厚煤層大采高智能化綜采工作面關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

孫延斌，陳寶東，吳 濤，王百曉

(棗礦集團付村煤業(yè)有限公司，山東 棗莊 277615)

當(dāng)前，安全、智能、綠色、高效是我國煤礦發(fā)展的大趨勢[1]。綜采工作面作為整個煤炭開采系統(tǒng)中的重中之重，其設(shè)備選型、工藝技術(shù)等方面相較于其他環(huán)節(jié)更為復(fù)雜，同時，綜采工作面各系統(tǒng)關(guān)聯(lián)性差、信息透明度低、作業(yè)人員多且雜等諸多問題已成為制約煤炭資源安全高效開采的瓶頸。隨著智能化與信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，加快推動建立智能化綜采工作面，引進裝備智能化、自動化控制技術(shù)，實現(xiàn)工作面采場信息的全方位感知與動態(tài)預(yù)測預(yù)報、各工藝設(shè)備工作群實時監(jiān)測與協(xié)同控制，是煤炭企業(yè)面臨工業(yè)技術(shù)革新的必然選擇[2，3]。

1995年，馮夏庭和王泳嘉指出煤礦智能化開采是21世紀我國采礦科學(xué)發(fā)展的新方向，并從礦山控制系統(tǒng)、智能采礦巖石力學(xué)模型、智能礦山機器人三個方面探討了煤礦智能化開采的發(fā)展方向[4，5]，煤礦智能化開采開始在我國受到關(guān)注。進入21世紀后，以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為標志的第四次工業(yè)革命為煤炭開發(fā)探索出了新技術(shù)、新模式[6，7]。王國法院士等總結(jié)了我國現(xiàn)代煤炭資源開采現(xiàn)狀及智能化發(fā)展進程，進一步明確了煤礦智能化開采的概念與內(nèi)容，詳細闡述了其關(guān)鍵理論、技術(shù)、裝備[8-11]，并對煤礦智能開采的目標及發(fā)展路徑進行了預(yù)計[12]。袁亮院士等提出了煤礦精準開采理念，認為智能化是實現(xiàn)煤礦高效開采與災(zāi)害防控的關(guān)鍵技術(shù)[13-15]。李梅等[16]闡述了當(dāng)前數(shù)字礦山建設(shè)的主要內(nèi)容，提出了智慧礦山的技術(shù)框架，并圍繞安全、管理、效益等方面探討了智慧礦山建設(shè)涉及的關(guān)鍵技術(shù)，對智慧礦山建設(shè)具有重要指導(dǎo)意義。任懷偉等[17-18]針對大采高工作面的開采過程控制需求，開展了超大采高工作面智能化控制技術(shù)研究，實現(xiàn)了各系統(tǒng)間的互補與校正，并在兗礦集團有限公司金雞灘煤礦成功應(yīng)用。黃陵礦業(yè)經(jīng)過多年產(chǎn)學(xué)研技術(shù)攻關(guān)，成功將智能化開采研究成果推廣至礦山生產(chǎn)活動，實現(xiàn)了煤炭資源的智能化開采[19]，在我國煤炭開采史上具有劃時代的意義。

目前，國內(nèi)外對于智慧礦山的探索仍處于初級階段，綜采工作面生產(chǎn)過程仍是人為主導(dǎo)，期間反復(fù)進行人工判斷在一定程度上阻礙了生產(chǎn)過程的連續(xù)性，制約了生產(chǎn)效率，且裝備的生產(chǎn)能力未能得到充分的發(fā)揮。鑒于此，本文以付村煤礦為工程背景，依據(jù)付村煤礦3上煤層賦存環(huán)境與開采條件，開展了厚煤層大采高智能化綜采工作面關(guān)鍵技術(shù)研究。

1 智能化工作面概況

付村煤礦位于山東省棗莊市微山縣境內(nèi)，核定生產(chǎn)能力為270萬t/a，井田面積約為24.91 km2，井田內(nèi)主采煤層為3#煤層，賦存條件簡單，煤層厚度較穩(wěn)定，平均煤厚約5.7 m。3上1008工作面位于東十采區(qū)南部，采區(qū)面積179722.8 m2，主采煤層3上煤層，煤層底板標高-498.6～-536.5 m，平均煤厚約5.36 m，工作面可采走向長度750 m，傾斜長度238.4 m，煤層傾角0～6°。

