張培亭 孫建華 劉敬斌

摘要：趙樓煤礦位于巨野煤田中部，為山東省境內(nèi)沖擊地壓礦井之一。為響應(yīng)國(guó)家沖擊地壓礦井“少人則安，無(wú)人則安”的號(hào)召，建設(shè)成為智能化礦井，該礦本著循序漸進(jìn)、分步推進(jìn)的原則，2019年在7301綜放工作面試點(diǎn)進(jìn)行智能化改造工作，最終實(shí)現(xiàn)了工作面支架自動(dòng)跟機(jī)、記憶截割、自動(dòng)放煤、自動(dòng)割三角煤等工序，將其建設(shè)成安全、高效的智能化采煤工作面。

關(guān)鍵詞：綜放工作面智能化安全高效應(yīng)用實(shí)踐

7301綜放工作面是趙樓煤礦七采區(qū)首采工作面，面長(zhǎng)230m，推進(jìn)長(zhǎng)度1407m，儲(chǔ)量343萬(wàn)噸，工作面開采煤層為山西組3煤，平均厚度7.8m，煤層傾角平均3.5°，地質(zhì)條件相對(duì)簡(jiǎn)單，屬于沖擊地壓工作面。該工作面為進(jìn)行智能化改造，需要裝配全套智能化控制系統(tǒng)，包括支架電液控系統(tǒng)、采煤機(jī)記憶截割系統(tǒng)、三機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、工作面視頻監(jiān)控系統(tǒng)、智能泵站供液系統(tǒng)、井下集控中心和地面集控中心等幾個(gè)部分。

1 智能化改造內(nèi)容

7301工作面智能化系統(tǒng)是一套完整的工作面自動(dòng)化解決方案，系統(tǒng)將各個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)集成，通過(guò)工業(yè)視頻監(jiān)控、無(wú)線環(huán)網(wǎng)通信、電液控制、慣導(dǎo)導(dǎo)航等多種技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)工作面集控中心對(duì)設(shè)備的整體集中自動(dòng)化監(jiān)控，確保工作面各設(shè)備協(xié)調(diào)、連續(xù)、高效、安全運(yùn)行[1]。工作面智能化系統(tǒng)主要包含電液控系統(tǒng)、三機(jī)通訊系統(tǒng)、采煤機(jī)控制系統(tǒng)、泵站控制系統(tǒng)和工作面監(jiān)控中心等5個(gè)子系統(tǒng)。

1.1 硬件安裝

首先為液壓支架安裝電液控系統(tǒng)，支架配備控制器、液壓主閥、壓力傳感器、紅外發(fā)射器、電液換向閥和帶行程傳感器的千斤頂?shù)纫幌盗须娨嚎卦O(shè)備，以實(shí)現(xiàn)無(wú)線遙控操作和自動(dòng)跟機(jī)移架[2]。為采煤機(jī)安裝慣性導(dǎo)航系統(tǒng)及高精度傳感器，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)記憶截割和運(yùn)行速度智能化控制。工作面三機(jī)及皮帶機(jī)安裝智能煤流運(yùn)輸系統(tǒng)，配備控制器、本安電源、組合擴(kuò)音電話、通訊拉力電纜、智能終端和監(jiān)控?cái)z像頭等智能化設(shè)備，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)載點(diǎn)可視監(jiān)控、三機(jī)遠(yuǎn)程操作和煤量智能化控制功能[3]。配置遠(yuǎn)程供液、智能泵站控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)乳化液自動(dòng)配比、液箱自動(dòng)補(bǔ)液和流量智能化控制功能[4]。配備運(yùn)輸巷道、工作面高清視頻監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)載點(diǎn)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控功能。

1.2 電液控系統(tǒng)融合

由于首次進(jìn)行試點(diǎn)，7301工作面安裝了兩套電液控系統(tǒng)，安裝完成后為實(shí)現(xiàn)無(wú)縫對(duì)接，主要采取互發(fā)紅外位置的方式來(lái)進(jìn)行測(cè)試和融合，然后再進(jìn)行自動(dòng)跟機(jī)程序的調(diào)試[5]。

