智能化采煤工作面在趙樓煤礦的應用與實踐

張培亭 孫建華 劉敬斌

摘要：趙樓煤礦位于巨野煤田中部，為山東省境內沖擊地壓礦井之一。為響應國家沖擊地壓礦井“少人則安，無人則安”的號召，建設成為智能化礦井，該礦本著循序漸進、分步推進的原則，2019年在7301綜放工作面試點進行智能化改造工作，最終實現了工作面支架自動跟機、記憶截割、自動放煤、自動割三角煤等工序，將其建設成安全、高效的智能化采煤工作面。

關鍵詞：綜放工作面智能化安全高效應用實踐

7301綜放工作面是趙樓煤礦七采區(qū)首采工作面，面長230m，推進長度1407m，儲量343萬噸，工作面開采煤層為山西組3煤，平均厚度7.8m，煤層傾角平均3.5°，地質條件相對簡單，屬于沖擊地壓工作面。該工作面為進行智能化改造，需要裝配全套智能化控制系統，包括支架電液控系統、采煤機記憶截割系統、三機遠程控制系統、工作面視頻監(jiān)控系統、智能泵站供液系統、井下集控中心和地面集控中心等幾個部分。

1 智能化改造內容

7301工作面智能化系統是一套完整的工作面自動化解決方案，系統將各個獨立的子系統集成，通過工業(yè)視頻監(jiān)控、無線環(huán)網通信、電液控制、慣導導航等多種技術的應用，實現工作面集控中心對設備的整體集中自動化監(jiān)控，確保工作面各設備協調、連續(xù)、高效、安全運行[1]。工作面智能化系統主要包含電液控系統、三機通訊系統、采煤機控制系統、泵站控制系統和工作面監(jiān)控中心等5個子系統。

1.1 硬件安裝

首先為液壓支架安裝電液控系統，支架配備控制器、液壓主閥、壓力傳感器、紅外發(fā)射器、電液換向閥和帶行程傳感器的千斤頂等一系列電液控設備，以實現無線遙控操作和自動跟機移架[2]。為采煤機安裝慣性導航系統及高精度傳感器，實現采煤機記憶截割和運行速度智能化控制。工作面三機及皮帶機安裝智能煤流運輸系統，配備控制器、本安電源、組合擴音電話、通訊拉力電纜、智能終端和監(jiān)控攝像頭等智能化設備，實現轉載點可視監(jiān)控、三機遠程操作和煤量智能化控制功能[3]。配置遠程供液、智能泵站控制系統，實現乳化液自動配比、液箱自動補液和流量智能化控制功能[4]。配備運輸巷道、工作面高清視頻監(jiān)控中心，實現轉載點遠程視頻監(jiān)控功能。

1.2 電液控系統融合

由于首次進行試點，7301工作面安裝了兩套電液控系統，安裝完成后為實現無縫對接，主要采取互發(fā)紅外位置的方式來進行測試和融合，然后再進行自動跟機程序的調試[5]。

1.3 工作面中部跟機程序調試

電液控系統融合、采煤機位置穩(wěn)定之后，開始調試采煤工作面中間段自動化參數程序，并全面觀察，發(fā)現問題予以解決排除，例如，放煤和自動推溜的連續(xù)性對接不斷持續(xù)改進，在頂板條件允許的情況下基本可以保證常態(tài)的全面自動化使用[6]。