3上1008智能化綜采工作面基本頂為厚度9.8 m灰白色中粒砂巖，f=6～8，直接頂為厚度5 m深灰色致密狀粉砂巖，f=4～6，直接底為厚度0.45 m黑灰色砂質(zhì)泥巖，f=3～4，基本底為4.67 m深灰色粉砂巖，f=4～6。

付村煤礦現(xiàn)有采高最大的液壓支架為ZY6400/25/53型再制造支架，該支架服務(wù)時長已達10 a，若該支架在東十采區(qū)3上1008工作面繼續(xù)使用，該工作面造成34萬t煤炭資源損失，不僅造成巨大的經(jīng)濟損失，同時，老舊設(shè)備的高額維修費用將極大增加開采成本。

2 厚煤層大采高智能液壓支架關(guān)鍵技術(shù)

2.1 大采高液壓支架智能化電控系統(tǒng)

在改善支護效果、提高工作面自動化程度等方面，綜采工作面液壓支架電液控制系統(tǒng)具有手動液壓控制支架其無法比擬的優(yōu)點。為實現(xiàn)電控系統(tǒng)常態(tài)化的需求，3上1008智能化工作面采用ZY9000/27/60型掩護式液壓支架，搭載新型電控系統(tǒng)，其單元結(jié)構(gòu)采用控制器與驅(qū)動器分離的設(shè)計，如圖1所示，選用ZDYZ-Z(A)型控制器，保留紅外、壓力、位移及傾角等基礎(chǔ)傳感器采集接口，另預(yù)留一路傳感器總線接口，用于擴展傳感器采集裝置，由于煤礦綜采自動化工作面監(jiān)測與控制數(shù)據(jù)傳輸速度理論峰值在10 kb/s，選取CAN作為液壓支架電控系統(tǒng)總線通信技術(shù)?？刂破鲀?nèi)置無線通信模塊，與安裝在液壓支架頂梁、護幫板及采煤機機身上的無線傳感器維持正常無線通信，結(jié)合定位距離、功耗與無線通信的要求，采用Zigbee無線通信技術(shù)，實現(xiàn)了無線遙控、人員定位及無線通信。通過井下實際應(yīng)用，該智能化電控系統(tǒng)滿足了智能化工作面電控常態(tài)化的要求。

圖1 電控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)格構(gòu)成Fig.1 Electric control system network grid structure diagram

2.2 大采高液壓支架在線壓力監(jiān)測系統(tǒng)

針對工作面液壓支架壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)采集傳輸無法滿足實時性要求，3上1008工作面采用分布式壓力動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計每架液壓支架布置安裝一臺ZDYZ-Z(A)型控制器與至少3個傳感器，包括壓力傳感器，推移傳感器與紅外傳感器等，另每隔8架安裝一組3個傾角傳感器，如圖2所示，每架液壓支架安裝的傳感器通過4芯線與本架的控制器連接，壓力傳感器將采集到的工作面壓力模擬電流變化，經(jīng)ZDYZ-Z(A)型控制器中A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為壓力信號，通過CAN總線通信技術(shù)與井下集控中心計算機進行直接通訊，井下工作面集控中心主機將初步處理后的數(shù)據(jù)存儲至本地數(shù)據(jù)庫，同時通過光纖以太網(wǎng)將井下采集的實時數(shù)據(jù)傳輸至井上調(diào)度室主機，如圖3所示。通過井下實際應(yīng)用，該系統(tǒng)實現(xiàn)了對液壓支架工況壓力的實時監(jiān)測。

圖2 大采高液壓支架傳感器配置Fig.2 Sensor configuration diagram of large mining high hydraulic support

圖3 壓力監(jiān)測系統(tǒng)通信鏈路Fig.3 Communication link diagram of pressure monitoring system

2.3 大采高液壓支架智能跟機移架姿態(tài)控制技術(shù)

