寺河二號井薄煤層綜采工作面智能化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫晉璐，高貴軍，琚林濤，時三波

(1.山西科技學(xué)院 智能制造工程學(xué)院，山西 晉城 048006；2.太原理工大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，山西 太原 030024；3.晉能控股裝備制造集團(tuán)有限公司 寺河煤礦二號井，山西 晉城 048006)

目前，薄煤層開采受作業(yè)空間狹窄、采高低的制約，存在的主要問題有：工作面設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)空間有限，人員活動區(qū)域小，采煤機(jī)跟機(jī)操作難度大，安全問題凸顯；自動化程度偏低，多機(jī)設(shè)備協(xié)同作業(yè)能力差，缺乏必要的保障系統(tǒng)?，F(xiàn)有薄煤層綜采裝備的技術(shù)水平、自動化程度已經(jīng)嚴(yán)重落后于煤礦企業(yè)對薄煤層開采技術(shù)的需求[1-3]。

隨著采煤機(jī)技術(shù)、液壓支架電液控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)與通訊技術(shù)的不斷進(jìn)步[4-6]，近年來，許多學(xué)者針對綜采工作面自動化、智能化技術(shù)的研究與應(yīng)用進(jìn)行相關(guān)探索。文獻(xiàn)[7]對不同類型薄煤層開采技術(shù)進(jìn)行了闡述，綜述了薄煤層長壁綜采智能化與薄煤層提高采出率等技術(shù)的研究進(jìn)展。文獻(xiàn)[8]提出了薄-中厚煤層智能化綜采工作面成套裝備及其優(yōu)化布置，解決了采煤機(jī)搖臂與刮板輸送機(jī)互相干涉難題。文獻(xiàn)[9]提出了一種新的鏈牽引薄煤層采煤運(yùn)輸支護(hù)成套裝備與技術(shù)，配合乳化液泵站智能化、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、集控中心等最終實(shí)現(xiàn)薄煤層開采的生產(chǎn)智能化，為薄煤層智能化開采引入了一種新的思路。本文以寺河二號井94316工作面為研究對象，通過對智能采煤技術(shù)，智能保障系統(tǒng)，集控系統(tǒng)等進(jìn)行應(yīng)用研究，最終實(shí)現(xiàn)兩硬圍巖條件下薄煤層開采智能化。

1 工程概況

1.1 工作面概況

寺河二號井94316綜采工作面走向長1540m，傾向長133.5m，煤厚0.58～1.50m，平均1.10m，煤層傾角2°～15°，平均為5°，煤層普氏硬度系數(shù)為2。無偽頂，直接頂為細(xì)砂巖，普氏硬度系數(shù)為6，厚度3.9m，直接底為細(xì)砂巖，普氏硬度系數(shù)為6，厚度3.0m，屬“兩硬”圍巖。采用走向長壁后退式，一次采全高，綜合機(jī)械化，全部垮落采煤法，設(shè)計(jì)采高為1.3m[10-13]。

1.2 工作面設(shè)備選型和布置

94316綜采工作面設(shè)備配置及主要技術(shù)參數(shù)見表1。配備的自動化系統(tǒng)有液壓支架電液控制系統(tǒng)、采煤機(jī)遠(yuǎn)程和集中控制系統(tǒng)、三機(jī)控制系統(tǒng)等，形成了地面調(diào)度中心、工作巷集控中心、工作面各子系統(tǒng)三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。工作面配套設(shè)備及主要智能化技術(shù)裝備見表1。

2 智能化采煤技術(shù)研究

2.1 采煤機(jī)多信號融合定位技術(shù)

采煤機(jī)定位技術(shù)主要有紅外、射頻以及旋轉(zhuǎn)編碼器定位等方式[14-16]，如圖1所示。紅外和射頻定位通常是將紅外線(射頻)發(fā)射器安裝在采煤機(jī)上，將紅外(射頻)接收器內(nèi)嵌在支架控制器中，通過信號收發(fā)和相關(guān)計(jì)算得出采煤機(jī)位置，根據(jù)煤機(jī)位置架號與上一次工作面報(bào)送的煤機(jī)位置架號關(guān)系決策煤機(jī)運(yùn)行方向。紅外定位易受到粉塵、水霧等影響。旋轉(zhuǎn)編碼器定位技術(shù)原理是通過脈沖信號測算行走距離，然后根據(jù)架間距計(jì)算出采煤機(jī)的中間部位正對的支架號，該定位方法成本低且精度高，但因采煤機(jī)的行走路線通常不是水平直線會帶來計(jì)算誤差[17-19]。本文在三種獨(dú)立的定位方式基礎(chǔ)上提出了一種融合定位方法，位置判斷流程如圖2所示。