1.4 端頭自動割三角煤調試

重點調試端頭割三角煤自動跟機和采煤機記憶截割，通過研討確定了割三角煤支架自動跟機的7個工序段和采煤機記憶截割的23個工序段，并據此編寫程序，現場予以實施[7]。

1.5 全面自動跟機常態(tài)化運行

自動割三角煤程序和采煤機記憶截割運行穩(wěn)定，實現了常態(tài)化使用，自動跟機率和記憶截割率均達到95%以上。

2采煤工作面智能化系統的主要組成部分及應用

2.1液壓支架及超前支架電液控制系統

電液控制系統重點是控制工作面液壓支架及超前支架，并且可以充當傳輸數據的工作面平臺。智能電液控制系統實施以太網場地總線控制模式，跟以往的CAN總線控制模式相比來講[8]，其顯著提升了執(zhí)行水平和傳輸數據速率，拓展了控制范圍。結合工控平臺控制，電液系統可以實時調整和優(yōu)化全部、局部工作面范圍的液壓支架的工作情況，確保支架成組或單架動作的高效精準完成，確保自適應控制液壓支架。其中，供電系統、傳感器、上位機、液壓主閥、控制器等5個組成部分構成了液壓支架以及超前支架電液控制系統[9]。液壓主閥連接了傳感器和控制器，視頻攝像頭和LED照明等連接在控制器下，結合標準型電纜連接控制器，以使電液控制系統形成，且結合交換機向工控平臺接入。該系統應用了以分層技術在相同界面上統一呈現液壓支架的工作情況和數據分析報告[10]。此控制系統具備的作用有預警、采煤路徑規(guī)劃設計、無線遙控、呈現支架工作情況、急停閉鎖、支架運行管理等。其中，直觀呈現支架護幫板情況、采煤機推移位置和軌跡行程、煤機方向和位置、支架立柱壓力等是支架運行狀態(tài)顯示功能的作用;結合對隔架或鄰近支架的組合及單組動作進行控制，并且進行跟機自動化操作，確保自動截割三角煤，這是支架運行控制功能的作用;結合無線遙控質量對工作面超前支架或支架的推進情況進行遠程指導，以使智能化的工作面支護工藝實現，這是無線遙控功能的作用;根據突發(fā)情況有效地控制設備的運行情況是急停閉鎖功能的作用，即在突發(fā)情況存在于工作面的時候，結合對急停按鈕的控制，暫停設備運行，保障工作面設備和人員的安全性;結合工控平臺的智能化控制功能建構路徑運行規(guī)劃，確保智能化控制采煤機，這是采煤機路徑設計規(guī)劃功能的作用[11];結合工控平臺礦壓規(guī)劃指令的接收可以很好地探究工作面頂板周期來壓的強度及初期來壓的周期等，進而預測下次頂板來壓的狀態(tài)，從而更好地預防事故的形成，這是礦壓分析與預警功能的作用。

2.2三機控制系統

驗證煤礦高效安全生產及智能化工作面建設指標的是工作面設備的“三直兩平”。三機控制系統的基礎是采煤機的精準定位，其結合工控平臺處理和分析數據的功能、圖像識別技術、行程傳感器等生成刮板運輸機的軌跡曲線，且以此為前提條件及時調整工作面液壓支架的部位，確保采煤機、刮板運輸機、液壓支架的平直12]。并且，三機控制系統可以結合工控平臺對工作面端頭的視頻數據進行分析處理，以及很好地識別和處理大塊煤體，防范損壞轉載機。三機控制系統的組成部分是工控平臺、數據交換機、就地控制箱。其中，三機就地控制箱可以結合工作面?zhèn)鬏敂祿钠脚_連接工控平臺，從而實時傳輸或交換數據。5ACDBFB3-5564-42F5-BC02-264395F5F732

2.3采煤機控制系統

作為智能化采煤工作面的關鍵組成部分，采煤機控制系統也屬于高效回采煤炭資源的中心環(huán)節(jié)。采煤機控制系統的兩大組成部分是工控平臺和就地控制，其功能是環(huán)境和綜采聯動、安全防護、采煤路徑規(guī)劃等。采煤機應用雙向傳輸的方式傳輸數據，不但能夠結合本身具備的數據線交換數據，而且可以通過工作面?zhèn)鬏敂祿钠脚_接收與傳輸數據，其環(huán)境適應能力和抗干擾性非常強。采煤機控制系統的主要組成部分是數據交換機、工控平臺、上位機[13]。在順槽控制室當中安裝了控制系統，經由交換機跟工控平臺連接著采煤機，結合工作面?zhèn)鬏敂祿钠脚_向工控平臺接入生產數據，以使雙向傳輸數據的通信作用實現?？傊擅簷C控制系統旨在控制和規(guī)劃采煤機路徑。當今，針對賦存構造不存在顯著改變和巷道頂底板穩(wěn)定的條件下，智能化采煤工作面應用記憶截割方式業(yè)已實現了相應的效果，然而，針對工作面存在較大改變和結構復雜的巷道頂底板條件，智能化工作面采煤生產依舊面臨相應的缺陷。為了完善這種不足之處、確保采煤生產的穩(wěn)定進行，采煤機智能控制系統結合工控平臺可以分析和處理數據，從而有效規(guī)劃采煤機下六刀的路徑，并且結合順槽控制室采煤機上位機將工作面高度修正值輸入這種手段，確保取得有關的工作面地質結構截割曲線，從而智能化、高效化截割煤層。跟以往的采煤機記憶截割工藝技術相比，此系統顯著提升了適應性與精確度。

