綜放工作面智能化開(kāi)采工藝研究

李海龍

(山西汾西礦業(yè)集團(tuán) 高陽(yáng)煤礦,山西 孝義 032306)

煤炭開(kāi)采時(shí)受煤層賦存條件復(fù)雜、瓦斯涌出量大、粉塵質(zhì)量濃度高等多種不利因素影響,采用先進(jìn)的技術(shù)手段提高井下開(kāi)采設(shè)備綜合自動(dòng)化、智能化水平,降低井下作業(yè)人員數(shù)量,對(duì)提高煤炭安全生產(chǎn)有顯著的促進(jìn)意義[1-3]。為此,文章在借鑒以往研究成果的基礎(chǔ)上,以1303工作面為工程研究對(duì)象,對(duì)采面采用的智能化開(kāi)采工藝進(jìn)行分析,以期為其他類(lèi)似采面智能化開(kāi)采工作提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 工程概況

1303工作面位于一盤(pán)區(qū)南部東側(cè),是山西某礦建設(shè)的首個(gè)自動(dòng)化工作面,工作面設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)度為1 656 m,傾斜長(zhǎng)度為260 m.回采的3號(hào)煤厚度6.0～5.5 m、平均6.3 m,傾角5°.3號(hào)煤層頂?shù)装鍘r性以粉砂巖、砂質(zhì)泥巖以及泥巖為主。1303工作面設(shè)計(jì)采高2.8 m、放煤高3.5 m,該工作面在材料巷內(nèi)布置供電、供液和集控中心,工作面設(shè)備供電電壓1 140 V,由設(shè)備列車(chē)集中供電,所用乳化液由地面遠(yuǎn)程集中供給。

1303工作面內(nèi)配備的主要開(kāi)采設(shè)備如表1所示。1303工作面從2020年10月24日開(kāi)始安裝,2021年3月1日開(kāi)始正式集中調(diào)試。截至2021年7月10日,1303自動(dòng)化工作面在地面集控中心實(shí)現(xiàn)一鍵啟停和遠(yuǎn)程控制,全工作面實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行,工作面刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)電機(jī)減速器關(guān)鍵點(diǎn)實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)。下文重點(diǎn)對(duì)采面使用的智能化開(kāi)采工藝進(jìn)行分析。

表1 采面設(shè)備配備情況

2 1303工作面智能化開(kāi)采關(guān)鍵技術(shù)

2.1 液壓支架電液控制系統(tǒng)

2.1.1 液壓支架常規(guī)控制功能

系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)本架及鄰架的手動(dòng)電控,具有單架和成組控制、聲音報(bào)警、急停閉鎖、故障自診斷功能。通過(guò)每個(gè)支架配置1個(gè)控制器、24功能電液控?fù)Q向閥和驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)。

2.1.2 液壓支架自動(dòng)化功能

支架控制器通過(guò)接收集控中心發(fā)出的采煤機(jī)編碼器位置及運(yùn)行方向,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟機(jī)拉架、自動(dòng)伸(收)護(hù)幫、自動(dòng)推溜、自動(dòng)拉溜。電液控制系統(tǒng)自動(dòng)完成對(duì)液壓支架尾梁和插板的控制,完成自動(dòng)放煤。

2.1.3 液壓支架的工況監(jiān)測(cè)和姿態(tài)調(diào)整功能

支架控制器通過(guò)采集行程、壓力、傾角傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整支架姿態(tài),并上傳集控中心進(jìn)行實(shí)時(shí)工況數(shù)據(jù)分析處理。

2.1.4 液壓支架礦壓監(jiān)測(cè)及分析功能

通過(guò)液壓支架立柱壓力傳感器實(shí)現(xiàn)集控中心實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示監(jiān)測(cè)參數(shù)并實(shí)時(shí)報(bào)警、連續(xù)監(jiān)測(cè)曲線顯示分析、歷史數(shù)據(jù)報(bào)警記錄、簡(jiǎn)單故障自診斷并上傳地面功能。

2.2 采煤機(jī)控制系統(tǒng)

2.2.1 工況監(jiān)測(cè)及顯示

采煤機(jī)控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的位置、速度,左右滾筒高度,機(jī)身仰俯角度,牽引方向,系統(tǒng)電壓,截割電機(jī)工作電流、電機(jī)溫度,機(jī)頭、機(jī)尾的采高、臥底,煤機(jī)滾筒運(yùn)行軌跡等的監(jiān)測(cè)。具體實(shí)現(xiàn)路徑為[4-8]:

1) 安裝于采煤機(jī)右側(cè)編碼器1個(gè),與右牽引電機(jī)軸相連,用于對(duì)采煤機(jī)位置、速度的采集計(jì)算;

