榆家梁煤礦薄煤層智能化工作面關鍵技術應用

宋國利

（北京天瑪智控科技股份有限公司，北京 101320）

榆家梁43207 工作面平均采高1.48 m，操作人員每天需要跟隨采煤機在工作面來回6 趟。工作面長200 多米，操作人員通常跑兩趟就精疲力盡，致使采煤效率較低。工人在生產(chǎn)時需要長期蹲行，對工人的身體健康很不利。榆家梁煤礦通過智能化技術的應用，實現(xiàn)液壓支架自動跟機、采煤機自動截割、工人在順槽三崗合一借助巡檢機器人、電纜拖拽技術實現(xiàn)遠程監(jiān)控[1]，將工人從低矮的勞動空間、繁重的任務中解放出來，實現(xiàn)工作面少人、甚至無人。

1 概況

43207 工作面南北方向布置，由北向南推進，工作面寬211.02 m，運順推進長度2 298.4 m，回順推進長2 308.8 m?？刹蓞^(qū)范圍內(nèi)頂板以粉砂巖為主，次為中、細粒砂巖，大部屬較穩(wěn)定型（Ⅱ），局部屬不穩(wěn)定性（Ⅰ）。底板多為泥巖及粉砂巖，致密塊狀，抗壓強度413 kg/cm2，彈性模量7.02×104kg/cm2，穩(wěn)定性較好。煤層頂?shù)装逄卣饕姳?。

表1 煤層頂?shù)装逄卣鞅?/p>

43207 工作面平均采高1.48 m，采用傾斜長壁后退式綜合機械化采煤法，全部垮落法處理采空區(qū)。43207 工作面設備配套明細見表2。

表2 43207 工作面設備配套明細表

2 智能化工作面關鍵技術

43207 工作面主要由電液控制系統(tǒng)、工作面視頻系統(tǒng)、工作面千兆環(huán)網(wǎng)、巡檢機器人、采煤機控制系統(tǒng)、電纜拖拽系統(tǒng)、三機控制系統(tǒng)、泵站控制系統(tǒng)、語音通信控制系統(tǒng)、組合開關、移變、順槽皮帶控制系統(tǒng)、三崗合一、地面分控中心等14 個子系統(tǒng)組成[2]，如圖1。

圖1 工作面自動化系統(tǒng)圖

2.1 液壓支架自動跟機技術

43207工作面電液控制系統(tǒng)采用網(wǎng)絡型控制器，實現(xiàn)實時工業(yè)以太網(wǎng)通信，解決了電控系統(tǒng)總線帶寬低、通信速率慢的問題。結合低頻感知、無線定位技術，與煤機牽引數(shù)據(jù)融合，實現(xiàn)中部無人、兩端頭輔助監(jiān)控的全工作面液壓支架自動跟機技術[3]。

43207 工作面安裝電控支架125 架，采用端部割三角煤斜切進刀方式，雙向割煤。采煤機下行向機頭割煤→滯后后滾筒3 架跟機移架（降柱、移架、升柱）→當采煤機運行至機頭6#架時，觸發(fā)補充移架從13#～11#架→移架后觸發(fā)14#～17#支架區(qū)間自動推出蛇形段（分兩次推完）→采煤機割至機頭后，反向上行至10#架（掃底煤2 次）→采煤機割至機頭后反向上行斜切進刀至15#架時，觸發(fā)6#～10#支架區(qū)間自動移架（6 號支架先于7、8、9、10 號支架完成自動移架）→采煤機上行到達17#架時，由1#向6#架執(zhí)行一次成組推溜（推溜方向為由1#向6#）→采煤機繼續(xù)上行至20#架時，由1#架向17#架推溜，1#～5#架推溜結束后進行自動移架（移架順序1#→5#）→采煤機割至機頭后反向上行至10#架（掃底煤2 次）→采煤機割透三角煤完成掃煤后繼續(xù)上行正常割煤（正常中部跟機）→從6#架開始跟機移架→從機頭1#架向機尾跟機推溜→端頭架推溜結束后，1#～5#架補充移架（順序：1#→5#）。上行跟機工藝同理，下行跟機工藝如圖2。

圖2 采煤機下行支架自動跟機工藝圖

2.2 采煤機規(guī)劃截割技術

43207 工作面采煤機采用MG2X250/1200-WD型大功率薄煤層采煤機，按照示范刀所記錄的工作方向與位置參數(shù)、速度參數(shù)、姿態(tài)參數(shù)、滾筒高度軌跡，進行智能化運算，形成記憶截割模板，在自動截割過程中不斷修正誤差，實現(xiàn)采煤機對應精確位置的自動調(diào)高、臥底、加速和減速、急停等功能，滿足工作面的斜切進刀、割三角煤、倒退掃底等工藝。自動運行的采煤機在長度為300 m 的工作面上，其行走位置控制精度小于±5 cm，滾筒截割高度的穩(wěn)態(tài)重復誤差小于±1.5%[4]。

采煤機規(guī)劃截割分為兩部分：一是生成采煤機截割模板，且截割模板隨時可修正。采煤機與自動化主機通信獲取規(guī)劃截割模型、工藝數(shù)據(jù)，并執(zhí)行相應的截割模型規(guī)劃控制。二是采煤機具有智能調(diào)高控制功能，采煤機控制系統(tǒng)通過接收上位機下發(fā)的采高規(guī)劃截割模板，在采煤機自動截割運行過程中，對采煤機左右滾筒采高沿煤層分布自動調(diào)節(jié)，進行自適應精準控制下的自動割煤。在自動規(guī)劃截割的運行過程中，上位機可同時通過自動化通信接口對采煤機采高及行走進行人工干預[5]。

