳化液泵流量為630 L/min，公稱壓力37.5 MPa，配備油壓、油溫、油位傳感器，變頻電機(jī)配軸承溫度及繞組溫度傳感器。乳化液箱可同時容納14 000 L乳化液，配備液位傳感器?，F(xiàn)有乳化液配比需要人工進(jìn)行投料和控制配比數(shù)據(jù)，而且其控制系統(tǒng)只能進(jìn)行簡單的就地控制，無法進(jìn)行聯(lián)動控制也無法進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。因此木瓜礦開發(fā)了一種新的乳化液配比及自動控制系統(tǒng)，滿足智能化控制需求[7]。

乳化液泵站采用主從控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了本地、遠(yuǎn)控控制，同時配合工作面智能化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了井下集控中心、地面分控中心的啟停、閉鎖功能；實(shí)現(xiàn)了乳化液泵壓力自動卸載，電機(jī)自動調(diào)速，失壓停機(jī)等功能，保證了工作面液壓支架安全、高效供液。

乳化液配比系統(tǒng)采用了R P Z型高端乳化液自動配比裝置，主要由KX J P型控制箱、乳化液濃度檢測箱及循環(huán)系統(tǒng)組成。能夠?qū)崿F(xiàn)乳化液濃度、液位時時檢測，乳化液、純水自動抽取配置。同時顯示乳化液濃度、液位高低，當(dāng)液位不足時，自動停機(jī)。

乳化液配比和自動控制系統(tǒng)界面如圖4所示[8]。

圖4 木瓜礦乳化液配比及自動控制系統(tǒng)

5 應(yīng)用情況分析

目前木瓜礦以基本建成了以井下智能綜合控制系統(tǒng)為核心的智能綜采體系，自2020年投入應(yīng)用以來，整個系統(tǒng)表現(xiàn)出了極高的穩(wěn)定性，根據(jù)對2020年4月—12月的井下綜采數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，新的控制系統(tǒng)將井下綜采面作業(yè)人員數(shù)量降低了76.3%，將井下綜采作業(yè)效率提升了79.5%，對提升煤礦井下綜采經(jīng)濟(jì)性和安全性具有十分重要的意義。

6 結(jié)論

為了進(jìn)一步提升霍州煤電木瓜礦井下10-202工作面綜采的智能化程度，提出了新的煤礦井下智能綜采體系，通過對采煤機(jī)截割作業(yè)方案、支架跟機(jī)自動控制方案的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了井下液壓支架自動跟機(jī)、采煤機(jī)記憶割煤，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明：

1）木瓜礦智能控制系統(tǒng)優(yōu)化后，實(shí)現(xiàn)了對自動化設(shè)備的“一鍵”啟停、遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，顯著提升了煤礦井下綜采智能化程度。

2）液壓支架跟機(jī)自動控制系統(tǒng)，采用了“雙點(diǎn)定位”的模式，定位精度高，提升了跟機(jī)效率。

3）采煤機(jī)記憶截割控制系統(tǒng)，將采煤機(jī)整個運(yùn)行過程的控制集于一體，實(shí)現(xiàn)集中控制和反饋。

4）乳化液配比及自動控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)乳化液泵壓力自動卸載，電機(jī)自動調(diào)速，失壓停機(jī)等功能，保證了工作面液壓支架安全、高效供液。

5）新的控制系統(tǒng)節(jié)省了人力，提高了井下綜采作業(yè)效率，具有十分重要的意義。