錦界煤礦智能礦山自動化開采技術(shù)與應(yīng)用

陳拓其，趙祥岍，鐘 凱，高振國

(1.榆林職業(yè)技術(shù)學(xué)院 礦業(yè)工程系，山西 榆林 719000； 2.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3.神東錦界煤礦，山西 榆林 719001)

伴隨國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源與環(huán)境問題愈發(fā)突出。當(dāng)前我國對能源需求量空前提高，而作為新能源代表的水能、風(fēng)能、核聚變能及地?zé)崮艿仁芟抻诂F(xiàn)階段開發(fā)技術(shù)，無法支撐我國經(jīng)濟(jì)、科技等發(fā)展[1]。雖然，近年來，煤炭在我國能源結(jié)構(gòu)中占比不斷降低，但緩慢下降趨勢表明，煤炭短期內(nèi)仍是無法被取代的資源。研究安全、經(jīng)濟(jì)、高效的煤炭開采技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)我國能源可持續(xù)發(fā)展的有效途徑和必由之路[2]。綜合機(jī)械化裝備于上世紀(jì)70年代引入我國，經(jīng)過40多年發(fā)展，我國綜合機(jī)械化裝備發(fā)展從消化吸收到完成創(chuàng)新趕超、引領(lǐng)發(fā)展的巨大突破[3-8]。煤炭產(chǎn)能大幅提升，煤礦百萬噸死亡率大幅下降[9-11]，但井下以人工操作為主要生產(chǎn)手段的狀況并未改變，只有將工人從生產(chǎn)崗位解放出來，僅需少量人員巡檢，才是實(shí)現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)的發(fā)展方向[12-15]。根據(jù)國家提出“中國制造2025”的發(fā)展目標(biāo)及工業(yè)智能化發(fā)展的方向，建立“機(jī)器替代人工”、工作面少人化、無人化的智慧礦山、煤礦向智能化轉(zhuǎn)型發(fā)展是必然趨勢，是順應(yīng)當(dāng)代工業(yè)發(fā)展的必然結(jié)果。

近些年，國內(nèi)專家根據(jù)我國煤炭賦存形式多樣的條件，針對性展開了系統(tǒng)研究，王國法院士等人分析了我國煤礦智能化初級階段發(fā)展的任務(wù)、目標(biāo)以及研究難點(diǎn)，提出了智能化煤礦總體架構(gòu)，并完成超大采高綜采智能化成套裝備研發(fā)，使我國裝備智能化水平走在世界前列[6-8]；峰峰集團(tuán)薛村礦通過改進(jìn)液壓支架、采煤機(jī)等裝備實(shí)現(xiàn)薄煤層無人自動化開采，年產(chǎn)量提高至百萬噸[11]。十九大以來，我國進(jìn)入偉大復(fù)興高速發(fā)展時期，國家能源集團(tuán)作為我國能源領(lǐng)軍企業(yè)，在黨中央領(lǐng)導(dǎo)下，正努力建設(shè)具有全球競爭力的世界一流能源集團(tuán)，選擇了神東錦界煤礦作為智能礦山自動化開采項(xiàng)目試點(diǎn)，共包括1個平臺(智能礦山平臺)，2個系統(tǒng)建設(shè)(生產(chǎn)控制系統(tǒng)、生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng))和采掘設(shè)備、主運(yùn)系統(tǒng)等21個子系統(tǒng)自動化改造及井上下IT基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。

1 智能礦山自動化開采建設(shè)

榆神礦區(qū)位于陜西榆林市北部神木縣以西，錦界煤礦是該礦區(qū)二期規(guī)劃重點(diǎn)建設(shè)的礦井。錦界煤礦東西長12 km，南北長12.55 km，原設(shè)計生產(chǎn)能力10 Mt/a。礦井采用斜井、平硐、立井聯(lián)合開拓，主運(yùn)輸系統(tǒng)均采用集控化膠帶輸送機(jī)，輔助運(yùn)輸任務(wù)由無軌膠輪車完成。

1.1 礦山自動化建設(shè)原理

智能礦山自動化開采技術(shù)以實(shí)現(xiàn)井下綜采、連掘工作面自動化作業(yè)和運(yùn)輸、通風(fēng)、排水、輔助運(yùn)輸自動一體化操作為目標(biāo)，以采煤機(jī)和液壓支架的截割、跟進(jìn)相互配合與破碎機(jī)和靈敏感知的遠(yuǎn)程監(jiān)控操作為手段，以建設(shè)智能平臺、生產(chǎn)控制、執(zhí)行系統(tǒng)為核心，實(shí)現(xiàn)信息采集全覆蓋、數(shù)據(jù)資源全共享、統(tǒng)計分析全自動、業(yè)務(wù)管理全透明、人機(jī)狀態(tài)全監(jiān)控、生產(chǎn)過程全記錄。

