納林河二礦自動(dòng)化綜采工作面組織方式與產(chǎn)能優(yōu)化

趙忠證，李元澤，張旭輝，毛清華

(1.烏審旗蒙大礦業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017307；2.西安東達(dá)馬科智能控制系統(tǒng)有限公司，陜西 西安 710075；3.西安科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710054；4.陜西省礦山機(jī)電裝備智能監(jiān)測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

0 引言

隨著近年我國人工智能煤礦信息核心技術(shù)生產(chǎn)企業(yè)的快速發(fā)展，煤礦資源開采也正逐步朝著人工智能化煤礦開采的發(fā)展方向不斷推進(jìn)[1-3]。智能化開采是自動(dòng)化開采的高級(jí)階段，依賴于煤礦信息化的發(fā)展。由于當(dāng)前煤礦裝備行業(yè)發(fā)展受安全、環(huán)境等諸多因素的嚴(yán)重影響，對(duì)煤礦智能化技術(shù)裝備的研發(fā)需求尤為迫切[4]。烏審旗蒙大礦業(yè)有限責(zé)任公司自2005年成立以來，一直以“科學(xué)發(fā)展、安全、高效、和諧、共贏”的企業(yè)發(fā)展經(jīng)營理念作為指導(dǎo)。建礦以來，在煤礦安全建設(shè)和無事故安全生產(chǎn)方面已經(jīng)取得了多項(xiàng)顯著成績，并在蒙西地區(qū)創(chuàng)下了多項(xiàng)煤礦建井安全記錄。根據(jù)《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展指導(dǎo)意見的通知》和《關(guān)于加快煤礦智能化開采的實(shí)施意見》會(huì)議精神，制定了中煤西北能源股份有限公司智能化工作面實(shí)施方案，烏審旗蒙大礦業(yè)有限責(zé)任公司在納林河二礦3-1上102綜采工作面進(jìn)行了智能化工作面試點(diǎn)工作，并開展了組織方式與產(chǎn)能優(yōu)化技術(shù)研究。

1 工程背景

1.1 應(yīng)用工作面情況

試驗(yàn)點(diǎn)為烏審旗蒙大礦業(yè)有限責(zé)任公司納林河二礦3-1上102綜采工作面。礦井相對(duì)瓦斯煤氣涌出物含量密度小于10 m3/t，絕對(duì)瓦斯煤氣涌出物含量密度小于40 m3/min，礦井煤層瓦斯含量等級(jí)低于含瓦斯灰的礦井，煤層瓦斯具有釋放煤塵灰和爆炸灰的危險(xiǎn)性，屬Ⅰ級(jí)自燃煤層?；夭商幚磉^程中主要的水源充氣排水層按水源可分為延安組2-1煤灰?guī)r頂板以上黑色砂巖，斷層裂隙下部含有充水層、直羅組下部裂隙含有充水層，充水渠道主要是煤層開采后覆巖冒落引起的導(dǎo)水裂隙。正常來水267 m3/h，最大來水401 m3/h。

工作面為納林河二號(hào)大型煤礦，走向計(jì)劃盤點(diǎn)布置在納林河二號(hào)大型煤礦1盤區(qū)內(nèi)的工作面為東西南北走向計(jì)劃布置，傾向?qū)?99.05 m，走向長3 674 m，煤厚一般為1.6～2.6 m，平均煤層厚度為2 m，傾角一般為1°～3°，褶皺、斷層少量連續(xù)發(fā)育，但兩側(cè)局部斷層有微弱的扇形波狀走向起伏，屬地質(zhì)構(gòu)造簡單型。開挖過程中，共揭露斷層8處，工作面揭露斷層4處。

1.2 工作面主要設(shè)備建設(shè)情況

為提高綜采工作面組織方式與產(chǎn)能優(yōu)化，在3-1上102綜采工作面進(jìn)行了主要設(shè)備建設(shè)工作，設(shè)備情況見表1。

2 總體方案設(shè)計(jì)

