煤礦綜采工作面智能控制系統(tǒng)及應(yīng)用

李峰峰，李云飛，馮立偉

（山西柳林興無煤礦有限責(zé)任公司，山西 呂梁 033300）

1 工作面概述

山西柳林興無煤礦有限責(zé)任公司8101 工作面為下組煤首采工作面，除北側(cè)與南回風(fēng)大巷相鄰已掘外，其余三面處于實(shí)體煤層中。工作面斜長220 m，預(yù)計(jì)可采長度700 m。

8101 工作面煤層為8 號(hào)煤層，位于太原組中段上部，煤層厚0.98～3.12 m，平均為2.26 m，煤層厚度變化總體上呈北厚南薄。一般含1～3 層夾矸，夾矸厚為0.05～0.65 m，為結(jié)構(gòu)較簡單，層位穩(wěn)定的全區(qū)可采煤層。煤層頂板為石灰?guī)r，底板為泥巖、砂質(zhì)泥巖。

8101 工作面采用綜合機(jī)械化回采工藝，具體設(shè)備型號(hào)如表1所示。

表1 8101 工作面主要設(shè)備型號(hào)

由于工作面機(jī)電設(shè)備數(shù)量多，工作面在回采時(shí)設(shè)備間聯(lián)動(dòng)效果差，工作面內(nèi)需配備多名作業(yè)人員對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作，勞動(dòng)作業(yè)強(qiáng)度，而且當(dāng)單臺(tái)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)很難檢測，對(duì)工作面安全高效回采影響較大。為解決此問題，興無煤礦決定對(duì)8101工作面設(shè)備安裝智能化控制系統(tǒng)。

2 智能化工作面系統(tǒng)組成

8101 工作面智能化控制系統(tǒng)主要由順槽集控系統(tǒng)、采煤機(jī)子系統(tǒng)、支架電液控制系統(tǒng)、三機(jī)聯(lián)控系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、集中供液系統(tǒng)、地面遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)等組成[1]。

1）順槽集控系統(tǒng)：順槽集控系統(tǒng)主要采用127V 交流供電，該系統(tǒng)是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，主要包括1 臺(tái)數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、1 臺(tái)視頻服務(wù)器、6臺(tái)終端顯示系統(tǒng)，其中3 臺(tái)顯示視頻，1 臺(tái)顯示綜合信息，1 臺(tái)顯示支架信息，1 臺(tái)顯示采煤機(jī)信息。

2）采煤機(jī)子系統(tǒng)：該系統(tǒng)主要包括各類傳感器，如傾角傳感器、采高傳感器，以及機(jī)身攝像儀，可將視頻圖像能夠通過工作面無線通訊平臺(tái)回傳到順槽集中控制操作中心，同時(shí)增加了采煤機(jī)自導(dǎo)系統(tǒng)。

3）支架電液控制系統(tǒng)：液壓支架控制系統(tǒng)包含上位機(jī)、控制器、傳感器、液壓主閥和電控系統(tǒng)。每個(gè)支架配備控制器，液壓主閥和相應(yīng)傳感器、控制器相連?？刂破髦g通過架間電纜相連組成電液控制系統(tǒng)。電液控制系統(tǒng)經(jīng)交換機(jī)進(jìn)入到工作面集中控制中心。

4）三機(jī)聯(lián)控系統(tǒng)：該系統(tǒng)主要包括三臺(tái)控制器、 一臺(tái)數(shù)據(jù)采集分站、 以太網(wǎng)以及主機(jī)系統(tǒng)組成，三臺(tái)控制器分別安裝于刮板輸送機(jī)機(jī)頭、轉(zhuǎn)載機(jī)以及破碎機(jī)。

