綜采面自動(dòng)化安全綜采技術(shù)的應(yīng)用研究

時(shí)小軍

（山西古縣蘭花寶欣煤業(yè)有限公司， 山西 臨汾 042405）

引言

煤礦井下綜采面平均煤層厚度為5.7 m，最薄處的煤層厚度約為3.2 m，巷道基本頂為粉砂巖，平均厚度約為3.2 m，直接頂為泥巖和砂巖的混合結(jié)構(gòu)，平均厚度約5.4 m，直接底為砂質(zhì)泥巖，平均厚度約為11.77 m，基本底為泥巖，平均厚度約為8.32 m。工作面采用走向長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化放頂煤開采，采空區(qū)處理采用頂板全部垮落法。由于煤層的強(qiáng)度相對(duì)較低，因此煤機(jī)截深確定為800 mm，采高確定為3.1 m，放煤高度確定為2.5 m。采放比為1.24∶1，放煤步距為800 mm。

煤礦井下作業(yè)面采煤機(jī)在綜采作業(yè)時(shí)采用了人工截割控制，而且采煤機(jī)和液壓支架的配合需要人工去判斷調(diào)整時(shí)機(jī)并做出調(diào)整，效率極低而且安全性極差，已經(jīng)無(wú)法滿足高效綜采的作業(yè)需求，因此提出了新的自動(dòng)化綜采技術(shù)方案，對(duì)采煤機(jī)和液壓支架控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)井下的自動(dòng)化綜采作業(yè)及采煤機(jī)和液壓支架的聯(lián)動(dòng)運(yùn)行控制，有效提升了井下綜采的效率和安全性，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明，新的自動(dòng)化控制技術(shù)能夠?qū)⒕伦鳂I(yè)人員數(shù)量降低47%，將綜采效率提升38.5%，對(duì)提升煤礦井下作業(yè)安全和效率具有十分重要的意義。

1 采煤機(jī)自動(dòng)截割控制

為了滿足井下采煤機(jī)自動(dòng)截割以及和液壓支架聯(lián)動(dòng)運(yùn)行的作業(yè)需求，首先對(duì)煤礦井下的綜采作業(yè)流程進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后的流程為端部斜切進(jìn)刀→割煤→拉架→放頂煤→拉后部輸送機(jī)→推前部輸送機(jī)→進(jìn)入下一循環(huán)。

根據(jù)井下掘進(jìn)機(jī)的實(shí)際情況，考慮改造難度和可行性，本文所提出的采煤機(jī)自動(dòng)截割控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

由圖1 可知，該自動(dòng)截割控制系統(tǒng)主要包括了電控系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以及視頻監(jiān)控系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)5 個(gè)部分。

圖1 采煤機(jī)自動(dòng)截割控制系統(tǒng)

傳感器監(jiān)測(cè)模塊是系統(tǒng)的基礎(chǔ)，主要由布置在采煤機(jī)上的各類傳感器組成，用于識(shí)別采煤機(jī)截割作業(yè)時(shí)的位置、采煤機(jī)截割姿態(tài)等，確保截割作業(yè)的精確性。電控系統(tǒng)主要由上位機(jī)和下位機(jī)構(gòu)成，分別用于人機(jī)交互顯示、數(shù)據(jù)信息輸入等，實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的顯示和分析。電控系統(tǒng)的核心為PLC 控制器，主要用于對(duì)監(jiān)測(cè)傳感器的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，判斷出采煤機(jī)目前的位置和截割作業(yè)狀態(tài)，進(jìn)而決定接下來的調(diào)整信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的精確調(diào)整。

執(zhí)行單元主要是接收控制系統(tǒng)發(fā)送的指令信息，然后經(jīng)過比例放大閥和運(yùn)動(dòng)放大卡的放大后將其傳輸給比例電磁閥和電控系統(tǒng)，控制采煤機(jī)的執(zhí)行油缸進(jìn)行動(dòng)作，調(diào)整截割高度、截割轉(zhuǎn)速等，滿足自動(dòng)截割控制需求。顯示系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)，主要通過高清攝像設(shè)備對(duì)井下采煤機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)距離控制，便于監(jiān)控人員對(duì)井下采煤機(jī)作業(yè)狀態(tài)的及時(shí)調(diào)控[1-2]。