綜采設(shè)備無人智能化控制技術(shù)是由工作面高清視頻技術(shù)、工作面電液控制系統(tǒng)、工作面自動(dòng)生產(chǎn)及環(huán)境監(jiān)測協(xié)同控制、工作面以太網(wǎng)TCP/IP傳輸通信系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制平臺(tái)等多系統(tǒng)組成的大型控制系統(tǒng)。它是一套可以通過順槽監(jiān)控中心和地面分控中心，在高層工作面上統(tǒng)一管理所有設(shè)備的指揮、自動(dòng)化控制和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。通過就地、集中、遠(yuǎn)程三級(jí)管理平臺(tái)，利用無線網(wǎng)絡(luò)、通信、視頻及數(shù)據(jù)采集等多系統(tǒng)異構(gòu)數(shù)據(jù)融合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)調(diào)度室遠(yuǎn)程控制井下工作面運(yùn)行。井下2個(gè)工作站全面實(shí)現(xiàn)無人臨時(shí)工作，少數(shù)為一人臨時(shí)巡檢，為促進(jìn)煤礦穩(wěn)定高效安全生產(chǎn)發(fā)展提供了有力的技術(shù)支持。

智能化工作面結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要以工作面數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)為骨架、以工作面工控平臺(tái)為決策基礎(chǔ)、以先進(jìn)的傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行感知，采用無線傳輸方式、引入3D仿真技術(shù)、采用智能執(zhí)行單元概念實(shí)現(xiàn)無人高效安全生產(chǎn)[5]。智能化工作面具備統(tǒng)一數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)以及單一工控平臺(tái)，工控平臺(tái)采用專業(yè)算法生成系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)劃，無線傳輸工作面離散設(shè)備數(shù)據(jù)，具備工作面人員進(jìn)行定位識(shí)別技術(shù)功能、三維仿真功能、分析狀態(tài)數(shù)據(jù)、自動(dòng)生成運(yùn)行報(bào)告的功能。

圖1 智能化工作面結(jié)構(gòu)Fig.1 Intelligent working face structure

3 組織方式與產(chǎn)能優(yōu)化

3.1 液壓支架自動(dòng)跟機(jī)技術(shù)

根據(jù)納林河二礦3-1上102智能綜采工作面的實(shí)際情況，確定了從第16架開始，自動(dòng)隨機(jī)移架推滑動(dòng)作的執(zhí)行順序，采用群推滑方式[6]。當(dāng)煤壁、頂板條件良好，無嚴(yán)重剝落、冒頂時(shí)，應(yīng)先移動(dòng)支架，再推進(jìn)支架；當(dāng)煤壁、頂板條件較差，煤柱剝落、冒頂嚴(yán)重時(shí)，需要提前拉拔工作面支架，加強(qiáng)頂板和煤柱的支撐，先推后滑再拉。當(dāng)進(jìn)行智能化回采時(shí)，根據(jù)3-1上102綜采工作面的巷道布置和設(shè)備情況，采用智能長壁綜放開采方法，頂板采用綜放法管理，工作面后退[7-8]。

3-1上102智能綜采工作面采用采煤機(jī)軌跡規(guī)劃程序采煤，支架自動(dòng)隨機(jī)移動(dòng)，控制臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程干預(yù)，同時(shí)集成供電、泵站、三機(jī)監(jiān)控、視頻等各子系統(tǒng)對(duì)工作面設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行全程監(jiān)控[9-10]。工作面各子系統(tǒng)在具備自動(dòng)化割煤的條件下，采煤機(jī)對(duì)集控中心進(jìn)行遠(yuǎn)程控制授權(quán)，遠(yuǎn)程授權(quán)后，集控中心按下“一鍵啟動(dòng)”按鈕，具體啟動(dòng)順序?yàn)楸谜尽扑闄C(jī)→轉(zhuǎn)載機(jī)→運(yùn)輸機(jī)→煤機(jī)自動(dòng)截割程序→支架自動(dòng)跟機(jī)程序[11]。煤機(jī)進(jìn)入自動(dòng)截割狀態(tài)前，瑪珂工控平臺(tái)將“采煤機(jī)自動(dòng)化路徑規(guī)劃”三維模型數(shù)據(jù)下發(fā)到采煤機(jī)，采煤機(jī)根據(jù)下發(fā)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行系統(tǒng)自動(dòng)截割，同時(shí)集控室對(duì)煤機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程干預(yù)，確保工作面平穩(wěn)推進(jìn)。

