高建新

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團有限責任公司，山西 鄉(xiāng)寧042100）

0 引言

隨著國家科技水平的不斷發(fā)展，將更加先進的智能化、自動化控制技術應用到煤礦開采中，實現整個工作面的全面、自動化無人開采，已成為當前實現工作面提升改造的重要方向[1]。目前，現有的工作面現場，主要以人員操作為主，雖使用了部分自動化設備，但存在設備的智能化程度較低、功能單一等問題，無法有效獲取及遠程控制該些設備的關鍵參數及操作，工作面的全面協(xié)調性相對較弱，這給煤礦的開采效率及作業(yè)安全性提升造成了重要影響[2]。為此結合鄉(xiāng)寧焦煤集團前灣煤業(yè)有限公司2S202-1綜采工作面的特點，開展了該工作面的智能工作面提升改造設計，最終通過實際運行驗證了改造后的智能工作面的可靠性及穩(wěn)定性，這對提升現場作業(yè)安全及企業(yè)經濟收入具有重要意義。

1 2S202-1綜采工作面概況分析

鄉(xiāng)寧焦煤集團前灣煤業(yè)2S202-1綜采工作面走向長度332 m，傾向長度75 m，主要開采2號煤層，埋藏深度189 m，煤層結構較簡單，煤層厚度2.8～3.38 m，平均為3m，煤層結構簡單，含0～2層夾矸；頂板主要為粉砂巖，局部為泥巖或砂質泥巖，底板多為泥巖，局部為粉砂巖；煤層傾角平均為5°，2號煤層煤質為焦煤，經鑒定煤層有爆炸性為II級自燃煤層。經過對該工作面中礦井瓦斯等級鑒定可知：該工作面的瓦斯涌出量1.79 m3/min，相對瓦斯涌出量1.42 m3/t，采面最大絕對瓦斯涌出量0.79 m3/min，掘進面最大絕對瓦斯涌出量0.16 m3/min，鑒定為低瓦斯礦井。同時，工作面中煤層本井田范圍內為穩(wěn)定全區(qū)可采煤層，該工作面在掘進期間運輸順槽、回風順槽均無斷層和陷落柱等導水構造。

2 智能工作面系統(tǒng)概述

目前，大力發(fā)展智能工作面已成為當前煤礦領域重點發(fā)展及提升的方向，但對智能化工作的定義卻有所不同[3]。經過行業(yè)的一致探討和論證后確定，所謂的智能工作面建設主要是指在工作區(qū)域以外的地點實施整個工作面的遠程操作和遠程控制，實現工作面中無人化或較少人員的煤礦開采工作面建設。整個智能工作面的建設是一個大的系統(tǒng)建設，包括了各類煤礦開采設備的遠程控制子系統(tǒng)、工作面監(jiān)控子系統(tǒng)、工作面集中控制子系統(tǒng)、各工作面之間的通訊系統(tǒng)等，各子系統(tǒng)之間通過以太網、無線網的全面覆蓋，配備相應的硬件、軟件及網絡通信等多塊連接，完成對整個智能工作面的建設[4]。目前，部分煤礦企業(yè)所建立的智能工作面相對較為狹窄，僅針對采煤機、液壓支架、刮板輸送機等關鍵設備進行了遠程控制系統(tǒng)的建立，缺乏工作面系統(tǒng)的完整性，其他分塊的建設或規(guī)劃較為不明確，這使得整個工作面的建設、運行、維護等方面存在較大困難。

3 智能工作面系統(tǒng)構建

結合前文分析，經過全面研究后，確定了2S202-1綜采工作面在智能工作面建設中所需重點考慮的子系統(tǒng)包括：采煤機智能控制子系統(tǒng)、液壓支架電控子系統(tǒng)、工作面集中控制子系統(tǒng)、通訊網絡子系統(tǒng)、工作面視頻監(jiān)控子系統(tǒng)、智能集中供液子系統(tǒng)等6大方向，結合該工作面的實際情況，對該些子系統(tǒng)的硬件、軟件、通訊等方面進行具體設計和相互串聯，實現對整個工作面的全面布局及設計研究[5]。下面就該工作面中關鍵子系統(tǒng)進行重點分析。