2) 安裝于左右搖臂(靠近搖臂與采煤機(jī)連接軸)傾角傳感器2個(gè),測(cè)量搖臂傾角;安裝于電控腔內(nèi)部?jī)A角傳感器1個(gè),測(cè)量機(jī)身傾角;

3) 安裝于采煤機(jī)搖臂振動(dòng)傳感器2個(gè),監(jiān)測(cè)搖臂振動(dòng);安裝于左右牽引電機(jī)三級(jí)(最大)齒輪邊緣D齒輪傳感器2個(gè),用于采煤機(jī)位置、速度的計(jì)算;

4) 安裝于采煤機(jī)機(jī)身中部1個(gè)復(fù)位傳感器,復(fù)位磁鐵分別裝于前刮板機(jī)10架和112架支架位置,數(shù)量各1個(gè),對(duì)采煤機(jī)位置進(jìn)行校正;

5) 安裝于采煤機(jī)中部一套FYF5紅外線發(fā)射器,通過(guò)發(fā)射紅外線指示采煤機(jī)的位置。具體各監(jiān)測(cè)設(shè)備及傳感器布置情況如圖1所示。

圖1 監(jiān)測(cè)設(shè)備及傳感器布置示意

2.2.2 遠(yuǎn)程控制

通過(guò)集控中心操作鍵盤(pán),經(jīng)過(guò)系統(tǒng)內(nèi)部程序向采煤機(jī)發(fā)送指令進(jìn)行遠(yuǎn)程控制,控制延時(shí)時(shí)間不得超過(guò)100 ms.具體實(shí)現(xiàn)路徑為:安裝于采煤機(jī)機(jī)身靠支架側(cè)無(wú)線發(fā)射、接收裝置1個(gè);安裝于支架(隔6架或9架)上無(wú)線AP共15個(gè),用于數(shù)據(jù)傳輸,達(dá)到遠(yuǎn)程控制。

2.2.3 瓦斯預(yù)警功能

采煤機(jī)配備機(jī)載瓦檢儀,當(dāng)瓦斯超限時(shí)采煤機(jī)具備報(bào)警、減速、斷電停機(jī)等功能。

2.2.4 負(fù)載聯(lián)運(yùn)控制功能

集控中心實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)刮板運(yùn)輸機(jī)工作電流狀況和轉(zhuǎn)載機(jī)處安裝的煤流、煤量傳感器提供的參數(shù),當(dāng)負(fù)荷較大時(shí),集控系統(tǒng)減慢牽引速度。

2.2.5 慣導(dǎo)系統(tǒng)功能

采煤機(jī)內(nèi)部安裝慣導(dǎo)系統(tǒng),通過(guò)實(shí)時(shí)采集采煤機(jī)的運(yùn)行軌跡獲得刮板輸送機(jī)曲線,通過(guò)集控中心數(shù)據(jù)處理分析和支架配備的精準(zhǔn)推溜系統(tǒng),最終實(shí)現(xiàn)工作面三直兩平管理。

2.3 運(yùn)輸系統(tǒng)

2.3.1 運(yùn)輸系統(tǒng)的工況監(jiān)測(cè)及故障報(bào)警停車(chē)功能

1) 通過(guò)與膠帶變頻器通訊,采集運(yùn)行的電壓、電流、軸承溫度繞阻溫度、膠帶帶速、運(yùn)行頻率傳入集控中心,在綜合監(jiān)控界面上集中顯示,并對(duì)異常數(shù)據(jù)報(bào)警停車(chē)。

2) 通過(guò)采集刮板運(yùn)輸機(jī)減速器上安裝的油溫、油位、軸承溫度傳感器等,采集變頻器電壓、電流、頻率等數(shù)據(jù)傳入集控中心,在綜合界面上集中顯示,并對(duì)異常數(shù)據(jù)報(bào)警。

2.3.2 運(yùn)輸系統(tǒng)的控制功能

控制模式包括就地控制、遠(yuǎn)程控制及自動(dòng)控制等,通過(guò)工作面及巷道膠帶機(jī)集控語(yǔ)音通訊實(shí)現(xiàn)三機(jī)的就地、遠(yuǎn)程、自動(dòng)控制,啟停預(yù)警,沿線閉鎖,急?？刂?自動(dòng)模式下優(yōu)先就地停車(chē)控制。冷卻水自動(dòng)控制:根據(jù)三機(jī)啟停狀態(tài),自動(dòng)控制冷卻水的電磁閥,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

2.4 巷道集控

2.4.1 一鍵啟停功能

在巷道集控中心對(duì)設(shè)備進(jìn)行“一鍵”啟停操作,實(shí)現(xiàn)乳化液泵站、除鐵器、膠帶機(jī)、破碎機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、后/前刮板輸送機(jī)、噴霧泵站、采煤機(jī)設(shè)備的啟停操作。