1.3 工作面中部跟機(jī)程序調(diào)試

電液控系統(tǒng)融合、采煤機(jī)位置穩(wěn)定之后，開始調(diào)試采煤工作面中間段自動(dòng)化參數(shù)程序，并全面觀察，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題予以解決排除，例如，放煤和自動(dòng)推溜的連續(xù)性對(duì)接不斷持續(xù)改進(jìn)，在頂板條件允許的情況下基本可以保證常態(tài)的全面自動(dòng)化使用[6]。

1.4 端頭自動(dòng)割三角煤調(diào)試

重點(diǎn)調(diào)試端頭割三角煤自動(dòng)跟機(jī)和采煤機(jī)記憶截割，通過(guò)研討確定了割三角煤支架自動(dòng)跟機(jī)的7個(gè)工序段和采煤機(jī)記憶截割的23個(gè)工序段，并據(jù)此編寫程序，現(xiàn)場(chǎng)予以實(shí)施[7]。

1.5 全面自動(dòng)跟機(jī)常態(tài)化運(yùn)行

自動(dòng)割三角煤程序和采煤機(jī)記憶截割運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了常態(tài)化使用，自動(dòng)跟機(jī)率和記憶截割率均達(dá)到95%以上。

2采煤工作面智能化系統(tǒng)的主要組成部分及應(yīng)用

2.1液壓支架及超前支架電液控制系統(tǒng)

電液控制系統(tǒng)重點(diǎn)是控制工作面液壓支架及超前支架，并且可以充當(dāng)傳輸數(shù)據(jù)的工作面平臺(tái)。智能電液控制系統(tǒng)實(shí)施以太網(wǎng)場(chǎng)地總線控制模式，跟以往的CAN總線控制模式相比來(lái)講[8]，其顯著提升了執(zhí)行水平和傳輸數(shù)據(jù)速率，拓展了控制范圍。結(jié)合工控平臺(tái)控制，電液系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)調(diào)整和優(yōu)化全部、局部工作面范圍的液壓支架的工作情況，確保支架成組或單架動(dòng)作的高效精準(zhǔn)完成，確保自適應(yīng)控制液壓支架。其中，供電系統(tǒng)、傳感器、上位機(jī)、液壓主閥、控制器等5個(gè)組成部分構(gòu)成了液壓支架以及超前支架電液控制系統(tǒng)[9]。液壓主閥連接了傳感器和控制器，視頻攝像頭和LED照明等連接在控制器下，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)型電纜連接控制器，以使電液控制系統(tǒng)形成，且結(jié)合交換機(jī)向工控平臺(tái)接入。該系統(tǒng)應(yīng)用了以分層技術(shù)在相同界面上統(tǒng)一呈現(xiàn)液壓支架的工作情況和數(shù)據(jù)分析報(bào)告[10]。此控制系統(tǒng)具備的作用有預(yù)警、采煤路徑規(guī)劃設(shè)計(jì)、無(wú)線遙控、呈現(xiàn)支架工作情況、急停閉鎖、支架運(yùn)行管理等。其中，直觀呈現(xiàn)支架護(hù)幫板情況、采煤機(jī)推移位置和軌跡行程、煤機(jī)方向和位置、支架立柱壓力等是支架運(yùn)行狀態(tài)顯示功能的作用;結(jié)合對(duì)隔架或鄰近支架的組合及單組動(dòng)作進(jìn)行控制，并且進(jìn)行跟機(jī)自動(dòng)化操作，確保自動(dòng)截割三角煤，這是支架運(yùn)行控制功能的作用;結(jié)合無(wú)線遙控質(zhì)量對(duì)工作面超前支架或支架的推進(jìn)情況進(jìn)行遠(yuǎn)程指導(dǎo)，以使智能化的工作面支護(hù)工藝實(shí)現(xiàn)，這是無(wú)線遙控功能的作用;根據(jù)突發(fā)情況有效地控制設(shè)備的運(yùn)行情況是急停閉鎖功能的作用，即在突發(fā)情況存在于工作面的時(shí)候，結(jié)合對(duì)急停按鈕的控制，暫停設(shè)備運(yùn)行，保障工作面設(shè)備和人員的安全性;結(jié)合工控平臺(tái)的智能化控制功能建構(gòu)路徑運(yùn)行規(guī)劃，確保智能化控制采煤機(jī)，這是采煤機(jī)路徑設(shè)計(jì)規(guī)劃功能的作用[11];結(jié)合工控平臺(tái)礦壓規(guī)劃指令的接收可以很好地探究工作面頂板周期來(lái)壓的強(qiáng)度及初期來(lái)壓的周期等，進(jìn)而預(yù)測(cè)下次頂板來(lái)壓的狀態(tài)，從而更好地預(yù)防事故的形成，這是礦壓分析與預(yù)警功能的作用。

