煤礦井下無(wú)人工作面的發(fā)展前景

董冠軍

（太原理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，山西 太原 030024）

煤礦井下無(wú)人工作面的發(fā)展前景

董冠軍

（太原理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，山西 太原 030024）

“無(wú)人則安”是煤礦安全的發(fā)展方向。文章以神東煤炭公司榆家梁煤礦44305工作面為試點(diǎn)，介紹了煤礦井下工作面自動(dòng)化采煤自動(dòng)化的關(guān)鍵技術(shù)和試驗(yàn)中存在的問題，并提出了今后的研究方向。

工作面；自動(dòng)化；記憶割煤；遠(yuǎn)程干預(yù)

實(shí)現(xiàn)煤礦井下無(wú)人工作面的主要技術(shù)途徑有兩種：一是使用刨煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架組成的綜采機(jī)組；刨煤機(jī)綜采機(jī)組適用于薄煤層或中厚偏薄煤層開采，對(duì)煤的硬度要求較低，而且只能用于地質(zhì)條件變化不大的煤層。二是使用滾筒式采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)和液壓支架組成的綜采機(jī)組。滾筒式采煤機(jī)綜采機(jī)組適用于厚煤層開采，對(duì)煤層硬度、厚度、地質(zhì)條件的適應(yīng)能力強(qiáng)。

1 國(guó)內(nèi)外煤礦井下無(wú)人工作面的技術(shù)現(xiàn)狀

目前，德國(guó)、法國(guó)、俄羅斯、比利時(shí)等國(guó)廣泛采用刨煤機(jī)綜采機(jī)組；德國(guó)使用刨煤機(jī)的時(shí)間最長(zhǎng)、技術(shù)水平最高，并且實(shí)現(xiàn)了無(wú)人工作面。美國(guó)JOY公司、德國(guó)DBT和EKF公司開發(fā)了有自動(dòng)化功能的滾筒式采煤機(jī)（但尚未在實(shí)際生產(chǎn)中成功使用）。滾筒式采煤機(jī)自動(dòng)化割煤工藝目前有兩種：一是工作面只需設(shè)置1名操作人員，只完成頂滾筒的割煤，尾滾筒根據(jù)控制器的設(shè)定自動(dòng)完成割煤。二是通過操作人員手動(dòng)進(jìn)行一次示范性割煤，采煤機(jī)按示范的程序自動(dòng)記憶割煤，并需操作人員跟隨采煤機(jī)監(jiān)護(hù)其運(yùn)行情況。

國(guó)內(nèi)許多煤炭企業(yè)為提高資源回收率、延長(zhǎng)礦井壽命、實(shí)現(xiàn)資源均衡開采，對(duì)薄煤層開采技術(shù)進(jìn)行了一系列的研究和實(shí)踐。鐵法煤業(yè)集團(tuán)于2000年引進(jìn)了德國(guó)的自動(dòng)化刨煤機(jī)綜采系統(tǒng)，裝備了國(guó)內(nèi)第一個(gè)薄煤層刨煤機(jī)自動(dòng)化工作面，年產(chǎn)量達(dá)到120萬(wàn)t～150萬(wàn)t。隨后，西山煤電集團(tuán)的馬蘭礦等企業(yè)也引進(jìn)了德國(guó)的刨煤機(jī)綜采系統(tǒng)。神東煤炭公司，從2004年開始試驗(yàn)了5個(gè)自動(dòng)化綜采工作面。經(jīng)對(duì)神東礦區(qū)1.5m～2.0m煤層的自動(dòng)化開采實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)了薄煤層的安全和高效生產(chǎn)，并延長(zhǎng)了礦井服務(wù)年限。陜西省神木縣榆家梁煤礦44305工作面，于2008年進(jìn)行了滾筒式采煤機(jī)的自動(dòng)化割煤實(shí)踐，試驗(yàn)了采煤機(jī)機(jī)尾滾筒隨機(jī)割煤、滾筒式采煤機(jī)記憶割煤、滾筒式采煤機(jī)記憶割煤加有線遠(yuǎn)程干預(yù)三種自動(dòng)化采煤工藝，歸納出以下經(jīng)驗(yàn)：