2.4.2 集中、遠(yuǎn)程控制

集中、遠(yuǎn)程控制的主要功能為:實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓支架的遠(yuǎn)程控制、工作面運(yùn)輸設(shè)備的集中控制、對(duì)工作面泵站的集中控制。具體實(shí)現(xiàn)路徑為:通過(guò)工作面控制中心鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的啟停操作; 通過(guò)通訊協(xié)議及CAN總線通訊完成各設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)采集、集中控制。

2.4.3 監(jiān)測(cè)功能

綜采工作面設(shè)備工況的監(jiān)測(cè)。實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸設(shè)備的啟停狀態(tài)、工作電流、功率等工況顯示;液壓支架的姿態(tài)、壓力值、推移行程、各電磁閥的工作狀態(tài)、通訊狀態(tài)等工況顯示;泵站系統(tǒng)的出口壓力、油溫油位狀態(tài)、液箱液位等工況顯示。具體實(shí)現(xiàn)路徑為:集控中心通過(guò)與工作面液壓支架的CAN總線通訊,實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓支架的工況監(jiān)測(cè)。通過(guò)采集變頻器與組合開(kāi)關(guān)的485通訊,實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)輸設(shè)備的工況監(jiān)測(cè)。通過(guò)與乳化液泵站系統(tǒng)的電控箱485通訊,高壓反沖洗、回液反沖洗壓力傳感器及乳化液箱濃度傳感器的反饋通訊,來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)泵站和反沖洗系統(tǒng)的工況檢測(cè)。

在工作面布置68臺(tái)千兆網(wǎng)絡(luò)交換機(jī),通過(guò)萬(wàn)兆網(wǎng)線和光纖進(jìn)行連接,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸。

2.4.4 視頻功能

在工作面端頭、工作面端尾各配備1臺(tái)本質(zhì)安全型綜合接入器,礦用光纜連接,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)攝像儀,采用以太網(wǎng)進(jìn)行視頻信息及數(shù)據(jù)信息傳輸,接入到集控中心視頻服務(wù)器,通過(guò)6臺(tái)防爆顯示器對(duì)工作面所有視頻及數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示(含跟機(jī)視頻、轉(zhuǎn)載點(diǎn)視頻、防誤入視頻)。監(jiān)控顯示巷道、支架和采煤機(jī)的網(wǎng)絡(luò)攝像頭視頻畫(huà)面。

2.5 設(shè)備列車(chē)、泵站及過(guò)濾系統(tǒng)、供電系統(tǒng)

設(shè)備列車(chē)上通過(guò)安裝支架控制器、電磁閥驅(qū)動(dòng)器、無(wú)線遙控等設(shè)備,實(shí)現(xiàn)就地及無(wú)線控制,拉移之前聲光報(bào)警。

2.5.1 泵站及過(guò)濾系統(tǒng)

1) 監(jiān)測(cè)監(jiān)控:采集乳化液泵安裝的油溫、油位、液位、壓力、乳化液濃度傳感器數(shù)據(jù),通過(guò)泵站的集控箱傳入集控中心,在綜合監(jiān)控界面上集中顯示,油溫、油位、壓力異常時(shí)保護(hù)停車(chē),液位低于設(shè)定值時(shí)自動(dòng)補(bǔ)液,采集噴霧泵出口安裝的壓力傳感器數(shù)據(jù),傳入集控中心顯示,并實(shí)現(xiàn)壓力異常報(bào)警。

采集高壓反沖洗過(guò)濾站、回液過(guò)濾站安裝的進(jìn)出口壓力傳感器數(shù)據(jù),通過(guò)分站傳入集控中心,在綜合監(jiān)控界面上集中顯示,并實(shí)現(xiàn)超壓報(bào)警。

2) 乳化泵聯(lián)動(dòng)控制:通過(guò)泵站集控箱與巷道集控中心,可實(shí)現(xiàn)對(duì)泵站的單設(shè)備啟?？刂?以及實(shí)現(xiàn)多臺(tái)泵站的聯(lián)動(dòng)控制。

3) 噴霧泵就地遠(yuǎn)程控制:通過(guò)工作面及巷道膠帶機(jī)集控語(yǔ)音通訊和巷道集控中心實(shí)現(xiàn)就地遠(yuǎn)程控制。

2.5.2 供電系統(tǒng)

1) 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)及控制:通過(guò)485通信接口采集移動(dòng)變電站、組合開(kāi)關(guān)、照明綜保的電壓、電流等數(shù)據(jù),傳入集控中心顯示運(yùn)行參數(shù)和故障報(bào)警,集控中心通過(guò)485通信接口遠(yuǎn)程控制。