2.2三機(jī)控制系統(tǒng)

驗(yàn)證煤礦高效安全生產(chǎn)及智能化工作面建設(shè)指標(biāo)的是工作面設(shè)備的“三直兩平”。三機(jī)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)是采煤機(jī)的精準(zhǔn)定位，其結(jié)合工控平臺(tái)處理和分析數(shù)據(jù)的功能、圖像識(shí)別技術(shù)、行程傳感器等生成刮板運(yùn)輸機(jī)的軌跡曲線，且以此為前提條件及時(shí)調(diào)整工作面液壓支架的部位，確保采煤機(jī)、刮板運(yùn)輸機(jī)、液壓支架的平直12]。并且，三機(jī)控制系統(tǒng)可以結(jié)合工控平臺(tái)對(duì)工作面端頭的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，以及很好地識(shí)別和處理大塊煤體，防范損壞轉(zhuǎn)載機(jī)。三機(jī)控制系統(tǒng)的組成部分是工控平臺(tái)、數(shù)據(jù)交換機(jī)、就地控制箱。其中，三機(jī)就地控制箱可以結(jié)合工作面?zhèn)鬏敂?shù)據(jù)的平臺(tái)連接工控平臺(tái)，從而實(shí)時(shí)傳輸或交換數(shù)據(jù)。5ACDBFB3-5564-42F5-BC02-264395F5F732

2.3采煤機(jī)控制系統(tǒng)

作為智能化采煤工作面的關(guān)鍵組成部分，采煤機(jī)控制系統(tǒng)也屬于高效回采煤炭資源的中心環(huán)節(jié)。采煤機(jī)控制系統(tǒng)的兩大組成部分是工控平臺(tái)和就地控制，其功能是環(huán)境和綜采聯(lián)動(dòng)、安全防護(hù)、采煤路徑規(guī)劃等。采煤機(jī)應(yīng)用雙向傳輸?shù)姆绞絺鬏敂?shù)據(jù)，不但能夠結(jié)合本身具備的數(shù)據(jù)線交換數(shù)據(jù)，而且可以通過(guò)工作面?zhèn)鬏敂?shù)據(jù)的平臺(tái)接收與傳輸數(shù)據(jù)，其環(huán)境適應(yīng)能力和抗干擾性非常強(qiáng)。采煤機(jī)控制系統(tǒng)的主要組成部分是數(shù)據(jù)交換機(jī)、工控平臺(tái)、上位機(jī)[13]。在順槽控制室當(dāng)中安裝了控制系統(tǒng)，經(jīng)由交換機(jī)跟工控平臺(tái)連接著采煤機(jī)，結(jié)合工作面?zhèn)鬏敂?shù)據(jù)的平臺(tái)向工控平臺(tái)接入生產(chǎn)數(shù)據(jù)，以使雙向傳輸數(shù)據(jù)的通信作用實(shí)現(xiàn)?？傊擅簷C(jī)控制系統(tǒng)旨在控制和規(guī)劃采煤機(jī)路徑。當(dāng)今，針對(duì)賦存構(gòu)造不存在顯著改變和巷道頂?shù)装宸€(wěn)定的條件下，智能化采煤工作面應(yīng)用記憶截割方式業(yè)已實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的效果，然而，針對(duì)工作面存在較大改變和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的巷道頂?shù)装鍡l件，智能化工作面采煤生產(chǎn)依舊面臨相應(yīng)的缺陷。為了完善這種不足之處、確保采煤生產(chǎn)的穩(wěn)定進(jìn)行，采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)結(jié)合工控平臺(tái)可以分析和處理數(shù)據(jù)，從而有效規(guī)劃采煤機(jī)下六刀的路徑，并且結(jié)合順槽控制室采煤機(jī)上位機(jī)將工作面高度修正值輸入這種手段，確保取得有關(guān)的工作面地質(zhì)結(jié)構(gòu)截割曲線，從而智能化、高效化截割煤層。跟以往的采煤機(jī)記憶截割工藝技術(shù)相比，此系統(tǒng)顯著提升了適應(yīng)性與精確度。

