綜采自動化開采技術(shù)在傾斜工作面的實踐應用

朱明鎏

摘要：隨著我國煤礦裝備水平的提高，綜采工作面自動化技術(shù)不斷進步，本文以國能寧夏煤業(yè)集團紅柳煤礦為例從設備配套、自動化控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)出發(fā)闡述自動化設備在傾斜工作面的實踐，最終實現(xiàn)自動化設備在傾斜工作面雙向全截深全自動化割煤作業(yè)。

Abstract： With the improvement of China's coal mine equipment level， the automation technology of fully mechanized mining face continues to advance. This paper takes the Hongliu Coal Mine of Guoneng Ningxia Coal Industry Group as an example to explain the automation equipment in the inclined working face from the principle structure of equipment supporting and automatic control system， to realize automatic equipment in the inclined working face two-way full depth and full automatic coal cutting operation.

關鍵詞：綜采工作面;傾斜;雙向全截深;全自動化

Key words： fully mechanized mining face;inclined;two-way full depth;fully automation

中圖分類號：TD8? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2018）34-0274-04

0? 引言

煤礦井下工作面是一個高危險的生產(chǎn)環(huán)境。國家提出“機械化換人、自動化減人”的發(fā)展理念，綜采自動化應運而生。自動化工作面的研究發(fā)展是隨著近年來隨著礦井開采強度和深度的加大，地質(zhì)條件越來越復雜，沖擊地壓、煤與瓦斯突出等動力災害的威脅加大，導致各種安全事故頻繁發(fā)生;其次隨著薄煤層甚至極薄煤層的開采，空間局限，工人幾乎沒有辦法進入工作面進行采煤作業(yè)，將工人從高危的生產(chǎn)環(huán)境解放出來“無人則安”的要求迫切的被提出;第三是高產(chǎn)高效生產(chǎn)的需要，近年來綜采設備單機自動化取得了很大的發(fā)展，成套設備密切配合的全自動化成為提高產(chǎn)效的有效途徑;第四綜是采煤方式發(fā)展的必然趨勢，采煤方式從炮采、普采向綜采逐步升級，現(xiàn)正向自動化、智能化方向發(fā)展，是煤礦安全、高效集約化生產(chǎn)的發(fā)展趨勢，也是實現(xiàn)采煤工作面無人開采最有效的技術(shù)手段;第五是煤礦實現(xiàn)從勞動密集型轉(zhuǎn)向技術(shù)密集型的途徑和手段。因此，將工人從危險、惡劣、嘈雜的工作環(huán)境中解放出來，讓設備替代工人進行煤礦開采，實現(xiàn)綜采自動化成了解決煤礦安全高效生產(chǎn)的核心課題。

1? 礦井概況

紅柳煤礦是神華寧夏煤業(yè)集團鴛鴦湖礦區(qū)第二大礦井，礦井規(guī)模6Mt/a，采用主斜副緩的開拓方式。目前主采3煤，最短自燃發(fā)火期47天，煤塵具有爆炸性。I040301綜采工作面位于礦井I04采區(qū)，采用走向長壁、綜合自動化、一次采全高、全部垮落采煤法。工作面埋深320～402m，煤層傾角7°～25°，走向長1663.2m，傾向長242.9m，采高2.7m，可采儲量141.8萬噸。

2? 主要設備簡介

2.1 液壓支架? I040301綜采工作面安裝141架由北京煤機廠生產(chǎn)的ZY10000/17/38D型掩護式液壓支架，支架選用德國DRD公司生產(chǎn)的主閥和輔閥，北京天地瑪珂電液控制有限公司生產(chǎn)的電磁先導閥、控制器、驅(qū)動器、傳感器、綜合接入器、防爆云臺、WIFI基站等。

2.2 采煤機? 安裝一臺有天地上海煤機有限公司生產(chǎn)的MG750/1920-WD電牽引采煤機，裝機功率1920kW，采高范圍2.6～4.5m滾筒直徑2240mm，適合傾角≤35°，截深865mm。采煤機安裝國際最先進的LASC2.0數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，一臺WI-FI基站（2.4G無線通信）。

2.3 刮板輸送機? 工作面安裝由天地西北奔牛集團生產(chǎn)的SGZ1000/2*1000重型刮板輸送機，輸送能力2200t/h，額定功率2*1000kW，額定電壓3300V，刮板機選用中煤科工天地（濟源）電氣傳動有限公司生產(chǎn)的BPJV2-1400/3.3隔爆兼本質(zhì)安全型高壓交流變頻器驅(qū)動，額定輸入電壓：AC 3300V;輸入頻率：50Hz;重載應用：1400kW，輸出電壓范圍：0～3300V，輸出電流：0～293A，輸出頻率范圍：0～60Hz。