2) 井下集控中心安裝UPS備用電源,保障集控中心供電可靠性。

2.6 煤流、煤量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

實(shí)時(shí)監(jiān)控轉(zhuǎn)載機(jī)上的順煤流煤量大小,綜合分析當(dāng)前煤流量等級(jí),得出結(jié)論來(lái)控制采煤機(jī)牽引速度和截割煤量,使設(shè)備實(shí)現(xiàn)降低能耗,綠色運(yùn)輸?shù)墓δ?。具體實(shí)現(xiàn)路徑為:通過(guò)采集轉(zhuǎn)載機(jī)上瞬時(shí)煤量的高度來(lái)分析當(dāng)前煤量,通過(guò)對(duì)前后刮板輸送機(jī)負(fù)荷電流大小做出判斷,實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)減速控制或停止液壓支架自動(dòng)放煤動(dòng)作。

2.7 人員防誤入系統(tǒng)

防誤入系統(tǒng)由視屏采集、智能視覺(jué)算法和控制程序組成。 防誤入的預(yù)警、停機(jī)是通過(guò)在前溜機(jī)頭劃定危險(xiǎn)區(qū)域,當(dāng)智能系統(tǒng)檢測(cè)到此危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)有人員誤入時(shí),發(fā)出語(yǔ)音預(yù)警,并將前后溜及轉(zhuǎn)載機(jī)急停,實(shí)現(xiàn)了對(duì)井下危險(xiǎn)區(qū)域的智能實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況分析

3.1 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用存在問(wèn)題分析及解決措施

1) 自動(dòng)拉架過(guò)程中,支架放煤口由于存在矸石別卡情況,部分放煤口不能充分關(guān)閉。采取的措施:優(yōu)化支架程序,拉架過(guò)程中再次自動(dòng)伸插板,保證放煤口充分關(guān)閉。

2) 液壓支架前伸縮梁、尾梁行程傳感器出現(xiàn)設(shè)計(jì)不合理,致使行程傳感器和電纜損壞情況嚴(yán)重。采取的措施:前梁伸縮行程傳感器重新設(shè)計(jì),更改行程傳感器尺寸;尾梁行程傳感器在插板油缸耳子上加裝鋼筋,用U型環(huán)與傳感器連接。

3) 工作面及巷道語(yǔ)音集控通訊系統(tǒng)的主機(jī)控制系統(tǒng)為單片機(jī),抗變頻器諧波等外界干擾能力差,易發(fā)生運(yùn)行過(guò)程中通訊不穩(wěn)定情況。采取的措施:主機(jī)外殼設(shè)置獨(dú)立接地線,主機(jī)內(nèi)加裝3塊光電輸入隔離模塊,避免了外界干擾。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

1303工作面為礦井首個(gè)智能化開(kāi)采工藝面,鄰近的1301工作面采用傳統(tǒng)的綜放開(kāi)采工藝。兩個(gè)采面位于同一個(gè)采區(qū)且位置鄰近,采面回采區(qū)域內(nèi)煤層賦存參數(shù)基本一致,為此統(tǒng)計(jì)兩個(gè)采面生產(chǎn)期間煤炭開(kāi)采情況,人員使用情況以及推進(jìn)速度、產(chǎn)量等,用以分析智能化開(kāi)采應(yīng)用效果。兩個(gè)采面人員使用情況比對(duì)如表2所示。從表2看出,采用智能化開(kāi)采工藝,在減員增效方面表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。

表2 采面人員使用情況比對(duì)結(jié)果

兩個(gè)采面開(kāi)采統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2所示。

圖2 采面煤炭回采統(tǒng)計(jì)圖

從圖2看出,采用智能化開(kāi)采工藝后,采面單刀煤炭產(chǎn)量穩(wěn)定在1 625 t,煤炭產(chǎn)出率約為92%.而采用傳統(tǒng)的綜放工藝時(shí)采面單刀產(chǎn)量穩(wěn)定在1 470 t,煤炭產(chǎn)出率約為75%.12308綜放工作面采用智能化開(kāi)采方案后,采面煤炭產(chǎn)率由75%提升至92%,在一定程度上提升了煤炭開(kāi)采效率。

4 結(jié) 語(yǔ)

智能化開(kāi)采是提高井下煤炭產(chǎn)量、減少井下人員數(shù)量以及提升煤炭開(kāi)采效益的主要途徑之一。文中以1303工作面為工程背景,對(duì)采面使用的智能化開(kāi)采工藝及設(shè)備進(jìn)行分析,智能化開(kāi)采工藝在減少井下作業(yè)人員數(shù)量、提高安全生產(chǎn)保障能力以及降低勞動(dòng)強(qiáng)度等方面有顯著的促進(jìn)意義。