5）網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)：工作面采用以太網(wǎng)和CAN 總線雙網(wǎng)絡(luò)，CAN 總線主要用于傳輸支架的控制命令，以太網(wǎng)是傳輸采面視頻采面設(shè)備的狀態(tài)信息，以太網(wǎng)采用1 千兆；以太網(wǎng)和CAN 總線接入到端頭和端尾交換機(jī)，再由光纖將數(shù)據(jù)傳輸?shù)郊刂行摹?/p>

6）集中供液系統(tǒng)：整個(gè)系統(tǒng)由礦用凈化水裝置、乳化液自動(dòng)配比裝置（含濃度在線監(jiān)測裝置）、高壓反沖洗過濾站、 回液過濾站、BRW500/37.5型乳化液泵（3 泵2 箱）、遠(yuǎn)程供液管路等組成。

7）地面遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)：利用井上下布置的工業(yè)以太網(wǎng)將工作面內(nèi)機(jī)電設(shè)備參數(shù)上傳至地面控制中心內(nèi)，對(duì)井下采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架等機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，并可遠(yuǎn)程對(duì)各種設(shè)備運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的目的[2]。

3 各控制系統(tǒng)主要功能

3.1 順槽集控系統(tǒng)功能

（1）系統(tǒng)具備對(duì)綜采設(shè)備“一鍵”啟停、單設(shè)備啟停以及對(duì)各設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和干預(yù)功能，并對(duì)工作面內(nèi)及順槽內(nèi)機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。

（2）該系統(tǒng)顯示器可直觀地對(duì)工作面采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況、堆煤情況，對(duì)液壓支架移架情況、以及轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

（3）工作面在采煤過程中根據(jù)各類設(shè)備運(yùn)行情況，通過系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整液壓支架移架速度以及采煤機(jī)牽引速度，從而保證工作面設(shè)備間協(xié)調(diào)運(yùn)行。

3.2 采煤子系統(tǒng)功能

（1）遠(yuǎn)程控制功能：通過系統(tǒng)操作人員遠(yuǎn)程可對(duì)采煤機(jī)割煤動(dòng)作進(jìn)行控制。遠(yuǎn)程控制動(dòng)作主要包括：啟動(dòng)采煤機(jī)、采煤機(jī)割煤方向、雙滾筒切割方向、清煤、截割部升降等，遠(yuǎn)程控制指令延遲時(shí)間控制在150～200 ms 范圍內(nèi)。

（2）數(shù)據(jù)監(jiān)測功能：集控中心需要對(duì)采煤機(jī)的姿態(tài)數(shù)據(jù)、電器參數(shù)、溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集監(jiān)測，分析這些數(shù)據(jù)，對(duì)異常的參數(shù)進(jìn)行提示預(yù)警或急停。

（3）記憶切割功能：集控中心監(jiān)測到三機(jī)設(shè)備、泵站設(shè)備、供電設(shè)備、支架設(shè)備、采煤機(jī)設(shè)備一切正常后，通過集控中心可以對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行一鍵啟動(dòng)，記憶自動(dòng)割煤，采煤機(jī)進(jìn)入記憶割煤模式后根據(jù)設(shè)置的工作面長度、采高、牽引速度等自動(dòng)進(jìn)行回采。

3.3 支架電液控制系統(tǒng)功能

（1）該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)液壓支架成組移架的目的，即以工作面某個(gè)支架為操作架，以操作架相鄰若干個(gè)支架為一組，從而成組實(shí)現(xiàn)單個(gè)或聯(lián)合動(dòng)作。

（2）該系統(tǒng)利用推拉控制組件，對(duì)刮板輸送機(jī)實(shí)現(xiàn)分步推移，控制刮板輸送機(jī)推移步距，保證工作面平直；同時(shí)系統(tǒng)根據(jù)采煤機(jī)牽引速度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)追機(jī)移架推溜，并進(jìn)行架間自動(dòng)噴霧降塵等動(dòng)作[3]。