2.4 帶式輸送機? 順槽布置一臺有天地西北煤機公司生產(chǎn)的DSJ140/300/3*560可伸縮帶式輸送機，帶寬1400mm，輸送能力3000t/h，帶強PVG2500S。輸送機采用唐山開城集團公司生產(chǎn)的ZJT-630/1140隔爆兼本質(zhì)安全型變頻器驅(qū)動。額定輸入電壓：AC 1140V;輸入頻率：50Hz;重載應用：630kW，輸出電壓范圍：0～1140V，輸出頻率范圍：0～50Hz。

2.5 供液系統(tǒng)? 設備列車布置4臺無錫威順煤礦機械有限公司生產(chǎn)的BRW550/40X乳化液泵，公稱流量550L/min，公稱壓力40MPa，額定功率450kW。乳化液泵采用中煤科工天地（濟源）電氣傳動有限公司生產(chǎn)的BPJV2-500/3.3隔爆兼本質(zhì)安全型高壓交流變頻器驅(qū)動，可實現(xiàn)電機變頻調(diào)速控制，根據(jù)乳化液壓力以及流量需求智能調(diào)整電機轉(zhuǎn)速。供液系統(tǒng)采用北京天地瑪珂電液控制有限公司生產(chǎn)自動配比裝置，有自動卸載功能;配有電磁閥控制的進水裝置，實現(xiàn)乳化液泵站變頻和電磁卸荷智能聯(lián)動，實現(xiàn)工作面恒壓供液。有乳化液濃度、壓力、流量、液位、溫度、實時在線監(jiān)測及校準裝置，并以數(shù)字方式顯示，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)存貯、上傳功能。

3? 自動化系統(tǒng)概述

綜采自動化控制系統(tǒng)以工作面少人化、無人化開采為目標，依托貫穿工作面、順槽的工業(yè)以太網(wǎng)通信系統(tǒng)及無線網(wǎng)絡通信平臺，實現(xiàn)以綜采設備自動化控制為核心，人員就地巡視干預為輔助，順槽、地面遠程集中監(jiān)控為支撐的自動化控制模式。

SAM綜采自動化控制系統(tǒng)以SAC支架電液控系統(tǒng)為基礎，LASC采煤機絕對定位系統(tǒng)為核心，集成SAV工作面視屏監(jiān)控系統(tǒng)、SAP智能集成供液系統(tǒng)、SAS采煤機控制系統(tǒng)、SAT順槽三機集成控制系統(tǒng)、SAB順槽膠帶輸送機集成控制系統(tǒng)、集成供電系統(tǒng)、工作面工業(yè)以太網(wǎng)通訊、順槽監(jiān)控中心、工作面語音通信、工作面控制模塊等12子系統(tǒng)。具備在地面調(diào)度中心對綜采設備（采煤機、液壓支架、刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機、破碎機等）的運行狀態(tài)監(jiān)控、工作面設備數(shù)據(jù)集成、視頻實時監(jiān)控，工作面雙向全截深自動化控制方式，以及基于LASC技術(shù)的工作面直線度檢測及自動找直控制功能。具有單機故障其他設備不受影響的容錯機制。

紅柳煤礦I 040301自動化工作面通過融合采煤機智能記憶割煤控制，液壓支架跟隨采煤機自動移架支護、推移刮板輸送機控制，工作面設備可視化視頻監(jiān)控，無線以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸，基于LASC技術(shù)的工作面自動找直控制、綜采設備集中控制等功能，建立了綜采成套裝備自動化控制系統(tǒng)，實現(xiàn)在工作面監(jiān)控中心和地面調(diào)度中心對工作面設備進行自動化檢測控制，保證工作面各設備間協(xié)調(diào)、連續(xù)、高效、安全運行。

4? 自動化系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu)

自動化系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)的以單機裝備為主、總體協(xié)調(diào)的人工控制思路，建立了以成套裝備總控制網(wǎng)絡信息綜合決策為主、單機裝備為執(zhí)行機構(gòu)的體系結(jié)構(gòu)。通過運用工作面控制模型，運用工業(yè)以太網(wǎng)通訊、RS485通訊、3180通訊、RS232通訊、CAN總線通訊、無線通訊等多種通訊手段，將采煤機、液壓支架、刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機、破碎機、順槽膠帶機、供液系統(tǒng)、供電系統(tǒng)等裝備有機結(jié)合起來，構(gòu)建成一個相互聯(lián)系、相互依存、相互制約的采煤自動化控制系統(tǒng)，實現(xiàn)地面、順槽、采場的高速數(shù)據(jù)傳輸及各子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互，視頻、音頻傳輸，從而實現(xiàn)對各設備的數(shù)據(jù)采集和控制。實現(xiàn)對綜合機械化采煤工作面設備的協(xié)調(diào)管理與集中控制。綜采自動化主要有工作面、順槽、地面三部分組成：