1.2 礦山自動化建設(shè)方案

錦界智能礦山建設(shè)總體規(guī)劃為5層架構(gòu)，智能礦山自動化管理架構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能礦山自動化管理架構(gòu)Fig.1 Intelligent mine automation management architecture

重點(diǎn)針對生產(chǎn)控制層和生產(chǎn)執(zhí)行層內(nèi)容進(jìn)行改造建設(shè)，智能礦山建設(shè)主要內(nèi)容如圖2所示。

圖2 智能礦山建設(shè)主要內(nèi)容Fig.2 Main contents of intelligent mine construction

2 系統(tǒng)自動化控制技術(shù)

2.1 工作面設(shè)備控制技術(shù)

通過在工作面安設(shè)無線通訊設(shè)備，實(shí)現(xiàn)集中控制器對采煤機(jī)、支架和輸送機(jī)遠(yuǎn)程控制。采煤機(jī)根據(jù)開切眼記憶軌跡進(jìn)行割煤，記憶軌跡可由集控器重新設(shè)置。同時，改造了采煤機(jī)電控系統(tǒng)，加裝了定位、傾角、采高傳感器和煤巖識別設(shè)備，數(shù)據(jù)經(jīng)集控系統(tǒng)處理后傳至支架電控系統(tǒng)，完成跟機(jī)移架作業(yè)。采煤機(jī)在工作面行走時根據(jù)監(jiān)測D齒輪脈沖來確認(rèn)煤機(jī)位置，以支架編號來確認(rèn)煤機(jī)位置，精確到0.1支架。在左右牽引部上安裝有復(fù)位傳感器，在機(jī)頭尾過渡槽幫上焊接有復(fù)位磁鐵，當(dāng)煤機(jī)行走靠近磁鐵時系統(tǒng)監(jiān)測到復(fù)位信號，自動修正采煤機(jī)位置，為兩端極限位置停機(jī)提供保障。液壓支架均安裝了紅外發(fā)射器，配合煤機(jī)定位傳感器，使集控系統(tǒng)對采煤機(jī)精確定位并控制直接提前收起或追擊伸出護(hù)幫板，采煤機(jī)定位修正原理如圖3所示。轉(zhuǎn)載機(jī)設(shè)有負(fù)荷傳感器，當(dāng)載荷量過大時，集控系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)，對刮板輸送機(jī)發(fā)出停機(jī)命令。

圖3 采煤機(jī)定位修正原理Fig.3 Schematic diagram of coal machine positioning correction

2.2 泵站控制技術(shù)

通過在泵站安設(shè)溫度、壓力傳感器實(shí)現(xiàn)對泵站運(yùn)行時溫度、油壓、水壓、各管路壓力進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，集控系統(tǒng)根據(jù)反饋壓力和溫度控制電磁閥，實(shí)現(xiàn)泵站加載、卸載及停泵的操作。

2.3 無線通信技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)工作面與調(diào)度中心數(shù)據(jù)的高速傳輸，通過在綜采工作面和兩側(cè)巷道等距安裝無線通訊綜合分站，由集控系統(tǒng)各分站經(jīng)連接，實(shí)現(xiàn)工作面巷道無線網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，同時，通過搭建井下萬兆工業(yè)環(huán)網(wǎng)，完成IT基礎(chǔ)建設(shè)。

2.4 視頻監(jiān)控技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)無人操作設(shè)備作業(yè)，分別在液壓支架、采煤機(jī)機(jī)身和搖臂、刮板輸送機(jī)機(jī)和機(jī)尾以及馬蒂兒安裝可轉(zhuǎn)動監(jiān)控攝像頭。具體技術(shù)如下：①每隔4架液壓支架安裝1個可轉(zhuǎn)動監(jiān)控攝像頭完成對工作面無死角監(jiān)控，同時，每隔10架液壓支架安裝一個紅外傳感器，在攝像清晰度差時，完成采煤機(jī)紅外輔助成形；②采煤機(jī)上攝像頭用于對機(jī)身核心部位、搖臂實(shí)時監(jiān)控以及補(bǔ)充機(jī)身前方工作面視頻影像，攝像頭由集控系統(tǒng)控制隨采煤機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)動；③輸送機(jī)和攝像頭主要用于監(jiān)控煤流狀態(tài)和是否有無法運(yùn)輸?shù)拇髩K煤。

3 綜采工作面生產(chǎn)應(yīng)用

3.1 “十二工步”自動割煤工藝

錦界煤礦由集控系統(tǒng)控制進(jìn)行的綜采工作面自動化采煤技術(shù)已在31115、31214、31410工作面成功應(yīng)用，并形成了該技術(shù)下的“十二工步”綜合機(jī)械化自動割煤工藝，主要通過設(shè)置自動化割煤區(qū)間和兩端三角煤折返點(diǎn)可以控制采煤機(jī)在指定點(diǎn)執(zhí)行規(guī)定割煤動作。“十二工步”自動割煤工藝流程如圖4所示。

