劉佳金

（中國煤礦機(jī)械裝備有限責(zé)任公司裝備研究院，北京 100011）

0.引言

《國家能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃（2016-2030年）》（發(fā)改能源〔2016〕513號）明確提出了煤炭行業(yè)重點(diǎn)主攻方向，要求開發(fā)智能化工作面等技術(shù)，重點(diǎn)煤礦區(qū)基本實(shí)現(xiàn)工作面無人化[1]。隨著人工智能技術(shù)發(fā)展和人口紅利遞減，要求煤礦高質(zhì)量發(fā)展和轉(zhuǎn)型升級，建設(shè)數(shù)字化礦山、智能礦山，推進(jìn)煤礦“自動化、信息化、智能化”開采，實(shí)現(xiàn)高效益高質(zhì)量發(fā)展已成為行業(yè)共識[2-3]。2021年6月5日，國家能源局發(fā)布《煤礦智能化建設(shè)指南（2021年版）》，對煤礦智能化建設(shè)提出了總體要求、明確了建設(shè)目標(biāo)，給出了總體架構(gòu)和建設(shè)技術(shù)路徑[4-5]。

大南湖7號煤礦位于新疆哈密，礦井規(guī)模1200萬噸，一期建設(shè)規(guī)模為600萬噸，是中煤集團(tuán)主力生產(chǎn)礦井之一，對其綜采工作面進(jìn)行智能化設(shè)計力求達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進(jìn)水平，對保證礦井安全生產(chǎn)具有重要意義。

1.地質(zhì)條件

礦井?dāng)鄬佑?5條，井田可采煤層18層，礦井前期主要開采3號、5號、6號和7號煤層。3號煤層煤層厚度為0.8m～4.38m，平均2.89m；7號煤層全區(qū)煤層厚度為0.51m～19.63m，平均10.37m；7號煤層首采一分區(qū)，布置6個工作面，工作面長度200m，走向長度2500m，開采年限約11年。一分區(qū)煤層一般厚度為9.81m～14.53m，平均12.13m。工作面傾角5°，俯仰采2°～3°。

煤層頂板為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、含碳泥巖、粉砂巖，底板為粗砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、細(xì)砂巖，各煤層頂?shù)装宥鄬儆趯訝罱Y(jié)構(gòu)極軟巖，煤層頂?shù)装鍘r石極易軟化甚至崩解，巷道易出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象。煤層底板較軟，遇水軟化、底鼓，支架要充分考慮底板軟對開采的影響。煤層頂板較為破碎，要考慮頂板防護(hù)。

2.設(shè)計總體目標(biāo)

雖然該工作面整體為近水平工作面傾角5°，俯仰采2°～3°，但該工作面煤層頂?shù)装宥鄬儆趯訝罱Y(jié)構(gòu)極軟巖，煤層頂?shù)装鍘r石極易軟化甚至崩解，巷道易出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象。煤層底板較軟，遇水軟化、底鼓，會對自動開采帶來很多不利影響。因此需要保障設(shè)備整體運(yùn)行的連續(xù)性，需要在開采過程中及時支護(hù)、調(diào)整，開采過程中宜連續(xù)推進(jìn)，不宜在開采過程中進(jìn)行往復(fù)調(diào)整。

鑒于該工作面所有設(shè)備均為新購設(shè)備，且需保證在采4m放8m的復(fù)雜環(huán)境下連續(xù)作業(yè)，因此該工作面定位為以高端耐用型設(shè)備為基礎(chǔ)，以智能監(jiān)控系統(tǒng)為手段，設(shè)計采用“以工作面前部自動化開采為主，人工干預(yù)為輔；后部以時間控制為核心的記憶放煤順序放煤”的自動化生產(chǎn)模式；在開采環(huán)境下遠(yuǎn)程啟停控制，提升整體掌控性和開機(jī)效率。開采過程中“煤機(jī)記憶截割、支架自動跟機(jī)支護(hù)和放煤，人員巡視調(diào)整、系統(tǒng)整體協(xié)同保護(hù)”，達(dá)到安全、高效、智能開采的目標(biāo)。該設(shè)計以視頻識別技術(shù)和人員主動防護(hù)技術(shù)為主要安全手段，簡單實(shí)用，便于實(shí)施，能滿足煤礦智能化建設(shè)要求，實(shí)現(xiàn)了安全、高效、智能、綠色開采。

3.智能化系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，綜采工作面智能化系統(tǒng)主要包含以下部分：集中控制系統(tǒng)、支架電液控制系統(tǒng)、采煤機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、語音通信控制系統(tǒng)、皮帶機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)測系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、供液系統(tǒng)、人員精確定位系統(tǒng)、工作面自動調(diào)直系統(tǒng)、地面綜合監(jiān)控管理系統(tǒng)。上述系統(tǒng)的組成及相互關(guān)系如圖1所示。