以往綜采工作面液壓支架跟機移架自動化控制往往依賴單一的時間參數(shù)，存在咬架丟架、立柱支撐力不足等問題，影響跟機自動化應(yīng)用。3上1008綜采工作面在支架自動移架時引入姿態(tài)控制，設(shè)計每隔八架安裝一組3個傾角傳感器，實時采集支架傾角、俯仰采支架姿態(tài)以及支架支護高度等數(shù)據(jù)，在支架立柱降柱卸壓與升柱初撐階段，平衡千斤頂根據(jù)支架頂梁的俯仰角度實時調(diào)整伸收狀態(tài)，使支架頂梁的角度始終處于設(shè)定的范圍內(nèi)，支架控制器根據(jù)傾角傳感器反饋角度計算出支架的高度，當(dāng)支撐高度超過允許的最大支撐高度時，支架控制器會進行自動調(diào)整，同時側(cè)護板千斤頂根據(jù)支架底座的橫滾角實時調(diào)整伸收狀態(tài)，防止處于傾斜狀態(tài)的支架在移架過程中發(fā)生咬架，姿態(tài)監(jiān)控參數(shù)見表1，3上1008工作面采用采煤工藝升級支架控制嵌入式軟件，增加端頭斜切功能，完善跟機算法最終實現(xiàn)全工作面常態(tài)化自動跟機功能。通過現(xiàn)場實際應(yīng)用，該技術(shù)保證了單架自動降-移-升時間在10 s內(nèi)，3架同時移架總時間在27 s內(nèi)，滿足了液壓支架跟機自動化控制，實現(xiàn)了對液壓支架的閉路控制。

表1 大采高液壓支架姿態(tài)監(jiān)控Table 1 Attitude monitoring of hydraulic support for large mining height

3 厚煤層工作面采煤機智能化控制技術(shù)

3.1 采煤機機載智能化控制技術(shù)

目前國內(nèi)采煤機控制主要停留在人工現(xiàn)場操作階段，由于現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜多變，操作人員很難及時準確判斷采煤機的工作狀態(tài)，為實現(xiàn)對采煤機的工況監(jiān)測與定姿定位，設(shè)計3上1008綜采工作面采用基于DSP控制器與CAN總線技術(shù)的電牽引采煤機專用控制裝置，該裝置由多個智能功能模塊、多總線控制通信網(wǎng)、傳感監(jiān)測系統(tǒng)與人工顯示操作接口構(gòu)成，主要功能模塊均以TMS320系列高性能DSP控制器為核心，該系列DSP控制器CPU采用超級哈佛結(jié)構(gòu)，集成了諸如高級事件管理器、高速多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器、CAN總線控制器、SPI總線和SCI通信接口等多個模塊，各模塊硬件大量采用可編程邏輯器件CPLD，利用高度靈活的可編程器件簡化電路設(shè)計，將部分控制邏輯以硬件電路的形式在CPLD中實現(xiàn)，紅外傳感監(jiān)測器根據(jù)采煤機的結(jié)構(gòu)特點安裝分布在采煤機不同位置，實時采集采煤機左右搖臂高度、采煤機行走位置、機身傾斜度等工況信息，在現(xiàn)有采煤機必備電纜的基礎(chǔ)上，增加2芯的總線通信電纜，將兩條完全獨立的CAN線通道作為重要模塊之間的控制通信網(wǎng)，實現(xiàn)了與工作巷集控中心甚至地面調(diào)度中心的直接通訊。

3.2 大采高工作面采煤機自動割煤技術(shù)