(1)采煤機(jī)尾滾筒隨動(dòng)割煤，必須有操作人員跟機(jī)作業(yè)。在采高1.8m采煤機(jī)速度超過6m/min時(shí)，人員跟機(jī)操作困難、安全隱患多、勞動(dòng)強(qiáng)度大，采煤機(jī)的割煤能力不能充分發(fā)揮。

(2)記憶割煤工藝通過采煤機(jī)自動(dòng)重復(fù)示范割煤時(shí)，不能有效地對(duì)工作面的設(shè)備和巡視人員的安全狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而且不能根據(jù)煤層變化自動(dòng)調(diào)節(jié)采高，難以保證煤質(zhì)要求。

(3)記憶割煤加有線遠(yuǎn)程干預(yù)割煤工藝，是通過采煤機(jī)上的攝像系統(tǒng)對(duì)工作面進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視（在順槽設(shè)備列車上進(jìn)行監(jiān)視）；該工藝主要解決了工作面的設(shè)備和人員的安全問題，而且通過遠(yuǎn)程干預(yù)實(shí)時(shí)調(diào)整采高，適應(yīng)煤層的起伏變化。

綜上所述，我國(guó)厚煤層滾筒式采煤機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)人工作面時(shí)，以采用采煤機(jī)記憶割煤加有線遠(yuǎn)程視屏干預(yù)自動(dòng)化割煤工藝最為先進(jìn)，但是還需進(jìn)行完善才能普及。

2 實(shí)現(xiàn)煤礦井下無(wú)人工作面的關(guān)鍵技術(shù)

綜采工作面中，通常采煤機(jī)沿刮板輸送機(jī)的軌道運(yùn)行，由于煤層厚度的變化和地質(zhì)斷層的出現(xiàn)，主要靠司機(jī)觀察地質(zhì)條件變化來(lái)控制采煤機(jī)滾筒的截割高度。因此，采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高技術(shù)是實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制的首要關(guān)鍵技術(shù)。再者，隨著工作面的推進(jìn)，采煤機(jī)司機(jī)還要觀察采煤機(jī)的運(yùn)行前方的液壓支架工作狀態(tài)。例如，液壓支架是否支撐到位，前掩護(hù)梁是否收回等問題，這就需要解決液壓支架與采煤機(jī)的協(xié)調(diào)遠(yuǎn)程控制問題。

實(shí)現(xiàn)液壓支架與采煤機(jī)聯(lián)動(dòng)作業(yè)，要將液壓支架的電液控制裝置在整個(gè)工作面形成網(wǎng)絡(luò)化控制，工作面所有液壓支架上都裝控制器，并在工作面端頭裝主控裝置。主控裝置控制整個(gè)工作面設(shè)備的運(yùn)行狀況，并能形象化地顯示液壓支架位移情況、主要參數(shù)、采煤機(jī)行走方向和位置等。主控裝置要與工作面和井下監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行通訊，將工作面運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)地傳輸?shù)降孛嬷行目刂剖?，?shí)現(xiàn)地面控制室對(duì)井下工作面的監(jiān)控。

采煤機(jī)與工作面運(yùn)輸系統(tǒng)的協(xié)調(diào)遠(yuǎn)程控制也很重要，因?yàn)榫C采工作面運(yùn)輸系統(tǒng)的工作狀態(tài)決定著采煤機(jī)如何控制。例如，工作面刮板輸送機(jī)和順槽可伸縮膠帶輸送機(jī)出現(xiàn)運(yùn)量超限、輸送機(jī)發(fā)生故障等問題，都要及時(shí)調(diào)整采煤機(jī)的工作參數(shù)。

為保證采煤工作面自動(dòng)化正常運(yùn)行，控制系統(tǒng)中要安裝一套遠(yuǎn)程控制器，通過光纜將采煤機(jī)遙控器移至順槽設(shè)備列車上，工作人員也從工作面移至順槽設(shè)備列車上的控制室，工作人員通過設(shè)備列車上的主控制臺(tái)視頻監(jiān)視工作面設(shè)備的工作情況，必要時(shí)對(duì)工作面設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行干預(yù)。