2.4工作面視頻控制系統

作為智能化采煤工作面的“眼睛”，工作面視頻控制系統擔負著記錄和監(jiān)控工作面整體的任務。工作面視頻監(jiān)控系統結合工控平臺分析、識別視頻圖像信息，可以明確工作面頂板賦存、巷道圍巖、工作面煤壁等現狀，并且可以實時追蹤工作面液壓支架底座前面部位、刮板運輸機、液壓支架內護幫板。根據視頻分析結論，能夠適度調整和優(yōu)化三機的部位，保障設備平直度，實現巷道、工作面支護強度和質量的提升。總之，工作面視頻控制系統重點主要實現監(jiān)測工作面設備運行情況、視頻跟機自動切換、追蹤井下定位人員、通過紅外補光生成高清晰度礦井生產現場視頻資料，并通過對視頻數據的有效分析，生成對工作面智能化控制指令等功能。

3 實現的功能及取得的成效

3.1 實現的功能

經過調試，7301智能化主要實現了以下功能。

液壓支架采用ZF17000/22/42型高阻力放頂煤支架，配套電液控系統和壓力、行程、紅外、聲光報警等各類傳感器，能夠對支架姿態(tài)進行自主感知、自動控制。目前，工作面支架全部實現了自動跟機，自動跟機率保持在90%以上。

采煤機采用MG900/2395-WD型大功率采煤機，配備記憶截割組件和慣導系統，具備就地/遠程控制、自主定位、采高精確控制功能?，F已實現工作面生產全程記憶截割，記憶截割率保持在90%以上。

運輸皮帶采用DSJ140/260/4×500型膠帶輸送機，配備變頻驅動和自動張緊裝置，實現了驅動工況監(jiān)測、自動調速、自動張緊。同時，轉載機身和溜煤眼上口各安裝一臺破碎機，實現了大塊煤矸的分級破碎。皮帶機頭和轉載機頭通過設置可視化監(jiān)控，取消了崗點司機，實現了工作面強沖擊危險區(qū)域無人作業(yè)，大幅提升了礦井安全生產水平。

泵站采用BRW630/37.5型乳化液泵和BPW500/16型噴霧泵，配備智能流量控制系統、凈化水裝置、乳化液自動配比裝置、高壓反沖洗過濾器和蓄能器，具備多泵聯機啟停、恒壓供液、乳化液自動配比、狀態(tài)監(jiān)測、液位顯示、自動反沖洗和流量自動控制等功能，實現了遠程集中控制、無人值守。

工作面和地面分別配備一套集控中心，能夠對工作面各設備、各系統的數據進行匯集、處理、顯示和控制，現已實現工作面各設備的遠程/就地和遠程控制，煤機、支架、三機協同控制和流程啟停。

3.2 取得的成效

目前，7301智能化采煤工作面每班生產人員只需7人，與傳統開采相比減少9人，降幅達56%;同時通過轉載點視頻監(jiān)控，取消了轉載機司機，實現了工作面強沖擊危險區(qū)域無人作業(yè)，大幅提升了礦井安全生產水平。

智能化控制系統的成功應用，克服了高溫、高濕、強腐蝕性水質等惡劣環(huán)境的影響，檢驗了智能化設備的可靠性，驗證了智能化系統在千米埋深復雜地質條件沖擊地壓礦井應用的可行性。

4 結語

實踐證明，通過采煤工作面智能化改造，可以達到減人增效的效果，符合“人少則安”的指導思想，同時，智能化建設需從自動化調試轉變到自動化常態(tài)化使用上來，不能曇花一現，這是個任重道遠的任務，需要及時暴露和發(fā)現存在的問題，持續(xù)改進、不斷進步。

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