3.1 采煤機智能控制子系統(tǒng)設計

由于采煤機為一套復雜的煤礦開采設備，在其智能控制子系統(tǒng)設計中，需實現該設備的遠程操作控制、運行參數檢測、故障異常報警、設備自行診斷、數據參數實時顯示等功能，因此，所設計的控制子系統(tǒng)采用了模塊化設計，包括了DSP數據處理器、油溫傳感器、油箱液位傳感器、傾角傳感器、旋轉編碼器、CAN總線通訊、智能顯示儀表、電控箱等部件，其中，DSP數據處理器采用了32位的CAN總線進行通訊連接，可完成采煤機的運行數據采集、計算、分析、判斷、數據記憶及保存等功能，數據響應時間小于22ms；壓力傳感器選用了GYD60-Y2型，液位傳感器選用了GYL60-Y2型，傾角傳感器選用了SST800型。整套控制系統(tǒng)經過CAN通訊后，通訊速率達到了250 kbps。另外，在采煤機的高速和低速轉軸上分別安裝了振動加速傳感器，所采集數據直接傳遞至DMX采集單元后，經過DSP處理器的分析計算，實現對采煤機轉軸運行狀態(tài)及壽命的實時監(jiān)控。采煤機上部分檢測元器件安裝位置示意圖如圖1所示。

圖1 采煤機上部分檢測元器件安裝位置示意圖

3.2 液壓支架電控子系統(tǒng)

液壓支架電控子系統(tǒng)主要負責對整個液壓支架的作業(yè)姿態(tài)、工作參數、操作動作等進行遠程監(jiān)測及控制，系統(tǒng)結構主要由若干個控制單元組成，其中硬件部分設計了PLC控制器、壓力傳感器、傾角傳感器、行程傳感器、紅外線接收器、驅動器、CAN總線通訊電纜等組成，各檢測元件在采集到液壓支架相關參數后，傳輸至PLC控制器進行計算、判斷處理，并將計算結果傳輸至計算機中，實時掌握并控制液壓支架的工作狀態(tài)，系統(tǒng)的通訊傳輸速率達到了260 kbps[6]，液壓支架上部位元器件安裝位置示意圖如圖2所示。在此系統(tǒng)中，通過所安裝的傾角傳感器的相互串聯，可實現對設備中掩護梁、頂梁、前連桿等部件的作業(yè)姿態(tài)進行監(jiān)測，當檢測到傾角超過設置的閥值時，系統(tǒng)中控制器則會自動執(zhí)行傾角角度的調整，使液壓支架保存最佳的作業(yè)，若傾角無法準確調整時，則會發(fā)出相應的報警，由控制中心的操作人員進行人工操作調整。

圖2 液壓支架上部位元器件安裝位置示意圖

3.3 工作面集中控制子系統(tǒng)

此工作面中的集中控制子系統(tǒng)主要安裝在工作面的順槽中，設計了控制器車廂及人員操作車廂，其中，人員操作車廂中設計了4臺計算及顯示器，可實現對整個工作面中相關設備的遠程監(jiān)測與控制，實現對工作面中的集體調度。控制器車廂中設置了3臺PLC控制器、交換機、后備電源等，數據信號的傳遞主要通過RS485進行傳輸，其中，PLC可有效協(xié)調各子系統(tǒng)的運行情況，保證各設備之間能實現有效的作業(yè)協(xié)調。工作面的集中控制系統(tǒng)框架圖如圖3所示。另外，通過此子系統(tǒng)，可將整個工作面的相關數據進行存儲，并通過物聯網技術，實現數據信息的資源傳輸與共享。

