薄煤層綜采工作面智能化控制系統(tǒng)研制與應(yīng)用

楊燕敏

（晉能控股裝備制造集團寺河二號井，山西 晉城 048000）

寺河二號井主采9 號煤層，煤層均厚1.1 m，受采高制約，采煤機運行至工作面上下端頭無法有效進刀，需要消耗人工預(yù)做缺口；采煤機搖臂與刮板輸送機之間空間受限，采煤機裝煤效果較差，輸送機下留煤較多；液壓支架與刮板輸送機未實現(xiàn)遠(yuǎn)程自動化控制，仍需人工在狹小工作面手動操作控制閥門實現(xiàn)移架、推溜等關(guān)鍵動作。因此，有必要就薄煤層綜采工作面智能化控制系統(tǒng)進行專題研究。

1 薄煤層工作面概況

寺河二號井94316 綜采工作面煤層均厚1.1 m，煤層傾角2°～15°，工作面走向長1540 m，傾向長133 m，可采儲量33萬t。直接頂為3.9 m厚粉砂巖，黑色致密，基本頂為5.3 m 厚細(xì)砂巖，黑灰色，含植物化石碎屑；直接底為3.5 m 厚砂質(zhì)泥巖，黑色，巖芯破碎，基本底為3.0 m 厚細(xì)砂巖，含泥質(zhì)條帶。

2 薄煤層智能化開采裝備

薄煤層工作面裝備水平相較中厚煤層而言，發(fā)展相對滯后。薄煤層工作面受作業(yè)空間、采煤高度等諸多限制，存在：工作面設(shè)備運行空間受限，作業(yè)人員活動范圍狹小，設(shè)備日常維護困難；開采能力受裝備水平、地質(zhì)構(gòu)造、煤層厚度變化等諸多因素影響，噸煤成本較高；工作面推進速度較快，礦井多存在采掘銜接緊張的問題。因而，有必要進行薄煤層綜采工作面智能化控制系統(tǒng)研發(fā)，提高薄煤層工作面生產(chǎn)效率，改善作業(yè)人員生產(chǎn)環(huán)境[1-3]。

1）MG2×200/930-WD1 型采煤機

MG2×200/930-WD1 型采煤機滾筒截深630 mm，滾筒直徑1250 mm，裝機功率930 kW，可選用上位機控制模式或遠(yuǎn)程控制模式。當(dāng)采煤機進入上位機控制模式時，自動進入“記憶割煤”模式，司機僅控制割煤速度，其他操作均為自動方式；當(dāng)采煤機進入遠(yuǎn)程控制模式時，采煤機司機通過機身上的“主啟、牽啟”等開關(guān)控制采煤機啟停及其正常工作。

2）液壓支架

94316 綜采工作面安裝90 架液壓支架，其中，ZY4400/10/23 型液壓支架4 架，初撐力3082 kN，工作阻力4400 kN，支護高度1.0～2.3 m；ZY4000/09/19D 型液壓支架86 架，初撐力3092 kN，工作阻力4000 kN，支護高度0.9～1.9 m。液壓支架均采用電液控制系統(tǒng)，通過控制器實現(xiàn)支架升架、拉架、推溜等諸多動作。

3）SGZ--764/400 型刮板輸送機

SGZ--764/400 型刮板輸送機1 部運輸能力400 t/h，機身長度170～200 m，裝機功率2×200 kW。SGZ--764/400 型刮板輸送機通過開關(guān)架上的本布羅控制刮板輸送機的啟停，另在工作面裝有閉鎖按鈕控制刮板輸送機。

4）DSJ100/80/160 帶式輸送機

DSJ100/80/160 帶式輸送機2 部，生產(chǎn)能力800 t/h，皮帶寬度1000 mm。帶式輸送機采用華寧生產(chǎn)的KTC101 型擴音電話控制其啟動和停止，并能夠通過擴音電話進行喊話聯(lián)系，緊急情況下可用擴音電話的閉鎖鍵直接閉鎖皮帶。

3 智能化工作面控制系統(tǒng)

寺河二號井智能化工作面設(shè)備控制系統(tǒng)如圖1。其核心是通過順槽集中控制中心來實現(xiàn)對工作面各類型設(shè)備的監(jiān)測與控制，包含液壓支架的升降、采煤機的運轉(zhuǎn)、刮板輸送機的啟停、乳化液泵站的日常工作、皮帶機的運行等相關(guān)設(shè)備的控制，此外建立視頻監(jiān)控體系、智能照明體系、人員定位系統(tǒng)等相關(guān)輔助系統(tǒng)，所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一傳輸至順槽集控系統(tǒng)，通過現(xiàn)有以太網(wǎng)與礦上調(diào)度中心上位機進行數(shù)據(jù)聯(lián)通，進而實現(xiàn)地面遠(yuǎn)程集中控制。整個通信網(wǎng)絡(luò)分為三層：智能工作面控制系統(tǒng)、順槽集中控制系統(tǒng)、地面調(diào)度控制系統(tǒng)。調(diào)度中心能夠?qū)崿F(xiàn)與順槽集中控制系統(tǒng)相同的功能。

圖1 智能化工作面設(shè)備控制系統(tǒng)圖

3.1 采煤機系統(tǒng)控制技術(shù)