表1 工作面配套設(shè)備及主要智能化技術(shù)裝備

多信號融合定位技術(shù)位置判斷步驟為[20，21]：①讀取紅外接受信號采集的支架號[i，i+k]，進(jìn)行初次定位；②讀取旋轉(zhuǎn)編碼器的信號，并根據(jù)公式算出編碼器計(jì)算的位置S(t)，計(jì)算采煤機(jī)正對的支架號nc(t)；③執(zhí)行采煤機(jī)射頻定位，計(jì)算此時采煤機(jī)正對的支架號nic(t)；④判斷nc(t)和nic(t)是否在[i，i+k]范圍內(nèi)，如果都不在[i，i+k]范圍內(nèi)，則結(jié)果取紅外信號的結(jié)果Nf=i+k/2；⑤若nic(t)在[i，i+k]范圍內(nèi)，則不管nc(t)是否在[i，i+k]范圍內(nèi)，結(jié)果取Nf=nic(t)；⑥若nic(t)不在[i，i+k]范圍內(nèi)，nc(t)在[i，i+k]范圍內(nèi)，結(jié)果取Nf=nc(t)。

2.2 基于慣性導(dǎo)航和視頻信號的工作面找直技術(shù)

目前工作面找直方式主要為利用液壓支架之間的位移傳感器、激光陣列、視覺傳感器等傳感元件，獲得相鄰支架相對位置，進(jìn)而控制液壓支架群組的直線度[21]。然后以液壓支架為基準(zhǔn)，通過推移油缸控制刮板輸送機(jī)的直線度，從而實(shí)現(xiàn)工作面調(diào)直。該方法缺少工作面調(diào)直的絕對參考方向，易導(dǎo)致工作面調(diào)直精度降低、與回采巷道方向不正交的問題。本文提出一種慣性導(dǎo)航為主和視頻信號為輔的工作面找直技術(shù)。

慣性導(dǎo)航裝置通過對采煤機(jī)的運(yùn)行姿態(tài)進(jìn)行精準(zhǔn)解算可實(shí)現(xiàn)對工作面曲線的描繪，將工作面形狀進(jìn)行數(shù)學(xué)抽象，其模型如圖3所示。DPk表示第k刀截割后得到的工作面目標(biāo)形狀；PCk表示第k刀截割時需施加的直線度修正量，PCk的每一個分量表示每個支架在第k刀的修正量；APk表示第k刀截割后工作面的實(shí)際形狀。其中，PCk=DPk-APk。

獲取工作面推進(jìn)偏離情況后進(jìn)行工作面找直控制，控制模型和流程如圖4所示。Mk為第k個測量刀，即在煤機(jī)截割后，導(dǎo)航系統(tǒng)獲得的可表征刮板輸送機(jī)平直度的APk曲線。根據(jù)APk以及目標(biāo)直線DPk，計(jì)算PCk修正值，然后計(jì)算出每一個液壓支架需要移架的行程。Ck為修正刀，根據(jù)計(jì)算出的行程，精確控制支架推移刮板輸送機(jī)，進(jìn)行工作面找直。采煤機(jī)運(yùn)行到工作面端頭時，工作面調(diào)直功能啟動，通過液壓支架的推拉中部槽和拉架來保證工作面的平直。但在調(diào)直過程中，受工作面底板平滑度、推移油缸動作情況等影響，不可避免的要產(chǎn)生控制誤差。Ek即為第k刀截割過程中產(chǎn)生的控制誤差，即需要通過視頻信號進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆至俊?/p>

在慣性導(dǎo)航工作面找直基礎(chǔ)上采用視頻信號輔助找直，基于視頻信號的液壓支架輔助找直技術(shù)主要由以太網(wǎng)支架控制器、行程傳感器、云臺攝像頭組成。在支架立柱上設(shè)置反光標(biāo)識作為工作面標(biāo)記元素，利用圖像識別技術(shù)來檢測標(biāo)記元素，將這些標(biāo)記元素連接形成定位線、運(yùn)輸機(jī)線、支架線等，從而確定需調(diào)直的支架行程，即通過補(bǔ)償Ek進(jìn)行調(diào)直，如圖5所示。采用視頻信號輔助找直進(jìn)行修正的方法為：首先根據(jù)圖形識別技術(shù)確定支架的偏差，其次根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部基準(zhǔn)線判別支架調(diào)整的行程，控制系統(tǒng)根據(jù)調(diào)整值在下一次移架中自動修正支架狀態(tài)，從而達(dá)到基于視頻信號的液壓支架找直效果。調(diào)直效果如圖6所示。

3 智能化綜采工作面保障系統(tǒng)

3.1 乳化液泵站智能化控制系統(tǒng)