3.2 綜采設(shè)備遠(yuǎn)程控制技術(shù)

工控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了在井下工作面順槽監(jiān)控中心和調(diào)度室控制中心對(duì)“三機(jī)”的單機(jī)控制或一鍵啟停。系統(tǒng)由三機(jī)就地控制箱、數(shù)據(jù)交換平臺(tái)和工況平臺(tái)組成。當(dāng)電動(dòng)采煤機(jī)和專用液壓機(jī)的支架支護(hù)處于完全受控的運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，通過采煤操作員移動(dòng)控制臺(tái)與采煤設(shè)備運(yùn)行位置移動(dòng)監(jiān)控控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程通信，獲得電動(dòng)采煤車主機(jī)和專用液壓框架支護(hù)的正確移動(dòng)運(yùn)行位置和旋轉(zhuǎn)方向?？刂婆_(tái)根據(jù)主控設(shè)備的自動(dòng)視頻控制系統(tǒng)信號(hào)發(fā)出執(zhí)行相應(yīng)的控制指令(如鼓的自動(dòng)升降、牽引加油的減速、液壓傳動(dòng)支架上的推溜等)，該臺(tái)的指令信號(hào)通過視頻數(shù)據(jù)電路通信總線與電動(dòng)采煤機(jī)、液壓傳動(dòng)支架進(jìn)行通信，將指令信號(hào)通過傳送電路給安裝綜采煤機(jī)工作面上的設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)綜采工作面設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。綜采工作面設(shè)備遠(yuǎn)程控制具體實(shí)現(xiàn)過程如圖2所示。

圖2 綜采設(shè)備遠(yuǎn)程控制示意Fig.2 Remote control of fully mechanized mining equipment

在綜采管理工作室大面積的開采運(yùn)行過程中，煤礦開采巷道內(nèi)的煤礦監(jiān)控管理中心全部配備了安全控制管理平臺(tái)。在實(shí)際應(yīng)用中，相關(guān)技術(shù)人員通過對(duì)煤礦內(nèi)控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制，可以對(duì)整個(gè)大型煤礦開采巷道的日常開采工作環(huán)境管理狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控，并測試整個(gè)煤礦開采巷道設(shè)備的日常工作管理性能。采煤機(jī)和大型液壓傳動(dòng)支架機(jī)等設(shè)備可以提供2種不同的總線串行接口。通過自動(dòng)控制中心系統(tǒng)方式提供的與相應(yīng)的雙向遠(yuǎn)程控制通信協(xié)議，將煤礦監(jiān)控系統(tǒng)工作過程中的各種相關(guān)監(jiān)控參數(shù)直接實(shí)時(shí)傳輸發(fā)送到監(jiān)控終端并使系統(tǒng)可以進(jìn)行有效遠(yuǎn)程控制，從而可以充分發(fā)揮煤礦采煤計(jì)算機(jī)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的功能實(shí)時(shí)控制接收和監(jiān)控相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸。在煤礦施工監(jiān)控過程中，通過其與終端系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制通信方式，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制中心方式的雙向遠(yuǎn)程信息直接通信，形成了整個(gè)煤礦施工巷道內(nèi)部與煤礦地面施工監(jiān)控控制中心的有效互動(dòng)配合與相互協(xié)調(diào)。最終使它可以有效實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)綜合采煤煤礦工作區(qū)地面的系統(tǒng)遠(yuǎn)程管理化和控制，提高整個(gè)煤礦綜采采煤工作面系統(tǒng)的管理工作效率和運(yùn)行穩(wěn)定性[12]。

3.3 綜采設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測技術(shù)

