煤矿综采工作面智能化控制技术应用

高洪强 王杨 卜兴昌

摘 要：近年来随着综采智能化开采技术在国内各大煤炭集团的推广应用，其在国内采煤条件下趋于成熟。同时推进煤矿机械化、自动化、信息化和自动化的“四化”水平也是推进煤矿工业转型发展的根本出路。煤矿综采工作面采煤工艺环节复杂、设备数量多，设备之间相互制约、相互协调， 任何一个设备都无法脱离其他设备独立完成任务，同时这些设备的动作还受地质条件、环境条件的制约。因此需要通过为这些设备配套“聪明的大脑”（集控中心），实现对工作面各个采煤部件的统一管控。自动化项目通过构建由一个核心控制系统、一个平台、各子系统组成的智能化控制系统实现协调联动控制，完成工作面生产过程自动化控制，提高生产效率，通过地面分控中心将数据融合到基于物联网技术的综采设备智能化管理系统，实现数据数据共享、远程管理和深度利用。

关键词：综采智能化;自动化控制;各子系统;数据共享

中图分类号：TD823.97 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）09-0162-02

0 引言

随着国家“机械化换人、自动化减人”的科技强安专项行动通知的发布，推进煤矿机械化、自动化、信息化和自动化的“四化”水平是提高煤矿本质安全水平，促进煤矿安全发展的必由之路，也是推进煤矿工业转型发展的根本出路。煤矿加强与装备提供商的战略合作，积极引进和共同研发采煤新技术、新工艺、新装备，是煤矿安全可靠的生产提供技术支撑[1]。

1 工作面回采工艺阐述

1.1工作面回采工艺概念

工作面回采工艺分为：落煤、装煤、运煤、支护以及处理采空区。

落煤：利用采煤机割煤，端部斜切进刀，左滚筒割顶煤，右滚筒割底煤，采用单向割煤，往返一次割一刀。

装煤：利用采煤机配合刮板运输机进行装煤。下行割煤时，采煤机滚筒通过螺旋叶片将煤装入工作面刮板输送机内。上行空刀清理浮煤时，采煤机滚筒将下行割煤时未完全装净的煤装入刮板输送机内。推移刮板输送机时，通过铲煤板将底板浮煤装入刮板输送机内。

运煤：利用刮板运输机、转载机、胶带输送机等联合进行运煤。

支护：使用排头架、掩护式液压支架、过渡支架联合管理工作面顶板。

处理采空区：采用全部跨落法处理采空区。

1.2回采工艺流程

具体流程为：采煤机上端头斜切进刀→正常下行割煤→移架→采煤机返机上行清浮煤→推刮板输送机→采煤机上端头斜切进刀→进入下一循环。

1.2.1采煤机进刀

工作面采用上端头斜切进刀自开缺口方式，具体操作如下：

采煤机上行空刀返机清理浮煤，滞后采煤机依次推移刮板输送机。

采煤机返机至上部刮板机弯曲段，采煤机右滚筒升高割顶煤，左滚筒割底煤，开始斜切进刀，采煤机达到正常截割深度后进刀完毕。推移刮板输送机至平直状态，同时采煤机继续上行割透煤壁。

采煤机割透煤壁后，将右滚筒降下割底煤，反向将采煤机机身部底煤割尽。

采煤机割完三角煤后，将左滚筒升高割顶煤，右滚筒割底煤，进入正常割煤状态。

1.2.2下行割煤

采煤机下行割煤，左滚筒（本规程为人面向煤壁）割顶煤，右滚筒割底煤，超前左滚筒2～3架收护帮板，并滞后采煤机左滚筒1架将支架伸缩梁伸出维护顶板，滞后采煤机右滚筒3架开始顺序拉移支架支护顶板及煤壁，采煤机下行至工作面刮板机头割透煤壁，将左滚筒降下割底煤，反向将采煤机机身部底煤割尽，空刀上返清理浮煤，返机至上部刮板机弯曲段采煤机斜切进刀，斜切进刀完之后采煤机下行开始下一个循环割煤[2]。

2 回采自动化系统总体方案设计

2.1系统设计原则

系统主要按照以下几个原则进行总体设计：

实用性——充分利用成熟的先进技术，避免盲目追求最新技术，同时又要防止系统处理能力不够。

可靠性——系统建设尽量采用标准化优质产品，以保证系统的稳定性和可靠性。

经济性——在充分满足系统运行技术与性能要求的前提下，尽量采用性能价格比高的产品与技术。

2.2总体设计目标

针对设计单位煤矿综采工作面煤层赋存特点，从通讯系统、自动控制、协同运行方式、高效采煤工艺等多个方面进行综合性考虑设计方案。实现工作面高效自动化连续开采。实现减员增安高效生产。