圖3 工作面的集中控制系統(tǒng)框架圖

4 工作面可靠性評價指標確定

4.1 采煤機智能控制子系統(tǒng)評價指標確定

結合前文所設計的采煤機智能控制子系統(tǒng)，為掌握其系統(tǒng)運行的可靠性及穩(wěn)定性，對其運行時的6個評價指標進行了設計，主要包括采煤機狀態(tài)識別、GIS定位與煤巖識別、采煤機滾筒高度調節(jié)等指標，具體框架如圖4所示。其中，采煤機狀態(tài)識別指標的實現則融合了多種智能化傳感技術，通過檢測采煤機上電機、搖臂等多個部件的參數，經過CAN總線的信號傳輸和處理器的計算，完成對該指標的計算評價。

圖4 采煤機智能控制子系統(tǒng)評價指標框架圖

4.2 液壓支架控制子系統(tǒng)評價指標

液壓支架作為一套復雜的作業(yè)設備，其作業(yè)過程中所涉及到的動作相對較多，為掌握液壓支架作業(yè)過程的可靠性，確定了其系統(tǒng)運行的評價指標，包括：支架護幫與智能預警系統(tǒng)、支架姿態(tài)識別控制系統(tǒng)等，具體框架如圖5所示。通過對此些分系統(tǒng)的獨立評價，實現對整個液壓支架運行狀態(tài)的綜合評估。

圖5 液壓支架控制子系統(tǒng)評價指標框架圖

4.3 工作面集中控制子系統(tǒng)評價指標

根據2S202-1綜采工作面特點，為掌握該工作面中控制子系統(tǒng)的綜合性能，確定了此工作面中集中控制子系統(tǒng)的評價指標，包括：一鍵啟停、人員監(jiān)測系統(tǒng)、工作面設備人員干預控制系統(tǒng)等，具體如圖6所示。通過對各指標系統(tǒng)運行情況的評價，全面掌握整套集中控制子系統(tǒng)的綜合性能。

圖6 工作面集中控制子系統(tǒng)評價指標圖

5 工作面系統(tǒng)應用評價效果分析

結合前文建立的各分系統(tǒng)及系統(tǒng)運行評價指標情況，通過將近6個月運行測試，得到了各子系統(tǒng)的運行結果，結果顯示：采煤機、液壓支架、工作面集中控制等子系統(tǒng)的運行均較為良好，能通過控制中心對各設備進行遠程操作與控制，并在顯示器中實時顯示設備的運行狀態(tài)，此過程，設備作業(yè)現場幾乎實現了無人化操作，人員只需根據顯示界面發(fā)出的異常情況進行有針對性的處理。由于井下環(huán)境的惡劣性及特殊性，系統(tǒng)中部分元器件出現了異常問題，此時，系統(tǒng)則及時通過顯示器進行了故障異常報警提示，實現了整個工作面的智能化監(jiān)測與控制。據該工作面負責人介紹，所建立的智能工作面與同類相比，具有更高的智能化控制程度，控制全面性更廣。預估在設備維修費用、人工成本、產能提升等方面，每年可為企業(yè)帶來將近100萬元以上經濟效益，得到了一致好評，驗證了系統(tǒng)的可靠性及可行性。

6 結論

將當前更加成熟的智能化控制技術應用到工作面的建設及操作中，實現整個工作面的全面協(xié)調控制，已成為當前提示工作面作業(yè)安全性的重要方向。為此，結合2S202-1綜采工作面的特點，開展了該工作面的智能工作面建設，通過確定各子系統(tǒng)的運行評價指標和實際運行測試，得出：該工作面中各子系統(tǒng)運行良好，具有更加智能的遠程操作控制性能，工作面的系統(tǒng)完整性更加全面，提高了工作面的作業(yè)安全性及可靠性，也將給企業(yè)帶來較大的經濟效益，具有重要的實際應用價值。