3.2 系統(tǒng)功能

3.2.1 井下集中控制系統(tǒng)

集中控制系統(tǒng)作為整套系統(tǒng)的大腦，能夠?qū)崿F(xiàn)對工作面全部系統(tǒng)信息的集成，進(jìn)行集中監(jiān)控，并能夠與操作人員進(jìn)行互動，實(shí)現(xiàn)對工作面及順槽設(shè)備的協(xié)同控制、保護(hù)、預(yù)警等功能。集中控制系統(tǒng)包含的功能如下。

（1）能夠在順槽監(jiān)控中心對工作面設(shè)備的集中監(jiān)控。

（2）具有對采煤機(jī)工況監(jiān)測與遠(yuǎn)程控制功能。

（3）具有對液壓支架工況監(jiān)測與遠(yuǎn)程控制功能。

（4）具有對工作面運(yùn)輸設(shè)備工況監(jiān)測與遠(yuǎn)程自動化控制功能。

（5）具有對泵站系統(tǒng)設(shè)備工況監(jiān)測與集中自動化控制功能。

（6）具有對皮帶系統(tǒng)設(shè)備工況監(jiān)控功能。

（7）具有對綜采設(shè)備數(shù)據(jù)集成、處理功能。

（8）具有自動化系統(tǒng)故障自診斷功能（包括對采煤機(jī)、液壓支架、三機(jī)、泵站、皮帶控制的故障診斷）和故障類型顯示、故障處理步驟提示、語音提示、管理等功能。

（9）具有組建工作面工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)功能，在工作面實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸。

（10）具有工作面視頻系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對主要綜采設(shè)備進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。

（11）具有對人員定位信息實(shí)時顯示和防碰撞控制功能。

（12）具有對工作面直線度進(jìn)行監(jiān)測和系統(tǒng)控制功能。

（13）具有工作面LED照明系統(tǒng)，對視頻系統(tǒng)采集工作面視頻提供良好的光照條件。

（14）集中控制系統(tǒng)具有主機(jī)熱備功能，當(dāng)某臺主機(jī)發(fā)生故障時，備用主機(jī)能無延遲接替，不影響對各子系統(tǒng)的監(jiān)視和控制。

（15）具有井上下數(shù)據(jù)傳輸功能接口，可提供第三方系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口。

（16）具有工況數(shù)據(jù)實(shí)時存儲功能。

（17）具有與地面監(jiān)控分析系統(tǒng)在線雙向通信功能，當(dāng)?shù)孛姹O(jiān)控分析系統(tǒng)通過大數(shù)據(jù)分析技術(shù)診斷并發(fā)出任何警告或風(fēng)險提示信息時，會將相關(guān)預(yù)警下發(fā)給集控系統(tǒng)，集控系統(tǒng)可根據(jù)信息進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)控制。當(dāng)綜采工作面自動化控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，各子系統(tǒng)自動停機(jī)保護(hù)，切換至就地控制，不受綜采自動化系統(tǒng)控制，以保證在檢修和自動化控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，各子系統(tǒng)能單獨(dú)運(yùn)行，不影響生產(chǎn)。集中控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)架構(gòu)如圖2所示。

3.2.2 地面綜合監(jiān)控管理系統(tǒng)

地面綜合監(jiān)控管理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)工作面設(shè)備的地面監(jiān)控、井上和工作面人員的直接對話、工作面全方位的視頻監(jiān)控、井下設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程訪問和專家診斷等功能。該系統(tǒng)通過大數(shù)據(jù)分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的在線診斷和健康管理。地面綜合監(jiān)控系統(tǒng)效果如圖3所示。

（1）監(jiān)測顯示功能：地面集控系統(tǒng)通過煤礦井下環(huán)網(wǎng)與工作面集控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)交互，并將相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。顯示的數(shù)據(jù)包括設(shè)備正常運(yùn)行數(shù)據(jù)信息、設(shè)備設(shè)定參數(shù)、設(shè)備故障信息以及設(shè)備運(yùn)行預(yù)警信息等。此外，地面監(jiān)測系統(tǒng)接受遠(yuǎn)程訪問，訪問時只需在瀏覽器中輸入特定的網(wǎng)址即可。

（2）地面遠(yuǎn)程控制功能：當(dāng)井下集控中心開放控制權(quán)限的前提下，地面監(jiān)控分析系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對井下設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，包括設(shè)備單功能的啟停、順序啟停和地面一鍵啟停。當(dāng)?shù)孛孢h(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)與井下集控系統(tǒng)通信中斷后，井下集控系統(tǒng)按自身邏輯進(jìn)行保護(hù)控制。

（3）井上下語音通話對講功能：在地面調(diào)度室安裝多媒體調(diào)度系統(tǒng)之后，該系統(tǒng)將與井下的語音系統(tǒng)形成一個語音網(wǎng)絡(luò)，可通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)地面調(diào)度室與井下工作面的對講和廣播功能。能提高工作面的管理能效。