3.3.1 工作面設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測

在地面調(diào)度中心設(shè)置有智能工作面操作平臺(tái)，包含大屏顯示和系統(tǒng)控制，可以實(shí)時(shí)顯示整個(gè)工作面和綜采設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、工作面環(huán)境狀態(tài)和人員狀態(tài)。工作面視頻顯示如圖3所示。

圖3 工作面視頻顯示Fig.3 Video display of working face

工作面視頻顯示技術(shù)：工作面的視頻遠(yuǎn)程監(jiān)控主要可以通過在鍋爐采煤機(jī)或鍋爐支架上直接安裝監(jiān)控?cái)z像頭等系統(tǒng)設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。采煤車電機(jī)監(jiān)控?cái)z像頭一般安裝在一臺(tái)切割滾筒電機(jī)前面或切割電控箱附近，可左右隨意移動(dòng)，監(jiān)視切割滾筒上的位置及頂、底板上的切割工作情況。采煤機(jī)攝像系統(tǒng)的信號(hào)主要通過隨機(jī)光纜進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸。工作室界面云臺(tái)工控?cái)z像機(jī)組成的云臺(tái)視頻監(jiān)控系統(tǒng)通過云臺(tái)數(shù)據(jù)圖像傳輸控制平臺(tái)將工控視頻中的圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆婆_(tái)工控系統(tǒng)平臺(tái)[13]。通過圖像識(shí)別和移動(dòng)圖像比對(duì)，工控移動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)可以快速確定移動(dòng)工作在地面?zhèn)鹊谋Ｗo(hù)板、刮板以及輸送機(jī)、支撐座前端、煤壁、頂板的移動(dòng)位置[14]。根據(jù)設(shè)計(jì)分析試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)大型采煤機(jī)和煤管液壓保護(hù)支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了綜合調(diào)整，保證了煤機(jī)工作面平直，提高了大型煤壁和煤管頂板的液壓支護(hù)工作質(zhì)量，防止大型采煤機(jī)與液壓支架的相互干涉；通過對(duì)大塊煤的識(shí)別來保護(hù)轉(zhuǎn)載機(jī)。視頻系統(tǒng)也可以簡單地當(dāng)作操作員眼睛的延伸，通過視頻攝像頭來調(diào)整可能出現(xiàn)的漏架。

工作面設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測：工作面所有數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)接入通道控制中心，通道控制研究中心可以通過分析數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)將工作面設(shè)備、環(huán)境檢測管理系統(tǒng)和人員信息接入工業(yè)企業(yè)控制平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)在地面調(diào)度室的設(shè)備狀態(tài)顯示及故障提示。

3.3.2 遠(yuǎn)程設(shè)備報(bào)警

當(dāng)輸送工作面在對(duì)采煤輸送過程中連續(xù)出現(xiàn)煤層剝落擴(kuò)散現(xiàn)象，或在對(duì)已放散的煤輸送過程中連續(xù)出現(xiàn)過多已放散的煤時(shí)，過多石灰煤和砂巖會(huì)直接堆積在磨刀刮板刮煤輸送的主機(jī)上，大大提高前后2個(gè)刮刀刮板輸送機(jī)的工作功率和峰值。工作面集中控制管理系統(tǒng)平臺(tái)可對(duì)所有相關(guān)輸送設(shè)備的工作數(shù)據(jù)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并自動(dòng)發(fā)出報(bào)警，提醒正在采煤中的機(jī)組和司機(jī)適當(dāng)減速或及時(shí)停車，或及時(shí)提醒已存放頂煤層的工人盡量減少存放落煤的用量。如仍不能及時(shí)恢復(fù)到正常值，刮板可使輸送機(jī)立即停止運(yùn)行，并發(fā)出語音報(bào)警，通知有關(guān)人員及時(shí)處理[15]。