2.4工作面視頻控制系統(tǒng)

作為智能化采煤工作面的“眼睛”，工作面視頻控制系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著記錄和監(jiān)控工作面整體的任務(wù)。工作面視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合工控平臺(tái)分析、識(shí)別視頻圖像信息，可以明確工作面頂板賦存、巷道圍巖、工作面煤壁等現(xiàn)狀，并且可以實(shí)時(shí)追蹤工作面液壓支架底座前面部位、刮板運(yùn)輸機(jī)、液壓支架內(nèi)護(hù)幫板。根據(jù)視頻分析結(jié)論，能夠適度調(diào)整和優(yōu)化三機(jī)的部位，保障設(shè)備平直度，實(shí)現(xiàn)巷道、工作面支護(hù)強(qiáng)度和質(zhì)量的提升?？傊?，工作面視頻控制系統(tǒng)重點(diǎn)主要實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)工作面設(shè)備運(yùn)行情況、視頻跟機(jī)自動(dòng)切換、追蹤井下定位人員、通過(guò)紅外補(bǔ)光生成高清晰度礦井生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)視頻資料，并通過(guò)對(duì)視頻數(shù)據(jù)的有效分析，生成對(duì)工作面智能化控制指令等功能。

3 實(shí)現(xiàn)的功能及取得的成效

3.1 實(shí)現(xiàn)的功能

經(jīng)過(guò)調(diào)試，7301智能化主要實(shí)現(xiàn)了以下功能。

液壓支架采用ZF17000/22/42型高阻力放頂煤支架，配套電液控系統(tǒng)和壓力、行程、紅外、聲光報(bào)警等各類傳感器，能夠?qū)χЪ茏藨B(tài)進(jìn)行自主感知、自動(dòng)控制。目前，工作面支架全部實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)跟機(jī)，自動(dòng)跟機(jī)率保持在90%以上。

采煤機(jī)采用MG900/2395-WD型大功率采煤機(jī)，配備記憶截割組件和慣導(dǎo)系統(tǒng)，具備就地/遠(yuǎn)程控制、自主定位、采高精確控制功能?，F(xiàn)已實(shí)現(xiàn)工作面生產(chǎn)全程記憶截割，記憶截割率保持在90%以上。

運(yùn)輸皮帶采用DSJ140/260/4×500型膠帶輸送機(jī)，配備變頻驅(qū)動(dòng)和自動(dòng)張緊裝置，實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)工況監(jiān)測(cè)、自動(dòng)調(diào)速、自動(dòng)張緊。同時(shí)，轉(zhuǎn)載機(jī)身和溜煤眼上口各安裝一臺(tái)破碎機(jī)，實(shí)現(xiàn)了大塊煤矸的分級(jí)破碎。皮帶機(jī)頭和轉(zhuǎn)載機(jī)頭通過(guò)設(shè)置可視化監(jiān)控，取消了崗點(diǎn)司機(jī)，實(shí)現(xiàn)了工作面強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)區(qū)域無(wú)人作業(yè)，大幅提升了礦井安全生產(chǎn)水平。

泵站采用BRW630/37.5型乳化液泵和BPW500/16型噴霧泵，配備智能流量控制系統(tǒng)、凈化水裝置、乳化液自動(dòng)配比裝置、高壓反沖洗過(guò)濾器和蓄能器，具備多泵聯(lián)機(jī)啟停、恒壓供液、乳化液自動(dòng)配比、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、液位顯示、自動(dòng)反沖洗和流量自動(dòng)控制等功能，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程集中控制、無(wú)人值守。