遠(yuǎn)程干預(yù)是通過采煤機(jī)上的攝像系統(tǒng)傳輸工作面圖像，工作人員根據(jù)圖像上的采煤機(jī)滾筒截割情況和支架工作狀態(tài)等信息，必要時(shí)對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行人為干預(yù)，可有效避免煤層變化時(shí)截割矸石，并對(duì)工作面設(shè)備的安全運(yùn)行提供有效保證。也可以在每個(gè)液壓支架上安裝攝像裝置，當(dāng)采煤機(jī)走到某個(gè)支架時(shí)，打開該支架的攝像系統(tǒng)；走過以后，關(guān)閉攝像系統(tǒng)，從而為操作人員提供采煤機(jī)工作的視頻畫面，保證采煤機(jī)的正常割煤。

3 采煤工作面的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)由地面監(jiān)控中心的工業(yè)以太網(wǎng)通過連接器與井下中繼器相連，中繼器通過PROFIBUS總線與工作面診斷器、控制器、各設(shè)備連接，形成工作面網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)，控制內(nèi)容如下：

（1）現(xiàn)場(chǎng)傳感器：主要裝在液壓支架和采煤機(jī)上。液壓支架主要裝有前探梁角度傳感器、缸內(nèi)液體壓力傳感器、移架位移傳感器、護(hù)幫板收回接觸傳感器、支架姿態(tài)傳感器。采煤機(jī)裝有行走速度傳感器、位移傳感器。傳感器發(fā)出的信號(hào)傳輸給本安型可編程控制器。

（2）液壓支架控制器：每臺(tái)液壓支架上都裝一個(gè)控制器，對(duì)液壓支架實(shí)施自動(dòng)控制，控制對(duì)象是液壓支架的主控閥組和輔助閥組；輔助閥主要有單向閥、安全閥、雙反流沖洗過濾器、立柱液控單向閥。

（3）順槽計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)：順槽設(shè)備列車上安裝三臺(tái)防爆計(jì)算機(jī)。第一臺(tái)計(jì)算機(jī)用來(lái)控制液壓支架電控系統(tǒng)，稱為主控計(jì)算機(jī)；完成控制、顯示、儲(chǔ)存液壓支架的數(shù)據(jù)和信息，并為支架自動(dòng)化傳輸相關(guān)采煤機(jī)數(shù)據(jù)，采用自動(dòng)化模式操作工作面液壓支架，操作模式預(yù)先通過參數(shù)設(shè)定來(lái)確定?？刂苾?nèi)容包括：自動(dòng)斜切模式，設(shè)定成組推溜起始架，開始成組推溜，機(jī)頭、機(jī)尾整體推溜，故障顯示、分析，急停支架，開啟工作面控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)采用RS485接口模式和Modbus通訊協(xié)議與視屏系統(tǒng)連接，在自動(dòng)行進(jìn)中向視屏系統(tǒng)提供采煤機(jī)位置，讓攝像頭在最佳位置啟動(dòng)。

第二臺(tái)計(jì)算機(jī)用來(lái)控制采煤機(jī)；調(diào)節(jié)采煤機(jī)的工作位置、當(dāng)前牽引方向和速度、左右滾筒當(dāng)前的載割高度、各動(dòng)力系統(tǒng)的負(fù)荷狀態(tài)等信息。通過設(shè)定通訊接口向采煤機(jī)發(fā)出操作指令。例如：斷電、停止?fàn)恳?、切換牽引、左右搖臂升降等。它與采煤機(jī)之間的控制是依靠采煤機(jī)上專用的電纜和調(diào)制通訊模塊實(shí)現(xiàn)的。視屏系統(tǒng)顯示采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，操作人員依據(jù)視屏顯示內(nèi)容對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。采煤機(jī)控制計(jì)算機(jī)與主控計(jì)算機(jī)串聯(lián)，將采煤機(jī)有關(guān)信息傳送給主控計(jì)算機(jī)，并與主控計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)與液壓支架的聯(lián)動(dòng)控制。

第三臺(tái)計(jì)算機(jī)用來(lái)監(jiān)控工作面刮板輸送機(jī)、順槽轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、負(fù)荷中心、乳化液泵站、可伸縮膠帶輸送機(jī)。將這些設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、故障報(bào)警、故障診斷等信息傳送給主控計(jì)算機(jī)，由主控計(jì)算機(jī)完成各設(shè)備的聯(lián)鎖控制，主控計(jì)算機(jī)還可將各設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)和信息向地面調(diào)度中心轉(zhuǎn)發(fā)。

