煤礦綜采工作面自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用*

仝亞華

(西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司鎮(zhèn)城底礦，山西 太原 030000)

0 引 言

煤炭作為我國的基礎(chǔ)能源，是支撐我國工業(yè)化發(fā)展的重要保證。傳統(tǒng)機(jī)械化采煤使得工作面環(huán)境差，作業(yè)人員多、礦井生產(chǎn)安全難以保障，極大地限制了煤礦開采效率及綜采設(shè)備效能，自動(dòng)化工作面的應(yīng)用是目前發(fā)展重點(diǎn)方向 ?，F(xiàn)階段國內(nèi)外許多大型煤礦均已轉(zhuǎn)型為自動(dòng)化采煤，且未來煤礦開采的趨勢向智能化、自動(dòng)化的方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)工作面“人少則安，無人則安”安全理念更是煤炭行業(yè)發(fā)展的目標(biāo)[3-4]。筆者以鎮(zhèn)城底礦為研究背景，結(jié)合實(shí)際需求，對(duì)綜采工作面自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用進(jìn)行分析總結(jié)，為綜采自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用及推廣提供一定的參考[1]。

1 礦井概況及現(xiàn)狀

鎮(zhèn)城底礦位于山西省古交市西北處，礦井田占地面積約 16.63 km2，礦井西北走向 6.6 km，南北走向平均寬度約為3.6 km，鎮(zhèn)城底礦年設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為 190 萬噸，現(xiàn)主要開采太原組8#、10#煤層，局部簡單偏中等，煤層平均厚度分別為3.95、3.62 m。22618工作面位于該礦南五盤區(qū)。傳統(tǒng)工作面工作效率低、安全保障性差。目前我國許多大型礦山均已經(jīng)轉(zhuǎn)型成為自動(dòng)化礦井，為順應(yīng)時(shí)代的進(jìn)步及提升礦井開采效率，鎮(zhèn)城底礦需利用科技創(chuàng)新提升綜采面的自動(dòng)化程度，從而保證企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。此設(shè)計(jì)將進(jìn)風(fēng)順槽、輔運(yùn)大巷布置在同一水平，同時(shí)作為進(jìn)風(fēng)、行人通道和運(yùn)輸，破碎機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、皮帶機(jī)布置于進(jìn)風(fēng)順槽，在輔助進(jìn)風(fēng)布置設(shè)備列車，回風(fēng)順槽同樣與輔運(yùn)大巷處于同一水平，承擔(dān)運(yùn)料、回風(fēng)、行人任務(wù)。

2 自動(dòng)化工作面系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

綜采工作面自動(dòng)化系統(tǒng)是一種綜合計(jì)算機(jī)、機(jī)電一體、自動(dòng)控制等機(jī)械化技術(shù)于一身的綜合機(jī)械化運(yùn)行系統(tǒng)，加強(qiáng)自動(dòng)化綜采工作面的設(shè)計(jì)分析研究，通過采煤機(jī)實(shí)時(shí)定位、視頻監(jiān)控及供配液等提升工作面集約化管理，在保障安全的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)降低勞動(dòng)強(qiáng)度及成本管控目標(biāo)。

2.1 電液控制系統(tǒng)組成

鎮(zhèn)城底礦22618工作面采用SAC電液控制系統(tǒng)對(duì)工作面液壓支架進(jìn)行控制，電液系統(tǒng)主要由壓力傳感器、行程傳感器、支架控制器、電液換向閥、電源箱等組成，通過監(jiān)控系統(tǒng)與顯示裝置進(jìn)行連接，實(shí)時(shí)反應(yīng)液壓支架整體工作情況。在每臺(tái)液壓支架上配合支架控制器，通過順序連接形成液壓支架將整體信號(hào)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)，通過數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸，將工作面整體礦壓信息進(jìn)行集中匯總，進(jìn)行集中監(jiān)控。工作面電液控制系統(tǒng)配置連接圖如圖1所示。