“記憶截割”技術(shù)來源自機器人控制方面的“示教跟蹤”策略，目前大采高工作面的采煤機機載控制系統(tǒng)的采樣頻率已高達億萬級，龐大的數(shù)據(jù)無法完整記錄分析[20]。針對上述問題，將3上1008工作面采煤機截割路徑記憶點分為常規(guī)記憶點與關(guān)鍵記憶點。設(shè)置常規(guī)記憶點采集間距為1 m，整個綜采工作面共設(shè)置248個記憶點，以記錄采煤機整個工作過程中的設(shè)備狀態(tài)，當(dāng)采煤機接收來自外部的控制命令而改變自身工作狀態(tài)與姿態(tài)時，將該點設(shè)置為關(guān)鍵記憶點。采煤機操作人員控制采煤機根據(jù)煤層變化調(diào)節(jié)滾筒高度，并結(jié)合液壓支架移架速度及刮板機負載能力調(diào)整采煤機牽引速度，完成一個割煤循環(huán)。在此過程中，采煤機的控制器將記錄采煤機行程位置、牽引速度、姿態(tài)角度與滾筒高度等工況信息，并對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行整理分析并壓縮存儲。為更好地執(zhí)行記憶截割，系統(tǒng)預(yù)留14個工藝段，如圖4所示，系統(tǒng)默認采煤機記憶學(xué)習(xí)為第一個工藝段，當(dāng)司機改變采煤機牽引方向，系統(tǒng)會增加一個工藝段(工藝段序號自動+1)，當(dāng)完成一個割煤循環(huán)，系統(tǒng)自動結(jié)束記憶學(xué)習(xí)，以自由曲線的模式將采煤機截割循環(huán)作業(yè)工藝過程完成地記憶下來，并在自動模式下復(fù)刻截割過程。通過現(xiàn)場實際應(yīng)用，3上1008工作面采煤機最高牽引割煤速度可達12 m/min，滾筒截割高度的穩(wěn)態(tài)重復(fù)誤差不大于4 cm，實現(xiàn)了智能化工作面采煤機的自適應(yīng)循環(huán)作業(yè)。

圖4 采煤機記憶截割工藝段劃分Fig.4 Section division diagram of coal mining machine memory cutting process

4 智能化工作面其他關(guān)鍵技術(shù)與工業(yè)應(yīng)用

4.1 智能化工作面設(shè)備集成控制

智能化工作面設(shè)備集成控制系統(tǒng)用于實現(xiàn)在工作面巷道的監(jiān)控中心對綜采設(shè)備進行統(tǒng)一自動化控制，并通過井下環(huán)網(wǎng)與地面調(diào)度中心通訊，做到地面對綜采工作面的遠程監(jiān)控。3上1008智能化工作面基于智能化開采集控配套設(shè)計理念，建立了由智能化工作面、井下工作面監(jiān)控中心與地面調(diào)度中心構(gòu)成的三級控制框架，從而確保各設(shè)備協(xié)調(diào)、連續(xù)、高效、安全運行，如圖5所示，達到了智能化工作面減員增效的目的。

圖5 工作面巷道集控系統(tǒng)示意Fig.5 Schematic diagram of entry centralized control system

4.2 可視化遠程協(xié)同控制技術(shù)

為實現(xiàn)工作面主要綜采設(shè)備視頻監(jiān)控以及工作面視頻輔助自動化跟機的目的，在3上1008工作面安裝一套視頻監(jiān)控系統(tǒng)，如圖6所示，工作面每6架安裝一臺槍機攝像頭，139臺支架共需安裝23個槍機攝像頭，實現(xiàn)了在高粉塵、高水霧、光線差的情況下面向煤壁監(jiān)控采煤機前后滾筒截割狀態(tài)、支架護幫伸收及煤壁狀態(tài)。同時，為了實現(xiàn)工作面遠景監(jiān)測，在工作面支架上每隔23架安裝一個球機攝像頭，以充分監(jiān)測采煤機實時工況和工作面直線度。

圖6 工作面視頻監(jiān)控系統(tǒng)Fig.6 Working face video surveillance system

3上1008智能化工作面集控系統(tǒng)對工作面各系統(tǒng)進程與采煤機位置信息進行匹配，對采煤機控制系統(tǒng)、液壓支架電液控制系統(tǒng)、轉(zhuǎn)載機控制系統(tǒng)、帶式輸送機控制系統(tǒng)、泵站控制系統(tǒng)等綜采工作面子系統(tǒng)進行集中監(jiān)控，通過自動化集控平臺將各子系統(tǒng)進行融合，并搭配工作面視頻監(jiān)視系統(tǒng)，實現(xiàn)全工作面的綜采設(shè)備在工作面集控中心與地面調(diào)度中心一鍵啟停操控，建立了“可視化遠程協(xié)同控制”的智能化生產(chǎn)模式。

4.3 智能化綜采工作面云平臺關(guān)鍵技術(shù)