采煤機實現(xiàn)順槽控制中心遠(yuǎn)程控制，遠(yuǎn)程控制功能主要由順槽控制中心計算機通過采煤機電纜數(shù)據(jù)傳輸實現(xiàn)對采煤機運行狀態(tài)的遠(yuǎn)程實時監(jiān)控。采煤機實現(xiàn)運行參數(shù)遠(yuǎn)程實時監(jiān)測，主要包括：電機電流、溫度監(jiān)測與保護，牽引箱軸溫、泵溫監(jiān)測與保護，液壓系統(tǒng)壓力、泵箱油位的監(jiān)測與保護，水路壓力、冷卻水流量的監(jiān)測與保護，采煤機運行速度和位置實時監(jiān)測。改造后采煤機能夠?qū)崿F(xiàn)就地控制、遠(yuǎn)程控制、記憶截割等多種功能。遠(yuǎn)程控制及時準(zhǔn)確，可實現(xiàn)采煤機啟停、更改行進方向、加減速、搖臂升降等諸多功能，延遲時間不超過200 ms。記憶截割模式下，人工干預(yù)具有最高權(quán)限；記憶截割功能預(yù)置多種復(fù)雜工藝程序，滿足不同地質(zhì)條件下開采需求。當(dāng)現(xiàn)場煤巖體條件發(fā)生變化，原有存儲數(shù)據(jù)與現(xiàn)場實際情況相差較大時，記憶截割模式退出，警示順槽集控中心值班人員。采煤機安裝自診系統(tǒng)，實時監(jiān)測采煤機運行狀態(tài)和檢測結(jié)果，所有采集數(shù)據(jù)及時傳輸至順槽控制中心與地面調(diào)度中心，及時處理潛在隱患。

3.2 智能化移架控制技術(shù)

液壓支架自動控制系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集層、設(shè)備控制層、管理監(jiān)控層三層構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集層通過預(yù)置傳感器采集液壓支架實時參數(shù)，并將其轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)電流信號；設(shè)備控制層通過控制器將來自下一層的數(shù)據(jù)信息傳遞給上位機進行存儲與處理，并執(zhí)行上位機的指令；管理監(jiān)控層實時監(jiān)測液壓支架運行參數(shù)、故障信息等關(guān)鍵參數(shù)，綜合研判后向控制主站發(fā)送命令。液壓支架聯(lián)機控制系統(tǒng)如圖2。

圖2 液壓支架聯(lián)機控制系統(tǒng)

電液控制系統(tǒng)在順槽控制中心即可實現(xiàn)液壓支架單架及成組動作；通過RFID 射頻技術(shù)和采煤機軸編碼器定位識別采煤機運行狀態(tài)，實現(xiàn)液壓支架跟機自動移架、自動推溜、噴霧控制、割三角煤自動化等諸多功能；系統(tǒng)實現(xiàn)帶壓移架功能，具有初撐力自動保持功能；為方便現(xiàn)場操作，能夠在線進行參數(shù)調(diào)整和現(xiàn)場程序更新[4-6]。

3.3 全面感知保障系統(tǒng)

薄煤層智能化工作面要求順槽控制中心及地面調(diào)度中心實時掌握井下工作面生產(chǎn)情況及關(guān)鍵設(shè)備運行狀況。通過加強現(xiàn)場視頻監(jiān)控，實時再現(xiàn)工作面生產(chǎn)現(xiàn)狀，確認(rèn)工作面煤壁及頂板狀態(tài)、采煤機運行狀態(tài)、支架工作狀態(tài)等關(guān)鍵信息，基于綜合分析結(jié)果，對采煤機、液壓支架、刮板輸送機、破碎機等關(guān)鍵設(shè)備進行遠(yuǎn)程操控，保障薄煤層智能化工作面安全高效開采。薄煤層工作面視頻監(jiān)控系統(tǒng)如圖3。

圖3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

4 現(xiàn)場應(yīng)用

薄煤層綜采工作面智能化控制系統(tǒng)在94316 工作面試驗成功，現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明：工作面更新智能化控制系統(tǒng)后，每天可完成15 個正規(guī)循環(huán)，較以往工效提升20%以上；工作面不再安排人員直接從事現(xiàn)場生產(chǎn)，僅安排2 名現(xiàn)場巡視人員和2 名遠(yuǎn)程監(jiān)控人員，對現(xiàn)場生產(chǎn)狀況及設(shè)備運行狀況進行實時監(jiān)控，直接生產(chǎn)工效提升至165 t/工；智能化控制系統(tǒng)運行平穩(wěn)可靠，降低工人勞動強度，保證現(xiàn)場人員安全，從根本上提升了礦井的安全系數(shù)與生產(chǎn)效率，現(xiàn)場應(yīng)用效果良好。

5 結(jié)論

結(jié)合寺河二號井94316 工作面現(xiàn)場地質(zhì)生產(chǎn)條件，通過對薄煤層開采裝備優(yōu)化與改進，研發(fā)適用于薄煤層工作面的智能化工作面控制系統(tǒng)，形成采煤機系統(tǒng)控制技術(shù)、智能化移架控制技術(shù)、全面感知保障系統(tǒng)，實現(xiàn)薄煤層工作面智能化開采，達到減員增效、提高薄煤層工作面生產(chǎn)效率的目的，社會經(jīng)濟效益顯著。