2 液壓支架跟機(jī)自動(dòng)控制

由于井下采煤機(jī)和液壓支架的配合要求高、穩(wěn)定性高，因此本文提出了一種新的液壓支架跟機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)同樣具有遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制功能，包括地面控制中心和井下監(jiān)測(cè)執(zhí)行單元2 個(gè)部分，具體又分為電液控制子系統(tǒng)、順槽監(jiān)控子系統(tǒng)以及地面監(jiān)控子系統(tǒng)3 個(gè)部分，整體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 液壓支架跟機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)

由圖2 可知，電液控制系統(tǒng)是該控制系統(tǒng)的核心，主要由各類傳感器、換向閥及支架電液控制部分構(gòu)成，利用三軸陀螺儀傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓支架支護(hù)姿態(tài)和位置的監(jiān)測(cè)，為了避免采煤機(jī)進(jìn)給作業(yè)過程中和支架的護(hù)幫板產(chǎn)生干涉，系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置了視覺監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于獲取采煤機(jī)和支架的相對(duì)位姿信息，滿足精確監(jiān)控的需求。當(dāng)系統(tǒng)收到控制單元傳輸?shù)恼{(diào)整指令后，由電液控制器來實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)支架支護(hù)狀態(tài)的調(diào)整。該子單元內(nèi)的數(shù)據(jù)信息采用了Ethernet（以太網(wǎng)）與Powerlink（實(shí)時(shí)通信技術(shù)）通信模塊，滿足大數(shù)據(jù)傳輸快速性和安全性的需求。

支架順槽監(jiān)控子系統(tǒng)設(shè)置在井下的設(shè)備列車上，主要包括了液壓支架的遠(yuǎn)程控制模塊、通信模塊、數(shù)據(jù)交互模塊等，各類傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸?shù)街Ъ艿谋O(jiān)控中心，而各類數(shù)據(jù)控制指令的傳輸則是通過實(shí)時(shí)通信技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的，滿足快速、精確的數(shù)據(jù)傳輸需求。

地面監(jiān)控子系統(tǒng)主要用于顯示井下采煤機(jī)和液壓支架的聯(lián)動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，能夠使監(jiān)控人員實(shí)時(shí)地對(duì)液壓支架的支護(hù)狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)[3-4]。

3 綜采自動(dòng)化應(yīng)用效果

井下綜采自動(dòng)化控制系統(tǒng)建立以后，對(duì)優(yōu)化前后的綜采面狀況進(jìn)行分析，新系統(tǒng)投入應(yīng)用后顯著提升了井下綜采面的自動(dòng)化程度，將井下綜采面作業(yè)人員的數(shù)量降低了47%，將綜采效率提升了38.5%，顯著提升了井下綜采面的綜采效率和安全性，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)井下綜采作業(yè)的“無(wú)人化”奠定了基礎(chǔ)，目前已經(jīng)在多個(gè)綜采面投入應(yīng)用，其井下布置如圖3 所示。

圖3 井下自動(dòng)化綜采面結(jié)構(gòu)

4 結(jié)論

針對(duì)煤礦井下綜采自動(dòng)化低、綜采經(jīng)濟(jì)性差的不足，對(duì)現(xiàn)有的綜采控制系統(tǒng)進(jìn)行了改造升級(jí)，實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)的自動(dòng)截割作業(yè)和液壓支架的跟機(jī)自動(dòng)控制，有效的提升了井下綜采的效率和安全性，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明：

1）自動(dòng)截割控制系統(tǒng)主要包括了電控系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)五個(gè)部分，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)距離控制，便于監(jiān)控人員對(duì)井下采煤機(jī)作業(yè)狀態(tài)的及時(shí)調(diào)控。

2）液壓支架跟機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)包括了電液控制子系統(tǒng)、順槽監(jiān)控子系統(tǒng)以及地面監(jiān)控子系統(tǒng)3 個(gè)部分，能夠?qū)崿F(xiàn)液壓支架的跟機(jī)自動(dòng)控制。

3）新的綜采面自動(dòng)控制系統(tǒng)，能夠?qū)⒕戮C采面作業(yè)人員的數(shù)量降低了47%，將綜采效率提升了38.5%，顯著提升了井下綜采面的綜采效率和安全性，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)井下綜采作業(yè)的“無(wú)人化”奠定了基礎(chǔ)。