建立了集自動配比、變頻恒壓供液、集中控制于一體的乳化液泵站智能化系統(tǒng)，對乳化液泵站工作狀態(tài)形成全面感知。系統(tǒng)架構(gòu)如圖7所示，變頻控制系統(tǒng)采用組合變頻器，可實(shí)現(xiàn)對泵電量參數(shù)的監(jiān)測，具備重載軟啟動、軟停車，同時能夠根據(jù)乳化液泵輸出壓力信號調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)恒壓控制；自動配液系統(tǒng)由配液箱、分站組成，設(shè)置傳感器實(shí)現(xiàn)進(jìn)水壓力、進(jìn)水流量、乳化液流量等多種數(shù)據(jù)的監(jiān)測，通過對乳化液濃度監(jiān)測實(shí)現(xiàn)自動配液、自動加水/補(bǔ)油。集控系統(tǒng)由主站和分站組成，主站與分站和變頻器進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和控制。自動配液流程如圖8所示。采用智能油流量調(diào)節(jié)閥，根據(jù)濃度反饋信號，自動精確地調(diào)節(jié)油流量的大小，精準(zhǔn)控制配比，通過機(jī)械混液器實(shí)現(xiàn)油水的比例控制，通過循環(huán)泵實(shí)現(xiàn)油水的均勻混合。

3.2 綜采工作面智能噴霧控制系統(tǒng)

建立了智能噴霧控制系統(tǒng)，由計(jì)算機(jī)、噴霧控制器、電動球閥、噴霧架、噴嘴、粉塵傳感器構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)跟機(jī)自動噴霧、粉塵超限自動噴霧[22]，同時具有噴霧狀態(tài)監(jiān)測和遠(yuǎn)程控制功能。除塵發(fā)生器，采用U型螺栓固定在支架頂部，可對噴射角度進(jìn)行調(diào)節(jié)以保證效果。噴霧噴嘴選用?2.0-2B，壓力4MPa，流量8.2L/min。

3.3 三機(jī)和帶式輸送機(jī)故障診斷系統(tǒng)

綜采工作面三機(jī)和帶式輸送機(jī)故障診斷系統(tǒng)在設(shè)備表面或內(nèi)部安裝傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采集振動、溫度等數(shù)據(jù)。傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用有線方式連接，采集系統(tǒng)通過WiFi方式與井下基站通訊，將數(shù)據(jù)送入現(xiàn)場局域環(huán)網(wǎng)，存儲到服務(wù)器中。智能監(jiān)測系統(tǒng)用于存放、管理和分析發(fā)回的設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)。運(yùn)行數(shù)據(jù)可通過公網(wǎng)與遠(yuǎn)程診斷中心交互，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的異地備份，容災(zāi)容錯，同時可以借助云診斷中心的數(shù)據(jù)分析專家以及專家系統(tǒng)協(xié)助判斷設(shè)備狀態(tài)。

4 工作面智能化集成控制系統(tǒng)

采用VisTwo軟件在工作巷集控中心建立集控平臺，通過多種數(shù)據(jù)接口的方式接入采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)、三機(jī)和帶式輸送機(jī)控制及故障診斷系統(tǒng)、智能噴霧系統(tǒng)、乳化液泵站智能系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等。集成控制系統(tǒng)采用以太網(wǎng)控制器TBUS總線建立工作面多網(wǎng)融合通訊系統(tǒng)，傳輸速率100Mbps，數(shù)據(jù)更新時間小于5ms，具備設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸，液壓支架控制，視頻傳輸，環(huán)境監(jiān)測，人員識別，語音傳輸和智能照明功能，實(shí)現(xiàn)工作面七網(wǎng)合一，一線貫通。

5 應(yīng)用效果分析

寺河二號井94316薄煤層工作面采用智能化開采控制系統(tǒng)后，采煤班每班需要在工作面內(nèi)施工作業(yè)的工人數(shù)量可從17人減少到12人(帶式輸送機(jī)司機(jī)1人、泵站司機(jī)1人、支架工2人、采煤機(jī)司機(jī)1人共減少5人)，相對減少了30%。

對智能化系統(tǒng)使用前后效率對比，94315工作面與94316工作面為臨近工作面，主要指標(biāo)基本一致。采用智能截割技術(shù)提高了割煤的往返速度，在回采智能化綜采工作面期間，較94315工作面，日均推進(jìn)度從6刀增加至12刀，單日最高推進(jìn)度從9刀增加至15刀，日均產(chǎn)量及最高月產(chǎn)量均實(shí)現(xiàn)翻番，生產(chǎn)效率提升102%。

6 結(jié) 論

1)實(shí)現(xiàn)了綜采工作面智能化截割，基于紅外、射頻、軸編碼器的采煤機(jī)多信號融合定位技術(shù)能夠有效保證控制系統(tǒng)識別采煤機(jī)的位置，為精確控制采煤機(jī)提供了基礎(chǔ)。建立了以慣性導(dǎo)航為主、視頻信號為輔的工作面找直技術(shù)。

2)建立了乳化液泵站智能系統(tǒng)、智能噴霧系統(tǒng)、三機(jī)和帶式輸送機(jī)故障診斷系統(tǒng)等智能化工作面保障子系統(tǒng)，利用工作面多網(wǎng)融合通信技術(shù)，形成了薄煤層綜采工作面的智能化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了工作面采煤全流程自動化生產(chǎn)，改善了工人的勞動條件和工作環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了難采薄煤層的安全高效開采。為薄煤層工作面開采向信息化、智能化、無人化方向的發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義。