（3）該系統(tǒng)可對(duì)工作面內(nèi)所有液壓支架初撐力及工作阻力進(jìn)行監(jiān)測以及自動(dòng)保持初撐力及工作阻力在額定值，當(dāng)系統(tǒng)檢測到液壓支架初撐力或工作阻力不足時(shí)，系統(tǒng)控制液壓柱升柱動(dòng)作保證液壓支架具有足夠的初撐力及工作阻力，保證支架支護(hù)效果。

（4）電液控制系統(tǒng)配置精確推拉控制組件，采用分步推溜保障推溜、拉架的控制精度，從而保障平直的工作面推進(jìn)曲線。分步推溜的控制參數(shù)可在線設(shè)置。

3.4 三機(jī)聯(lián)控系統(tǒng)功能

（1）三機(jī)聯(lián)控系統(tǒng)可通過集中控制器對(duì)刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)啟動(dòng)順序進(jìn)行控制，控制方式主要包括遠(yuǎn)程控制和就地控制兩種。

（2）該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)以及膠帶輸送機(jī)聯(lián)合控制、閉鎖控制，當(dāng)某一臺(tái)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)可對(duì)其他設(shè)備進(jìn)行閉鎖，保證設(shè)備間安全運(yùn)行。

3.5 集中供液系統(tǒng)功能

（1）水處理裝置采用目前最先進(jìn)、最節(jié)能、最有效的反滲透水處理技術(shù)，產(chǎn)水水質(zhì)好，水質(zhì)穩(wěn)定，能有效去除水中的鈣、鎂離子、無機(jī)鹽、有機(jī)物、細(xì)菌等污染物質(zhì)，綜合運(yùn)行費(fèi)用低[4]。

（2）控制室中的泵站操作臺(tái)設(shè)有急停按鈕，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生緊急情況時(shí)可以一鍵急停。泵站故障維修時(shí)按下閉鎖按鈕，實(shí)現(xiàn)安全閉鎖功能。

3.6 地面遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)功能

（1）利用布置在工作面內(nèi)的若干臺(tái)網(wǎng)絡(luò)攝像儀實(shí)時(shí)攝取工作面動(dòng)態(tài)畫面，然后利用工業(yè)以太網(wǎng)上傳至地面遠(yuǎn)程操控室內(nèi)主機(jī)系統(tǒng)，利用組態(tài)軟件將畫面顯示在顯示器上，便于對(duì)井下進(jìn)行監(jiān)控；視頻畫面在上位機(jī)內(nèi)硬盤上可進(jìn)行儲(chǔ)存[5]。

（2）操控人員可通過遠(yuǎn)程畫面對(duì)工作面內(nèi)各類設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控，若出現(xiàn)緊急情況需要停機(jī)時(shí)，操作人員通過顯示界面直接控制工作面設(shè)備啟停。

（3）系統(tǒng)可對(duì)前端所有設(shè)備運(yùn)行情況實(shí)時(shí)顯示，主要包括服務(wù)器運(yùn)行情況、網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定情況，并對(duì)故障進(jìn)行自動(dòng)判斷診斷，若無法系統(tǒng)自動(dòng)修復(fù)系統(tǒng)發(fā)出故障報(bào)警。

4 應(yīng)用效果

興無煤礦8101 工作面安裝智能化控制系統(tǒng)后，通過實(shí)際應(yīng)用效果來看，工作面每班作業(yè)人員由原來17 人縮減為8 人，工作面機(jī)電設(shè)備故障率由原來的14%降低為5%，保證了工作面安全高效回采，實(shí)現(xiàn)了工作面采煤工藝遠(yuǎn)程控制，取得了顯著應(yīng)用成效。

5 結(jié)語

通過興無煤礦綜采工作面的智能化控制改造的實(shí)踐，應(yīng)用取得了顯著的效果，原綜采工作面設(shè)備聯(lián)鎖、集中控制系統(tǒng)已經(jīng)落后。智能化控制系統(tǒng)在煤礦綜采工作面全面推廣具有廣闊的前景。