圖4 “十二工步”自動割煤工藝流程Fig.4 "Twelve Steps" automatic coal cutting process flow

具體操作步驟如下:①機(jī)頭到機(jī)尾區(qū)間，根據(jù)記憶采高臥底調(diào)整左右滾筒高度；②機(jī)尾極限位置，停牽引、滾筒換向、自動返刀，反向牽引；③機(jī)尾極限位置到機(jī)尾三角煤折返點(diǎn)，采煤機(jī)進(jìn)煤窩，根據(jù)設(shè)定高度值調(diào)整前滾筒(左滾筒)高度；④機(jī)尾三角煤折返點(diǎn)，停牽引、滾筒換向、自動返刀，反向牽引；⑤機(jī)尾三角煤折返點(diǎn)到機(jī)尾極限位置，根據(jù)記憶采高臥底調(diào)整左右滾筒高度；⑥機(jī)尾極限位置，停牽引、滾筒換向、自動返刀，反向牽引；⑦機(jī)尾到機(jī)頭區(qū)間，根據(jù)記憶采高臥底調(diào)整左右滾筒高度；⑧機(jī)頭極限位置，停牽引、滾筒換向、自動返刀，反向牽引；⑨機(jī)頭極限位置到機(jī)頭三角煤折返點(diǎn)，采煤機(jī)進(jìn)煤窩，根據(jù)設(shè)定高度值調(diào)整前滾筒(右滾筒)高度；⑩機(jī)頭三角煤折返點(diǎn)，停牽引、滾筒換向、自動返刀，反向牽引；機(jī)頭三角煤折返點(diǎn)到機(jī)頭極限位置，根據(jù)記憶采高臥底調(diào)整左右滾筒高度；機(jī)頭極限位置，停牽引、滾筒換向、自動返刀，反向牽引。

3.2 實(shí)施效果

(1)首次實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)的雙向雙軌跡自動記憶割煤功能；成功解決了采煤機(jī)機(jī)頭機(jī)尾割透不自動返刀或誤抬刀等問題；杜絕記憶割煤過程中煤機(jī)滾筒誤割轉(zhuǎn)載機(jī)的現(xiàn)象；減少了采煤機(jī)自動割煤工藝過程中人工干預(yù)工作量和自動割煤加甩刀對記憶數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性的影響；有效補(bǔ)充了記憶割煤過程中控制不足。

(2)減少了正常生產(chǎn)時工作面作業(yè)人員，同時采煤機(jī)司機(jī)主要由實(shí)際操作變?yōu)橛^察和干預(yù)，大大降低工作強(qiáng)度，減少員工職業(yè)健康危害；將控制臺，馬蒂兒及機(jī)頭工3個崗位合并，在馬蒂兒處安裝集控系統(tǒng)，只需1人即可完成3個崗位工作，實(shí)現(xiàn)綜采工作面自動化后可極大程度上節(jié)約人工成本。

(3)“十二工步”自動割煤工法在神東錦界煤礦31115、31214、31410綜采工作面成功使用。

3.3 存在問題

(1)錦界煤礦已實(shí)現(xiàn)綜采工作面自動化作業(yè)，但仍需要人員巡視，距離自動無人化開采和智能化開采需要繼續(xù)突破集控、煤巖識別等核心技術(shù)。

(2)系統(tǒng)穩(wěn)定程度不足，遇到特殊地質(zhì)構(gòu)造和工作面割三角煤進(jìn)刀時，集控系統(tǒng)操作誤差大，遠(yuǎn)程操作效果不理想，需要人工干預(yù)作業(yè)。

(3)監(jiān)控清晰度有限。工作面生產(chǎn)時煤巖粉塵以及降塵水霧會對影像采集清晰度有很大影響，需要進(jìn)一步精化井下監(jiān)測設(shè)備布置和提高設(shè)備除塵能力。

4 結(jié)論

(1)介紹了錦界煤礦集控系統(tǒng)設(shè)計和各子系統(tǒng)控制技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)集控系統(tǒng)控制下三機(jī)配合割煤，轉(zhuǎn)載機(jī)超載停刮板輸送機(jī)以及工作面無死角監(jiān)控，為進(jìn)一步透明工作面數(shù)字化的建立奠定了基礎(chǔ)。

(2)通過設(shè)置自動化割煤區(qū)間和兩端三角煤折返點(diǎn)可以控制采煤機(jī)在指定點(diǎn)執(zhí)行規(guī)定割煤動作，將自動化割煤循環(huán)細(xì)分為12工步。

(3)“十二工步”自動割煤工藝實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程操控采煤，保護(hù)從業(yè)人員安全健康，提高了設(shè)備作業(yè)效率，實(shí)現(xiàn)煤礦由勞動密集型向技術(shù)密集型轉(zhuǎn)變；通過“機(jī)械化換人、自動化減人”保障礦井安全生產(chǎn)，社會效益顯著。