3上1008智能化綜采工作面云平臺設(shè)計是面向全國區(qū)域的綜采自動化工作面，其整體框架部署構(gòu)成如圖6所示。在付村煤礦現(xiàn)有工業(yè)以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用云計算、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)技術(shù)，將綜采自動化工作面支架、采煤機、刮板運輸機、轉(zhuǎn)載、破碎、膠帶、泵站等設(shè)備工況信息、生產(chǎn)過程信息、環(huán)境信息等生產(chǎn)現(xiàn)場動態(tài)實時發(fā)布到云端、PC端、移動終端及智能電視，如圖7所示，對煤炭企業(yè)管理人員隨時隨地了解自動化工作面現(xiàn)場動態(tài)及設(shè)備廠家遠程故障診斷與分析有著積極的意義。

圖7 Web云平臺系統(tǒng)架構(gòu)Fig.7 Web cloud platform system architecture diagram

4.4 工業(yè)應(yīng)用

自2017年11月以來，厚煤層大采高智能化綜采工作面關(guān)鍵技術(shù)在棗礦集團付村煤礦3上1008工作面進行實施應(yīng)用，該工作面創(chuàng)新性使用“二八”制勞動組織模式，取消了夜班生產(chǎn)，工作面生產(chǎn)班人員數(shù)量由的12人減少為5人巡視檢查，減員率達50%以上。日采煤6000 t，技術(shù)應(yīng)用效果顯著，實現(xiàn)了6 m厚煤層綜采工作面復(fù)雜條件下的自動化、少人化的常態(tài)開采目標。

5 結(jié) 論

1)棗礦集團付村煤礦綜合考慮安全、經(jīng)濟、資源回收等多方面因素，提出在3上1008綜采工作面建立了厚煤層大采高智能化工作面的構(gòu)想，并在現(xiàn)場取得了成功實踐，資源回收率提升98%，大幅減小工作面作業(yè)人員，達到了減員增效的開采目的，并為厚煤層大采高智能化生產(chǎn)系統(tǒng)的發(fā)展提供示范基礎(chǔ)與指導(dǎo)意義。

2)3上1008工作面采用ZY9000/27/60型掩護式液壓支架，搭載新型電控系統(tǒng)，增加多種紅外、位移、壓力及傾角傳感器，實時采集支架傾角、俯仰采支架姿態(tài)、支架高度以及支架立柱壓力等工況信息，基于支架立柱壓力數(shù)據(jù)、推移量數(shù)據(jù)、采煤機位置等數(shù)據(jù)，自動調(diào)整液壓支架跟機姿態(tài)，并增加端頭斜切功能，完善跟機算法最終實現(xiàn)全工作面常態(tài)化自動跟機功能。通過現(xiàn)場實際應(yīng)用，該技術(shù)保證了單架自動降-移-升時間在10 s以內(nèi)，3架同時移架總時間不超過27 s內(nèi)，滿足了液壓支架跟機自動化控制，實現(xiàn)了對液壓支架的閉路控制。

3)采用基于紅外傳感器與軸編碼裝置兩種煤機位置檢測技術(shù)相融合的方式，實現(xiàn)了工作面復(fù)雜環(huán)境下煤機位置的連續(xù)輸出，通過對采煤機位置、支架位移、支架高度與采煤機滾筒高度等工況信息的綜合研判與遠程自動干涉，實現(xiàn)了采煤機記憶截割作業(yè)，經(jīng)現(xiàn)場實際應(yīng)用，3上1008工作面采煤機最高牽引割煤速度可達12 m/min，滾筒截割高度的穩(wěn)態(tài)重復(fù)誤差小于4 cm，實現(xiàn)了智能化工作面采煤機的自適應(yīng)循環(huán)作業(yè)。

4)3上1008工作面集成了液壓支架電控系統(tǒng)、采煤機自動化系統(tǒng)、工作面視頻輔助系統(tǒng)與工作面集控自動化系統(tǒng)，在地面與井下實現(xiàn)一鍵自動化順序啟停、液壓支架的遠程與自動化控制、采煤機的遠程與自動化控制、視頻輔助干預(yù)與自動跟隨等核心功能。通過自動化的實施，該工作面開采效率顯著提高，現(xiàn)場施工人員的勞動強度大大減少，正常生產(chǎn)人員由12人減少至5人，為付煤公司在取消夜班生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)“朝九晚五、周末集休”的目標創(chuàng)造了條件，極大提高了煤礦工人的幸福指數(shù)。