2.3设计系统功能

智能化制动控制系统中，通常应该包含以下几个重要的系统功能，分别简要阐述如下：

2.3.1综采工作面自动化集控功能

实现在顺槽监控中心对综采工作面各大主要系统在顺槽实现远程控制、工作状态远程监控、故障报警、记录故障。

（1）具备一键启停自动化割煤功能。

（2）具有在顺槽监控中心对工作面设备的监测及集中控制功能。

2.3.2综采工作面视频监控功能

（1）实现对安装传感器无法完成的设备状态进行可视化监视。

（2）实现工作面的可视化管理。通过在刮板运输机机头机尾安装超级除尘摄像仪、在液压支架上安装隔爆兼本安摄像仪、在采煤机上安装超级除尘摄像仪，实现采煤工艺实时监控。

2.3.3综采工作面采煤机集中控制功能，与采煤机实现通讯

（1）能够监测采煤机的运行状态、牵引方向、采高、牵引速度、各电机电流、温度，各变频器的电流等各项重要数据。

（2）通过监测采煤机的倾角和摇臂摆角的大小，计算采煤机的运行姿态，作为采煤机采高控制的依据。

（3）通过与采煤机进行无线通信，实现在顺槽监控中心对采煤机远程控制[3]。

2.3.4采煤工艺自動化管控功能

（1）采煤機的操控方式根据控制权限由高到低，采用跟机就地操作、遥控操作和远程控制以及记忆截割控制模式。

（2）建立采煤机运行工况数据监测报警、预警体系。

（3）建立采煤机自动化控制策略和保护策略。

2.3.5综采工作面液压支架电液控集中控制功能

（1）可远程对单台支架实现降—移—升实现控制。

（2）可远程对液压支架进行成组自动控制。

2.3.6综采工作面运输破碎系统自动化集中控制功能

（1）通过在工作面前刮板机电机、后部刮板机、破碎机、转载机配套无线传感器，实现无线数据采集。如：高速轴轴温、低速轴轴温、绕组温度、冷却水压力、冷却水温度、油温、油位。

（2）通过在工作面配套4G无线系统，实现工作面数据无线上传：电机及减速器传感器数据、自动张紧控制、视频图像。

3 各子系统实现、系统配置及关键技术

3.1综采工作面自动化顺槽集中控制系统

综采面自动化集中控制系统是综采工作面自动化采煤的核心，而集中控制系统则是这台大型采煤机器人的大脑，是操作人员的人机接口与监控平台，通过建立统一的数据传输接口和通讯规约，满足生产工艺监控要求。

对工作面设备的远程单机控制，被控设备包括：采煤机、支架（包括端头架、过渡架、中间架）、刮板输送机、转载机、破碎机、自移机尾、负荷中心、泵站。

3.2综采工作面采煤机自动化集中控制系统

采煤机集中控制系统由采煤机控制台、视频监控、上位机控制系统组成;配置一台高性能PLC，通过配套相关逻辑程序、采集变量，根据不同控制模式由控制软件与操作人员协调配合完成采煤机自动化控制。

采煤机采煤机自动化集中控制系统按照控制权限和功能分为三级控制：

第一级为：本地跟机操作，采用遥控器或采用机身开关操作在采煤机的可视范围内遥控器进行相关操作，对采煤机的手动控制，控制权限最高。

第二级为：远程可视化操作，工作人员在顺槽集中控制操作中心，通过人机界面或者本安操作台结合采煤机数据信息和视频监控系统，完成对采煤机的远程可视化操作，控制权限仅次于本地跟机操作。

第三级为：自动化智能控制，顺槽集中控制系统结合采煤工艺段、智能传感网络将电液控系统等其他几个子系统共同联合调度运行，实现采煤机自动化智能采煤[4]。

4 红阳三矿在设备安装期间出现的问题及以后需要解决的方向

（1）自动化安装调试期间，厂家按照设备清单提供物资，未考虑安装时损坏的配件，影响安装调试进度，厂家应提供足够数量的配件。

（2）自动化物资到矿验收后直接入井安装（三机集控箱、采煤机远控箱、远程控制台、反冲洗过滤器、电磁阀），未在地面试验完好，井下安装时三机集控箱通讯故障、采煤机数据无法采集、远程控制台无法控制设备、反冲洗过滤器漏液、电磁阀堵塞，影响系统的调试进度，应在地面进行试验合格后入井安装。

（3）工作面视频监控系统连接线缆和电液控连接线缆外观相识，现场施工人员辨识不清，导致安装时系统通讯故障。厂家在视频监控系统线缆接头处增加线缆标识区分。

（4）西二1208顺槽沿线距离700多米，导致工作面沿线电话供电不足，影响沿线语音通话功能。转载机头增加一台18V隔爆兼本安型直流稳压电源，解决沿线语音电话供电不足的问题，使沿线语音电话恢复正常使用。

5 结语

自动化工作面系统配套，需要从整体出发，以集控的思维去统一考虑整个系统的建设，需要在三机配套期间，联合工作面设备配套厂家进行整体项目设计。设备生产期间提前预留定制安装孔位、挂钩、连接机构。（1）提前考虑乳化液供液方案乳化液管理制度，保证乳化液的清洁度，如：更换管路、加液、泵站维护等环节的管理制度;（2）项目设计初期，需要确定将来接管部门，并全程参与项目设计，能够快速接管和深入了解系统;（3）泵站进水增加过滤净化装置，必要时还需增加水软化处理装置。

参考文献

[1] 王金华，黄乐亭，李首滨，等.综采工作面智能化技术与装备的发展[J].煤炭学报，2014，39（8）：1418-1423.

[2] 王虹.综采工作面智能化关键技术研究现状与发展方向[J].煤炭科学技术，2014，42（1）：60-64.

[3] 王国法，刘峰，孟祥军，等.煤矿智能化（初级阶段）研究与实践[J].煤炭科学技术，2019，47（8）：1-36.

[4] 田成金.可视化远程干预型智能化采煤关键控制技术研究[J].煤炭科学技术，2016，44（7）：97-102.