4 井下無(wú)人工作面的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

工作面控制主要是對(duì)液壓支架的監(jiān)控、對(duì)采煤機(jī)的監(jiān)控、對(duì)負(fù)荷中心的訪問、對(duì)工作面通訊系統(tǒng)的訪問、實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、輸送機(jī)、乳化液泵站的集中控制；它由一臺(tái)可編程控制器、一臺(tái)主控計(jì)算機(jī)、一臺(tái)百兆隔爆交換機(jī)、一臺(tái)隔爆型UPS電源組成。并與礦井以太環(huán)網(wǎng)接口。順槽可伸縮膠帶輸送機(jī)的控制，主要由一臺(tái)百兆隔爆交換機(jī)、皮帶集控系統(tǒng)、組合開關(guān)組成。其功能是皮帶集控對(duì)組合開關(guān)的訪問、數(shù)據(jù)的上傳、與礦井以太環(huán)網(wǎng)接口。

通過工作面主控計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面所有生產(chǎn)設(shè)備的全面控制，完成順序開機(jī)和順序停機(jī)功能。通過順槽主控臺(tái)實(shí)現(xiàn)乳化液泵站和噴霧泵的集中控制。

實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)跟機(jī)自動(dòng)化，完成電液控系統(tǒng)，根據(jù)采煤機(jī)運(yùn)行位置自動(dòng)進(jìn)行液壓支架的升、降、移動(dòng)作。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)聯(lián)鎖，工作面設(shè)備具有急停閉鎖功能；工作面輸送機(jī)與采煤機(jī)具有互鎖功能；采煤機(jī)與噴霧泵具有聯(lián)動(dòng)功能。系統(tǒng)整體是一種可在線編程的控制系統(tǒng)，可以遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)、在線運(yùn)行，能為系統(tǒng)故障的排除提供有力的技術(shù)保證，對(duì)系統(tǒng)的維護(hù)和管理十分便捷。

5 現(xiàn)存問題和前景展望

目前我國(guó)采煤工作面自動(dòng)化存在下列問題：自動(dòng)化僅適用于煤層賦存比較穩(wěn)定，走向和傾角起伏變化不大、構(gòu)造少、煤層傾角不大、煤層頂板、底板條件較好，工作面水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單的場(chǎng)合；配套支架空間相對(duì)狹小，架間的管線易損壞；工作面操作人員技術(shù)水平較低，需進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)；攝像系統(tǒng)因工作面煤塵大，導(dǎo)致視頻畫面的清晰度不高。

上述問題中主要應(yīng)解決攝像系統(tǒng)視頻清晰度不高的問題，要盡快研制鏡頭自動(dòng)清洗裝置。煤礦大多數(shù)井下工作面的地質(zhì)條件變化復(fù)雜，難以掌握和預(yù)料；要使大多數(shù)井下工作面實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化采煤，還有賴于高智能化控制技術(shù)的發(fā)展，使控制系統(tǒng)由“檢測(cè)——比較——計(jì)算——執(zhí)行”發(fā)展到“識(shí)別——推理——決策——執(zhí)行”的新結(jié)構(gòu)。這樣的控制系統(tǒng)才能根據(jù)環(huán)境的變化，自適應(yīng)地調(diào)整控制規(guī)則，希能模擬人的思維過程及時(shí)處理遇到的復(fù)雜問題，實(shí)現(xiàn)煤礦井下工作面采煤的較高程度的自動(dòng)化。

Prospects of Unmanned Working Face in M ines

DONG Guan-jun

(College of Information Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan Shanxi030024)

The orientation ofmine safety development is unmanned working.The paper did the pilot study on the 44305 working face of Yujialiang Mine to introduce the key technology and problems of mining automation and to put forward the future research direction.

working face;automation;memory cutting coal;remote intervention

TD67

A

1672-5050（2011）09-0065-03

2011-06-13

董冠軍（1953—），男，河北倉(cāng)縣人，副教授，研究方向?yàn)橹悄芸刂评碚撆c技術(shù)。

徐樹文