圖1 工作面電液控制系統(tǒng)配置連接圖

設(shè)定的SAC液壓控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)工作面的液壓支架參數(shù)修改，支架立柱與推移行程的顯示與監(jiān)測，同時(shí)對(duì)采煤機(jī)的行走位置進(jìn)行監(jiān)測，計(jì)算工作面推進(jìn)距離等工作，最為重要的是實(shí)現(xiàn)液壓支架數(shù)據(jù)與采煤機(jī)數(shù)據(jù)的交互，從而實(shí)現(xiàn)綜采面自動(dòng)化控制。

2.2 采煤機(jī)自動(dòng)化控制

綜采面選用新型CAN總線系統(tǒng)采煤機(jī)，采煤機(jī)支持多種外接接口如485現(xiàn)場總線、CAN現(xiàn)場總線等，同時(shí)通過多線協(xié)議達(dá)到控制精度。通過采用CAN總線可以有效的提升采煤機(jī)的實(shí)時(shí)性及運(yùn)行穩(wěn)定性，提升采煤機(jī)數(shù)據(jù)的傳輸速度及數(shù)據(jù)處理速度，通過ifix組態(tài)編程對(duì)其進(jìn)行集中控制。CAN總線系統(tǒng)具有可以避免由于工作面與順槽位置較遠(yuǎn)及工作面環(huán)境惡劣等特點(diǎn)，通過載波通訊提升通訊穩(wěn)定性，同時(shí)總線系統(tǒng)包含自動(dòng)割煤及回采三角煤功能，通過對(duì)不同運(yùn)行程序的切換，達(dá)到中部、兩端端頭的全自動(dòng)化割煤任務(wù)。

采煤機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，采用快速通訊網(wǎng)絡(luò)及穩(wěn)定工作環(huán)網(wǎng)進(jìn)行傳輸，通過編寫遠(yuǎn)程監(jiān)控程序及組態(tài)化畫面設(shè)計(jì)，達(dá)到工作面設(shè)備的在線遠(yuǎn)程監(jiān)控。通過對(duì)現(xiàn)場環(huán)境、作業(yè)環(huán)境、運(yùn)行狀態(tài)等進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，為管理人員提供決策依據(jù)。通過動(dòng)力載波技術(shù)將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)地面及順槽的遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)由隔爆計(jì)算機(jī)、視頻客戶端、組態(tài)客戶端及操作臺(tái)等組成，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控液壓支架、采煤機(jī)運(yùn)行視頻畫面的操作[2]。為了保證采煤機(jī)運(yùn)行安全性，在采煤機(jī)的機(jī)尾布置瓦斯傳感器，將瓦斯傳感器的數(shù)據(jù)傳輸至順槽監(jiān)控主機(jī)，達(dá)到采煤機(jī)運(yùn)行及瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測的聯(lián)動(dòng)，采煤機(jī)牽引雙速度及瓦斯?jié)舛嚷?lián)動(dòng)系統(tǒng)圖如圖2所示。

在綜采工作面輔助運(yùn)輸巷布置列車設(shè)備，系統(tǒng)采用KTC101控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)為雙系統(tǒng)控制，其中一套為皮帶控制系統(tǒng)，另一套為工作面控制系統(tǒng)，兩套系統(tǒng)通過KFD101-A智能終端進(jìn)行耦合連接，雙系統(tǒng)通過工業(yè)環(huán)網(wǎng)將系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至地面數(shù)據(jù)服務(wù)器上，通過ifix進(jìn)行組態(tài)編程，實(shí)現(xiàn)一鍵啟?？刂啤９ぷ髅婵刂葡到y(tǒng)在轉(zhuǎn)載機(jī)機(jī)頭位置布置KTC101-IC擴(kuò)音器，用于控制破碎機(jī)及轉(zhuǎn)載機(jī)，同時(shí)每沿工作面走向15 m間隔位置布置KTK101-1電話，電話間用25 m的電纜進(jìn)行連接，在末端電話位置安裝終端。皮帶控制系統(tǒng)在沿線位置布置本質(zhì)安全型閉鎖開關(guān)及KTK101-2-HA組合擴(kuò)音器，同時(shí)在皮帶機(jī)頭布置KJS101-8(12)下機(jī)位，保護(hù)機(jī)頭檢測。

