综采面自动化安全综采技术的应用研究

时小军

（山西古县兰花宝欣煤业有限公司， 山西 临汾 042405）

引言

煤矿井下综采面平均煤层厚度为5.7 m，最薄处的煤层厚度约为3.2 m，巷道基本顶为粉砂岩，平均厚度约为3.2 m，直接顶为泥岩和砂岩的混合结构，平均厚度约5.4 m，直接底为砂质泥岩，平均厚度约为11.77 m，基本底为泥岩，平均厚度约为8.32 m。工作面采用走向长壁综合机械化放顶煤开采，采空区处理采用顶板全部垮落法。由于煤层的强度相对较低，因此煤机截深确定为800 mm，采高确定为3.1 m，放煤高度确定为2.5 m。采放比为1.24∶1，放煤步距为800 mm。

煤矿井下作业面采煤机在综采作业时采用了人工截割控制，而且采煤机和液压支架的配合需要人工去判断调整时机并做出调整，效率极低而且安全性极差，已经无法满足高效综采的作业需求，因此提出了新的自动化综采技术方案，对采煤机和液压支架控制系统进行改造，实现井下的自动化综采作业及采煤机和液压支架的联动运行控制，有效提升了井下综采的效率和安全性，根据实际应用表明，新的自动化控制技术能够将井下作业人员数量降低47%，将综采效率提升38.5%，对提升煤矿井下作业安全和效率具有十分重要的意义。

1 采煤机自动截割控制

为了满足井下采煤机自动截割以及和液压支架联动运行的作业需求，首先对煤矿井下的综采作业流程进行了优化，优化后的流程为端部斜切进刀→割煤→拉架→放顶煤→拉后部输送机→推前部输送机→进入下一循环。

根据井下掘进机的实际情况，考虑改造难度和可行性，本文所提出的采煤机自动截割控制系统整体结构如图1 所示。

由图1 可知，该自动截割控制系统主要包括了电控系统、显示系统、传感器监测系统，以及视频监控系统和执行系统5 个部分。

图1 采煤机自动截割控制系统

传感器监测模块是系统的基础，主要由布置在采煤机上的各类传感器组成，用于识别采煤机截割作业时的位置、采煤机截割姿态等，确保截割作业的精确性。电控系统主要由上位机和下位机构成，分别用于人机交互显示、数据信息输入等，实现对监测数据的显示和分析。电控系统的核心为PLC 控制器，主要用于对监测传感器的监测结果进行数据分析和处理，判断出采煤机目前的位置和截割作业状态，进而决定接下来的调整信息，实现对采煤机运行状态的精确调整。

执行单元主要是接收控制系统发送的指令信息，然后经过比例放大阀和运动放大卡的放大后将其传输给比例电磁阀和电控系统，控制采煤机的执行油缸进行动作，调整截割高度、截割转速等，满足自动截割控制需求。显示系统和视频监控系统，主要通过高清摄像设备对井下采煤机的运行状态进行监控，实现对采煤机运行状态的远距离控制，便于监控人员对井下采煤机作业状态的及时调控[1-2]。

2 液压支架跟机自动控制

由于井下采煤机和液压支架的配合要求高、稳定性高，因此本文提出了一种新的液压支架跟机自动控制系统，该控制系统同样具有远程监测和控制功能，包括地面控制中心和井下监测执行单元2 个部分，具体又分为电液控制子系统、顺槽监控子系统以及地面监控子系统3 个部分，整体结构如图2 所示。

图2 液压支架跟机自动控制系统

由图2 可知，电液控制系统是该控制系统的核心，主要由各类传感器、换向阀及支架电液控制部分构成，利用三轴陀螺仪传感器实现对液压支架支护姿态和位置的监测，为了避免采煤机进给作业过程中和支架的护帮板产生干涉，系统内设置了视觉监测系统，用于获取采煤机和支架的相对位姿信息，满足精确监控的需求。当系统收到控制单元传输的调整指令后，由电液控制器来实现对各个支架支护状态的调整。该子单元内的数据信息采用了Ethernet（以太网）与Powerlink（实时通信技术）通信模块，满足大数据传输快速性和安全性的需求。

支架顺槽监控子系统设置在井下的设备列车上，主要包括了液压支架的远程控制模块、通信模块、数据交互模块等，各类传感器监测数据通过以太网传输到支架的监控中心，而各类数据控制指令的传输则是通过实时通信技术来实现的，满足快速、精确的数据传输需求。

地面监控子系统主要用于显示井下采煤机和液压支架的联动运行状态，能够使监控人员实时地对液压支架的支护状态数据进行监测[3-4]。

3 综采自动化应用效果

井下综采自动化控制系统建立以后，对优化前后的综采面状况进行分析，新系统投入应用后显著提升了井下综采面的自动化程度，将井下综采面作业人员的数量降低了47%，将综采效率提升了38.5%，显著提升了井下综采面的综采效率和安全性，为进一步实现井下综采作业的“无人化”奠定了基础，目前已经在多个综采面投入应用，其井下布置如图3 所示。

图3 井下自动化综采面结构

4 结论

针对煤矿井下综采自动化低、综采经济性差的不足，对现有的综采控制系统进行了改造升级，实现了采煤机的自动截割作业和液压支架的跟机自动控制，有效的提升了井下综采的效率和安全性，根据实际应用表明：

1）自动截割控制系统主要包括了电控系统、显示系统、传感器监测系统、视频监控系统和执行系统五个部分，能够实现对采煤机运行状态的远距离控制，便于监控人员对井下采煤机作业状态的及时调控。

2）液压支架跟机自动控制系统包括了电液控制子系统、顺槽监控子系统以及地面监控子系统3 个部分，能够实现液压支架的跟机自动控制。

3）新的综采面自动控制系统，能够将井下综采面作业人员的数量降低了47%，将综采效率提升了38.5%，显著提升了井下综采面的综采效率和安全性，为进一步实现井下综采作业的“无人化”奠定了基础。