工作面和地面分別配備一套集控中心，能夠?qū)ぷ髅娓髟O(shè)備、各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯集、處理、顯示和控制，現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)工作面各設(shè)備的遠(yuǎn)程/就地和遠(yuǎn)程控制，煤機(jī)、支架、三機(jī)協(xié)同控制和流程啟停。

3.2 取得的成效

目前，7301智能化采煤工作面每班生產(chǎn)人員只需7人，與傳統(tǒng)開采相比減少9人，降幅達(dá)56%;同時(shí)通過(guò)轉(zhuǎn)載點(diǎn)視頻監(jiān)控，取消了轉(zhuǎn)載機(jī)司機(jī)，實(shí)現(xiàn)了工作面強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)區(qū)域無(wú)人作業(yè)，大幅提升了礦井安全生產(chǎn)水平。

智能化控制系統(tǒng)的成功應(yīng)用，克服了高溫、高濕、強(qiáng)腐蝕性水質(zhì)等惡劣環(huán)境的影響，檢驗(yàn)了智能化設(shè)備的可靠性，驗(yàn)證了智能化系統(tǒng)在千米埋深復(fù)雜地質(zhì)條件沖擊地壓礦井應(yīng)用的可行性。

4 結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐證明，通過(guò)采煤工作面智能化改造，可以達(dá)到減人增效的效果，符合“人少則安”的指導(dǎo)思想，同時(shí)，智能化建設(shè)需從自動(dòng)化調(diào)試轉(zhuǎn)變到自動(dòng)化常態(tài)化使用上來(lái)，不能曇花一現(xiàn)，這是個(gè)任重道遠(yuǎn)的任務(wù)，需要及時(shí)暴露和發(fā)現(xiàn)存在的問(wèn)題，持續(xù)改進(jìn)、不斷進(jìn)步。

參考文獻(xiàn)

[1]? 王國(guó)法，龐義輝，任懷偉.煤礦智能化開采模式與技術(shù)路徑[J].采礦與巖層控制工程學(xué)報(bào)，2020（1）：1-15.

[2]? 王國(guó)法，劉峰，龐義輝，等.煤礦智能化——煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的核心技術(shù)支撐[J].煤炭學(xué)報(bào)，2019（2）：349-357.

[3]? 劉峰，曹文君，張建明.持續(xù)推進(jìn)煤礦智能化促進(jìn)我國(guó)煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展[J].中國(guó)煤炭，2019（12）：32-36.

[4]? 王國(guó)法，杜毅博.智慧煤礦與智能化開采技術(shù)的發(fā)展方向[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2019（1）：1-10.

[5]? 王國(guó)法，劉峰，孟祥軍，等.煤礦智能化（初級(jí)階段）研究與實(shí)踐[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2019（8）：1-36.

[6]? 李首濱.智能化開采研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì)[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2019（10）：102-110.

[7]? 唐恩賢，張玉良，馬騁.煤礦智能化開采技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2019（10）：111-115.

[8]? 李森.基于慣性導(dǎo)航的工作面直線度測(cè)控與定位技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2019（8）：169-174.

[9]? 王國(guó)法，趙國(guó)瑞，任懷偉.智慧煤礦與智能化開采關(guān)鍵核心技術(shù)分析[J].煤炭學(xué)報(bào)，2019（1）：34-41.

[10]????? 呂鵬飛，何敏，陳曉晶，等.智慧礦山發(fā)展與展望[J].工礦自動(dòng)化，2018（9）：84-88.

[11]????? 周俊.智能化綜采工作面技術(shù)在鎮(zhèn)城底礦的應(yīng)用[J].機(jī)械管理開發(fā)，2019（12）：232-233.

[12]????? 趙朋，白建軍，呂懷寶.智能化綜采工作面機(jī)電設(shè)備管理研究[J].山東煤炭科技，2019（12）：180-182.

[13]????? 我國(guó)煤礦綜采智能化取得重大突破[J].設(shè)備監(jiān)理，2019（12）：14.5ACDBFB3-5564-42F5-BC02-264395F5F732