圖2 采煤機(jī)牽引雙速度及瓦斯?jié)舛嚷?lián)動(dòng)系統(tǒng)圖

2.3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

視頻系統(tǒng)是管理人員清楚檢測采煤現(xiàn)場及運(yùn)行設(shè)備管理的重要保證，通過在液壓支架上部安裝視頻監(jiān)控儀，將連接器與綜合接入器進(jìn)行相連，實(shí)時(shí)將工作面視頻信號(hào)基于太網(wǎng)傳輸至順槽監(jiān)測中心計(jì)算機(jī)端，達(dá)到工作面工況的監(jiān)測，同時(shí)濃度傳感器同樣將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至順槽監(jiān)控中心端，完成數(shù)據(jù)的集中控制。工作面視頻監(jiān)控系統(tǒng)單元配置如圖3所示。

圖3 工作面視頻監(jiān)控系統(tǒng)單元配置如圖

在實(shí)際工作工程中，發(fā)現(xiàn)工作面壓力機(jī)流量不足，需要調(diào)節(jié)乳化液泵的數(shù)量，為滿足生產(chǎn)需求，最終確定，通過供液泵直接輸送至液箱，通過加壓后輸送至工作面，泵站裝有乳化箱、水箱、軟化水凈化裝置，泵站設(shè)備通過PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。

在完成分部設(shè)計(jì)后，設(shè)計(jì)一款語音通訊系統(tǒng)，用于覆蓋整個(gè)工作現(xiàn)場，通過語音播報(bào)功能，對(duì)任何操作信息和報(bào)警信息進(jìn)行反饋，并由機(jī)載顯示屏進(jìn)行顯示，通過工業(yè)環(huán)網(wǎng)與各區(qū)域間的通信連接，實(shí)現(xiàn)集中控制，統(tǒng)一調(diào)度的目的。如圖4所示。

圖4 語音通訊系統(tǒng)

3 應(yīng)用分析

對(duì)綜采面自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用研究，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)達(dá)到如下成果：①液壓支架支護(hù)質(zhì)量明顯提升，瓦斯及滾幫現(xiàn)象得到有效控制；②液壓支架實(shí)現(xiàn)電液控制，監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)時(shí)顯示液壓支架支撐力，保證了支護(hù)質(zhì)量；③實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸系統(tǒng)、支架及工作面的三集中控制，提升工作效率；④頂板壓力實(shí)時(shí)顯示，為礦壓控制提供一定的依據(jù)；⑤提升了工作面自動(dòng)化程度，減少工作面人員，提升了工作面人員安全程度，同時(shí)優(yōu)化了工藝環(huán)節(jié)。在三個(gè)月的使用過程中，未有設(shè)備出現(xiàn)故障及大型零件更換，提升了設(shè)備運(yùn)行效率[3]。自動(dòng)化控制系統(tǒng)如圖5所示。

自2020年10月1日至2021年3月底,22618工作面的產(chǎn)量為76.85萬噸，其中材料費(fèi)433.79萬元，噸煤成本為5.93元/噸，比原工作面噸煤成本降低 4.08元/噸。同時(shí)經(jīng)過設(shè)計(jì)的自動(dòng)化綜采面比普通綜采面在此時(shí)間段內(nèi)多生產(chǎn)22萬噸煤，降低成本380余萬元，自動(dòng)化改造方案可行。

圖5 自動(dòng)化控制系統(tǒng)

4 結(jié) 語

以鎮(zhèn)城底礦22618自動(dòng)化工作面為研究背景，對(duì)工作面自動(dòng)化進(jìn)行設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)踐，重點(diǎn)對(duì)工組面液壓支架電液控制、采煤機(jī)自動(dòng)化控制、運(yùn)輸系統(tǒng)集中控制、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等進(jìn)行應(yīng)用分析，給出了綜采工作面自動(dòng)化控制設(shè)計(jì)方案，通過實(shí)踐應(yīng)用，可有效提升工作面自動(dòng)化程度，減少工作面人員，提升了工作面人員安全性，為礦井自動(dòng)化開采提供一定的參考。