當(dāng)自動(dòng)工作面集中電控系統(tǒng)設(shè)備出現(xiàn)重大故障時(shí)，3臺(tái)集控機(jī)器和1套帶式壓力輸送機(jī)的獨(dú)立集控啟動(dòng)子系統(tǒng)可不受3臺(tái)自動(dòng)化集控系統(tǒng)的啟動(dòng)限制，可獨(dú)立進(jìn)行啟動(dòng)，保證整個(gè)生產(chǎn)過程不受故障影響。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)上述各種故障信號(hào)提示，以及系統(tǒng)控制器正常運(yùn)行自動(dòng)關(guān)閉功能控制程序、閉鎖或自動(dòng)急停、系統(tǒng)或其他控制器運(yùn)行狀態(tài)異常和發(fā)生故障時(shí)，字符符號(hào)顯示屏將及時(shí)自動(dòng)給出顯示信息。

4 應(yīng)用效果

4.1 經(jīng)濟(jì)效益

采用智能化回采后，工作面單班生產(chǎn)僅需要5人，煤機(jī)、支架巡視工1人、班長1人、機(jī)頭、機(jī)尾巡檢各1人、控制臺(tái)1人。生產(chǎn)人員工資每年節(jié)省1 425萬元，全年多回采原煤78萬t，按450元/t計(jì)算，年增產(chǎn)值2.18億元。

4.2 社會(huì)效益

經(jīng)濟(jì)效益顯然是巨大的，并且其社會(huì)效益也同樣顯著。首先，改善了專業(yè)勞動(dòng)者的日常工作生活環(huán)境，有效降低了工作時(shí)地面粉塵中的濃度，降低各類職業(yè)病危害發(fā)生的最大概率。其次，提高了現(xiàn)場礦井安全作業(yè)生產(chǎn)技術(shù)水平，大量現(xiàn)場礦井作業(yè)技術(shù)人員從目前工作面惡劣的礦井工作生活環(huán)境中轉(zhuǎn)移出來，降低了礦井事故的發(fā)生率，保障了礦井工人的生命財(cái)產(chǎn)安全。此外，提高了技術(shù)設(shè)備日常運(yùn)行管理效率；隨時(shí)隨地掌握各個(gè)關(guān)鍵部位的設(shè)備工作運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和妥善處理相關(guān)技術(shù)設(shè)備工作進(jìn)行中的故障，杜絕技術(shù)設(shè)備運(yùn)行事故，降低了技術(shù)設(shè)備日常運(yùn)行管理成本。通過推進(jìn)智能煤礦綜采管理工作等方面的科技實(shí)踐與創(chuàng)新探索，有力推動(dòng)和有效帶動(dòng)了中煤集團(tuán)下屬公司和全國煤炭行業(yè)的重大科技進(jìn)步，具有深遠(yuǎn)的推動(dòng)意義。

5 結(jié)語

蒙大利爾礦業(yè)集團(tuán)納林縣黑河煤礦智能液壓綜采系統(tǒng)工作區(qū)全面的開采順利開展，極大增強(qiáng)了“中煤人”的自信心。智能化的工作面綜采可以直接實(shí)現(xiàn)煤礦液壓設(shè)備系統(tǒng)，綜采支架自動(dòng)跟機(jī)床的自動(dòng)化，綜采智能工作面可以進(jìn)行液壓設(shè)備的生產(chǎn)智能化和技術(shù)流程控制，提高整個(gè)智能工作面綜采自動(dòng)化流程智能化管理水平和企業(yè)生產(chǎn)管理效率，減少了工作面的作業(yè)人數(shù)，真正貫徹了“無人則安”的指導(dǎo)思想。下一階段，將認(rèn)真研究總結(jié)在前期實(shí)施智能化礦業(yè)工作線方面中首次工業(yè)性采礦試驗(yàn)所取得的寶貴成果和前期積累的寶貴經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步研究發(fā)展和應(yīng)用深化前期使用智能化設(shè)備開采礦業(yè)技術(shù)熱點(diǎn)問題的調(diào)查研究，提高前期智能化礦業(yè)工作面采礦人員的專業(yè)理論知識(shí)水平、操作技術(shù)水平和采礦設(shè)備日常維護(hù)管理水平。此外，將認(rèn)真總結(jié)智能工作面存在的不足之處和需要改進(jìn)之處，進(jìn)一步深化智能化開采技術(shù)研究，并在其他工作面進(jìn)行推廣應(yīng)用。