（4）大數(shù)據(jù)成套裝備專家診斷功能：在地面建設(shè)大數(shù)據(jù)成套裝備專家診斷系統(tǒng)服務(wù)器和應(yīng)用軟件后，便可實(shí)現(xiàn)對井下相關(guān)設(shè)備的全面監(jiān)測。地面服務(wù)器將相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，同時采用自學(xué)習(xí)算法分析數(shù)據(jù)，并將分析出的預(yù)警信號反饋到工作面集控主機(jī)，進(jìn)行實(shí)時預(yù)警，確保設(shè)備安全。此外，專家診斷系統(tǒng)還可對設(shè)備壽命進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，為后期設(shè)備維護(hù)提出指導(dǎo)方案。

（5）安全控制保護(hù)功能：地面調(diào)度指揮中心普通操作人員僅具有對綜采工作面數(shù)據(jù)信息的查看權(quán)限。通過設(shè)置相應(yīng)的安全機(jī)制，在取得相應(yīng)授權(quán)的條件下，可在地面調(diào)度指揮中心對綜采工作面設(shè)備實(shí)現(xiàn)一鍵啟停功能。

3.3 系統(tǒng)特點(diǎn)

本系統(tǒng)采用成套裝備，實(shí)現(xiàn)了各子系統(tǒng)之間的無縫連接，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。具有以下特點(diǎn)：

（1）建設(shè)工作面監(jiān)控中心，通過將綜采工作面的采煤機(jī)、支架電液控制系統(tǒng)、工作面運(yùn)輸機(jī)控制系統(tǒng)、泵站控制系統(tǒng)及供電系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)高度集中自動化控制。

（2）系統(tǒng)主機(jī)硬件設(shè)備及操作系統(tǒng)均采用進(jìn)口定制化產(chǎn)品，系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng)、具有長期工作不死機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。

（3）系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊與主機(jī)間均為定制化設(shè)計，同一品牌兼容性好，數(shù)據(jù)采集模塊為插拔式設(shè)計，易更換、易維護(hù)。

（4）系統(tǒng)可根據(jù)用戶要求對顯示界面及邏輯保護(hù)功能進(jìn)行定制化開發(fā)。

（5）系統(tǒng)模塊性強(qiáng)，集中控制系統(tǒng)與各個子系統(tǒng)均為模塊化設(shè)計，單一系統(tǒng)故障不影響其他系統(tǒng)的正常工作。

（6）設(shè)備集成度高，將相關(guān)配套的附屬設(shè)備統(tǒng)一集成到主機(jī)殼體內(nèi)，減少安裝和維護(hù)量。

4.智能化工作面建設(shè)實(shí)踐

根據(jù)以上智能化設(shè)計方案，在大南湖7號煤礦某工作面進(jìn)行項(xiàng)目建設(shè)實(shí)施。經(jīng)選型配置后，采煤機(jī)選用西安煤礦機(jī)械有限公司MG620/1660-WD型號。選用中煤張家口煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司的前部刮板機(jī)SGZ1000/2000型，后部刮板機(jī)SGZ1200/2000型，轉(zhuǎn)載機(jī)SZZ1350/700型號，破碎機(jī)PCM700型號，轉(zhuǎn)載機(jī)自移裝置ZY1100，皮帶機(jī)自移機(jī)尾ZY2700。液壓支架選用中煤北京煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司的ZFY10000/23/45D液壓支架中間架、液壓支架排頭架ZFP11000/24/36D、液壓支架端頭架ZT27000/23/40D、運(yùn)輸巷超前支架ZQL40500/23/40D、回風(fēng)巷超前支架ZQL4X7500/23/40WD。供液系統(tǒng)選用浙江中煤機(jī)械科技有限公司的BRW500/31.5智能乳化液泵和BPW516/16噴霧泵。經(jīng)過智能化建設(shè)，其工作面實(shí)現(xiàn)了工作面設(shè)備智能化運(yùn)行為主、人工干預(yù)為輔的智能化開采模式。

5.結(jié)語

通過大南湖七號煤礦智能化建設(shè)實(shí)現(xiàn)了工作面采煤機(jī)記憶截割、支架跟機(jī)動作、時間記憶放煤、視頻動態(tài)實(shí)時監(jiān)控、人工遠(yuǎn)程干預(yù)、系統(tǒng)整體協(xié)同保護(hù)的智能化開采模式。大大改善煤礦信息化、自動化和智能化水平，實(shí)現(xiàn)井下少人無人作業(yè)，根本上實(shí)現(xiàn)礦山安全，也解決了礦山普遍面臨招工難、用工難問題。提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)效益，防止和減少安全事故發(fā)生，提高企業(yè)經(jīng)營管理水平和決策水平，實(shí)現(xiàn)煤礦高質(zhì)量發(fā)展，增強(qiáng)企業(yè)可持續(xù)發(fā)展能力。