薄煤层综采远程可视化无人工作面开采技术

邓 涛，王思栋，杜兆文，郭士启，谢绍成，王旭光

（1.枣庄矿业（集团）有限责任公司 滨湖煤矿，山东 滕州 277515；2.山东科技大学 矿业与安全工程学院，山东 青岛 266590）

煤矿综采工作面配套设备实施自动化联动控制不仅可以实现工作面无人值守而且还可以保证煤炭安全高效开采，同时，自动化联动控制也是煤炭领域内先进生产力的重要体现[1-4]。煤炭开采配套设备自动化联动控制控制水平的高低代表着采煤配套设备和现代化矿井水平的高低[5-7]。不断提高煤炭开采配套设备自动化联动控制控制水平是当前国内外采矿界研究的热点方向之一[8-9]。以滨湖煤矿12210工作面为研究背景，在采煤机、刮板输送机、液压支架等采煤配套设备实现单机自动控制功能的基础上，实现监控中心对配套设备进行实时监测与控制。

1 工程概况

滨湖煤矿12210工作面所属煤层为12下煤层，该工作面位于井下-465 m水平，属122采区。工作面采深 466.5～486.3 m，工作面倾斜长度平均 179.3 m，走向长度平均为869.1 m。工作面煤层厚度最小为 0.5 m，最大为 1.63 m，平均为 1.3 m。煤层结构简单、稳定，煤层倾角 2°～6°，平均 4°。煤层可采性指数为0.87，煤厚变异系数为15，发热量属特高发热量煤，平均为27.55 MJ/kg。煤层顶板岩层为泥岩、泥岩细砂岩互层，为典型的薄煤层复合顶板开采条件。

2 智能化总体设计方案

2.1 系统总体方案

有机结合采煤机控制系统、支架电液控制系统、工作面运输控制系统、三机通信控制系统、泵站控制系统及供电系统，实现协调管理和集中控制综合机械化采煤工作面配套设备[10]。所有的采煤配套设备都以程序控制为主，人工远程干预为辅。例如，采煤机割煤时主要以设置好的示范刀为记忆刀进行割煤；液压支架移架时主要以跟随采煤机自动序列动作进行移架；刮板输送机推移时主要以集中自动化序列进行推移控制。综采工作面配套设备自动化控制系统是集音频、远程集中控制为一体的自动化控制系统，此系统可以实现采煤机、液压支架和刮板运输机等配套设备的联动控制和关联闭锁等功能。

图1 工作面自动化控制网络系统图

2.2 工作面以太网通信平台

创建一个具有虚拟局域网、流量优先级等网络宽带管理功能的100 M以太网控制平台。保证最重要的信息能动态的获得最快速的网络支持，同时实时监测网络状况。使工作面设备信息通过工作面综合接入器、交换机和光电转换器汇集到顺槽集控中心的隔爆服务器。工作面自动化控制网络如图1。

2.3 工作面可视化视频监控

采煤工作面每隔一定距离设置1台矿用本质安全型摄像仪，视频数据通过以太网络输送到矿用本安型显示器上显示。通过自动化程序控制，可实时分析处理采煤机附近4台摄像仪的视频信息。

3 工作面配套基本设备

3.1 采煤机记忆割煤及远程干预控制

采煤机上设有的采高传感器及位置传感器，是实现采煤机自动化的基础。采煤机控制系统通过处理传感器的数据信息来实现采高及工作面位置的自主定位，并且具有记忆截割功能。同时，采煤机具有与地面双向远程通讯功能，可实现远程监控。实现以记忆割煤为主要方式，辅以人工远程干预的生产工作模式。

采煤机在学习模式下，需人工操作割煤作为示范刀，控制系统自动收集、存储采煤机在各个位置上的数据信息。采煤机进入自动模式，根据控制系统记录好的示范刀数据信息进行自动割煤。当工作面割煤条件有较大变化发生时，可进行人工就地或远程干预。

3.2 液压支架跟机自动化及远程干预控制

在采煤机及液压支架上分别安装红外线发送器、红外线接收器，用来发射及接收数字信号，实时监测采煤机方向和位置的数据信息，通过液压支架跟机自动化软件，来适应不同工作面条件下对应的采煤工艺。

系统通过对采煤机数据信息的采集和处理，可实现液压支架动作与采煤机运行位置的协调管理。其中包括液压支架跟机自动收回和伸出护板帮，跟机自动移架和自动推溜，跟机自动喷雾等。当支架出现液压故障，部件失灵等原因致使液压支架动作不到位或其他影响生产的现象发生，可及时进行远程人工干预。

3.3 转载机与液压支架自移联动

转载机能够通过控制器实现自动控制，控制过程相关动作时间通过参数进行设置，且与端头支架动作进行关联，在端头架跟机推溜时能够联动自动控制，实现转载机自移控制。同时能够实现远程集中控制。

在端头架推溜前，要求转载机8个立柱抬起，将转载机底座前移，空出转载机前移的空间。当端头架推溜时，转载机推移缸伸出，同时配合端头架推溜动作，将转载机前移。

4 系统平台监控中心

监控中心具有全自动控制模式、分机自动控制模式和分机集中控制模式。其中，全自动控制模式可以将工作面综采设备集中控制，通过“总开关”按钮实现工作面综采设备全自动化。分机自动控制模式是单独对采煤机，液压支架等综采设备进行自动化控制。

1）液压支架远程控制。通过对电液控计算机和工作面采集的视频信息的处理，利用支架远程操作台实现液压压支架单架推溜，降架，拉架，升架等动作的自动化控制。

2）采煤机远程控制。依据采煤机主系统及工作面视频信息，利用采煤机远程操作台实现采煤机滚筒升、降、左牵、右牵、急停、记忆割煤启停等动作的自动化控制。

3）工作运输机、转载机、破碎机集中自动化控制。单设备启停功能，包括刮板机、转载机、破碎机(联锁解除)；顺序开机功能，启动顺序如下：破碎机-＞转载机-＞刮板机-＞采煤机 (存在联锁关系)；顺序停机功能，停机顺序如下：采煤机-＞刮板机-＞转载机-＞破碎机；具有急停闭锁功能。

5 智能化开采效益

采用智能化开采后,按每班8 h，7 h组织生产，1 h时搞标准化。每个循环需用时70 min，每刀348 t，每班可循环6次，每天12次，回采率95%，日产量3 112 t，月产量 9.34 万 t。

采用传统开采，按每班8 h计算，7 h组织生产，每个循环136 min，每班可循环3次，每天6次，日产量 1 404 t，月产量 4.21 万 t。

采用智能化开采,可缩短回采周期137.5 d，即4.5个月,每年可节约工资1 110万元；工作面使用无人化开采，可将整个综采工作面的操作人员由传统的11人节减至3人，每个生产班减少用人8人，即每天减少用人16人；无人化开采较传统开采每月可多出产混煤5.13万t。

6 结语

通过对薄煤层综采远程可视化无人工作面智能开采技术的研究与应用，滨湖煤矿12210工作面实现了工作面无人化智能开采，取得了良好的技术、经济、社会效益。并且总结出了一套适合薄煤层综采的技术方案，将对薄煤层综采远程可视化智能开采技术的应用起到一定的示范作用。