2.3 工作面巡檢機器人技術

43207 工作面配置有工作面巡檢機器人，在刮板輸送機電纜槽外側布置有雙軌巡檢軌道。通過在巡檢軌道之間加裝壓縮彈簧，保證在刮板輸送機推溜過程中始終保持軌道平穩(wěn)過渡，實現(xiàn)巡檢機器人無障礙全工作面行走。在巡檢機器人內(nèi)安裝有視頻、音頻、環(huán)境監(jiān)測等各種傳感器，實現(xiàn)對工作面復雜環(huán)境下設備、采場空間狀況的實時感知。

1）巡檢機器人具有WiFi 技術與5G 技術雙通信組合技術，具備強實時可控性和多維信息獲取能力，可以及時發(fā)現(xiàn)綜采工作面生產(chǎn)過程中存在的問題。

2）巡檢機器人搭載兩個微型攝像儀、一個云臺攝像儀和一個紅外熱成像、瓦斯傳感器等實現(xiàn)圖像、瓦斯采集功能，能夠?qū)⒐ぷ髅娆F(xiàn)場環(huán)境狀態(tài)上傳到地面分控中心。

3）巡檢機器人在巡檢模式下對工作面采煤機位置、采煤機滾筒溫度和環(huán)境數(shù)據(jù)等實時感知，解決了薄煤層工作面采高受限、勞動強度大、視頻覆蓋不全等難題，可替代人工實現(xiàn)跟機巡檢、快速巡檢和自主巡檢。

2.4 采煤機電纜拖拽技術

43207 工作面平均采高1.48 m，采煤機在機頭割三角煤時電纜鎧甲會出現(xiàn)來回層疊加，最多時能達到三層，電纜容易滑出電纜槽，造成安全生產(chǎn)事故。為解決此問題，配套了電纜拖拽系統(tǒng)。采煤機電纜拖拽系統(tǒng)由機械結構、電氣控制系統(tǒng)組成，機械部分包括驅(qū)動部、中間軌道、牽引小車、回轉(zhuǎn)部、鏈條等。電纜拖拽系統(tǒng)通過在刮板運輸機機尾安裝驅(qū)動部，使用鏈牽引的方式帶動拖攬小車與采煤機電纜同步運行。所有設備均布置于電纜槽內(nèi)，通過鏈條形成閉環(huán)回轉(zhuǎn)運動，鏈條拖動拖攬小車在刮板運輸機電纜槽中往復運動，通過與采煤機行走同步控制實現(xiàn)電纜的同步拖拽，保證采煤機電纜在折返時沒有疊層。

采煤機電纜拖拽系統(tǒng)電氣部分由PLC、變頻器、編碼器、拉力傳感器等組成。PLC 通過實時采集煤機速度、方向和拉力傳感器等數(shù)據(jù)，控制變頻器輸出，對牽引電機進行調(diào)速，以達到跟機運行的目的。正向運行時，PLC 根據(jù)拉力大小調(diào)整速度，小車牽引電纜主動運行。反向運行時，煤機牽引電纜行走，小車在PLC 控制下從動跟機運行。PLC 數(shù)據(jù)通過工作面環(huán)網(wǎng)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，或通過礦井環(huán)網(wǎng)傳輸?shù)降孛娣挚攸c的上位機，對系統(tǒng)進行遠程監(jiān)測監(jiān)控。

2.5 三崗合一

43207 工作面在機頭馬蒂爾處安裝三崗合一監(jiān)控中心，經(jīng)過工作面千兆環(huán)網(wǎng)和井上下萬兆專網(wǎng)與地面服務器通信，實現(xiàn)對工作面各設備的遠程實時控制，從而達到控制臺電工、馬蒂爾司機、機頭看護工三崗合一，每班可減少兩名崗位工，提高了生產(chǎn)效率。三崗合一可實現(xiàn)以下功能：

1）實現(xiàn)工作面設備（采煤機、液壓支架、刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機、破碎機、泵站、移變、組合開關）數(shù)據(jù)的集成，在三崗合一監(jiān)控中心對綜采設備的遠程監(jiān)測、顯示。

2）實現(xiàn)在三崗合一監(jiān)控中心對刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機按照煤流順序“一鍵”啟停功能，具有單設備遠程啟停功能和集中控制功能。

3）實現(xiàn)在三崗合一監(jiān)控中心對采煤機、液壓支架、泵站遠程控制功能。

4）實現(xiàn)工作面視頻集中顯示功能。

3 效果

43207 工作面采用智能化開采技術實現(xiàn)了全工作面液壓支架自動跟機，采用煤機滾筒智能調(diào)高、數(shù)字化割煤，輔助遠程視頻監(jiān)控實現(xiàn)采煤機自主割煤。配合刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機、破碎機聯(lián)鎖啟停控制技術以及乳化泵的單泵、多泵聯(lián)動控制功能，實現(xiàn)了生產(chǎn)期間工作面無人的常態(tài)化生產(chǎn)模式。

借助巡檢機器人跟機巡檢、采煤機電纜拖拽自動拖纜以及三崗合一監(jiān)控中集中控制，生產(chǎn)班工作面作業(yè)人員由原來的3 人減為無人，由原來的單班12 刀提升到13.5 刀，生產(chǎn)效率提升了10%，達到了減人增效的目的。