4.1 工作面自動化（綜采單機設備）

①SAC結(jié)構(gòu)組成及原理。每臺支架安裝一臺16功能電磁主閥和控制器，控制器之間通過4C線連接。右立柱安裝壓力傳感器，推移千斤安裝行程傳感器，在左立柱安裝紅外接收器實現(xiàn)跟隨采煤機跟機自動操作，每臺支架安裝一組傾角傳感器負責檢測工作面傾角，機頭安裝一個信號轉(zhuǎn)換器，負責將CAN總線通訊轉(zhuǎn)換為RS422通訊，將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控中心網(wǎng)絡交換機。同時監(jiān)控中心將操作的指令通過CAN總線通訊傳輸至支架，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互和操作。系統(tǒng)通過讀取LASC慣性導航生成的工作面曲線實現(xiàn)工作面自動找直功能。（圖2）

②LASC2.0結(jié)構(gòu)組成（LongWall Automation Steering Committe）長臂自動化指導委員會。LASC是一套數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，安裝INS慣性導航系統(tǒng)（實現(xiàn)精確定位，姿態(tài)檢測）、搖臂安裝擺角傳感器、SPMS采煤機位置測量系統(tǒng)等可實現(xiàn)采煤機精確定位、采高測量、煤機速度測量、機身姿態(tài)檢測、工作面直線度測量等。輔助以工作面煤層模型，可實現(xiàn)采煤機保持工作面平直、采煤機自動調(diào)高控制、保持采煤機在煤層及3D可視化虛擬現(xiàn)實等功能。

③SAV結(jié)構(gòu)組成及原理。每6臺支架安裝一臺云臺攝像儀和綜合接入器，綜合接入器之間通過4N線連接，每12臺支架安裝一臺WI-FI基站與綜合接入器通過4NS線連接，工作面機頭機尾各安裝一臺光電轉(zhuǎn)換器，將視頻數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控中心光電轉(zhuǎn)換器后接入數(shù)據(jù)交換機。實時跟蹤采煤機，自動完成視頻跟機推送，為工作面可視化遠程監(jiān)控提供“身臨其境”的視覺感受，指導遠程生產(chǎn)。

④SAS結(jié)構(gòu)組成及原理。采煤機安裝一臺WI-FI基站，負責LASC系統(tǒng)與工作面WI-FI環(huán)網(wǎng)進行數(shù)據(jù)交互，采煤機電纜通過載波通訊與順槽載波通訊模塊進行數(shù)據(jù)交換，負責將采煤機工況傳輸至順槽網(wǎng)絡交換機，同時監(jiān)控中心將遠控操作的指令通過載波通訊傳輸至煤機，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。按照示范刀所記錄的工作參數(shù)、姿態(tài)參數(shù)、滾筒高度軌跡，進行智能化運算，形成記憶截割模板，在自動截割過程中不斷修正誤差，實現(xiàn)自動調(diào)高、臥底、加速和減速等功能。

4.2 順槽監(jiān)控自動化（動力監(jiān)控設備）

①監(jiān)控中心結(jié)構(gòu)組成及原理。安裝有6臺主機負責顯示支架主界面、采煤機主界面、綜合控制主界面、支架視頻、煤壁視頻、跟機視頻，1臺支架遠程操作臺，1臺采煤機遠程操作臺。監(jiān)控中心安裝3臺數(shù)據(jù)交換機，負責將工作面和順槽數(shù)據(jù)進行集合處理，處理完畢的數(shù)據(jù)經(jīng)過工作面模型控制計算后發(fā)出指令，通過CAN總線通訊傳輸支架和載波通信傳輸采煤機（采場-順槽）。經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)通過一臺路由交換機及光電轉(zhuǎn)化器實現(xiàn)順槽與井下以太網(wǎng)的通訊，從而與地面實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互（順槽-地面）。

②SAP結(jié)構(gòu)組成及原理。每臺泵站安裝1臺綜合接線器，系統(tǒng)安裝1臺泵站主機、1臺操作臺、1臺PLC控制器，可實現(xiàn)遠程和就地控制，泵站和泵箱安裝壓力傳感器、液位傳感器、流量傳感器、濃度傳感器、電流傳感器油位傳感器、溫度傳感器等，綜合接線器將傳感器數(shù)據(jù)采集傳輸PLC控制器，PLC將數(shù)據(jù)傳輸至泵站主機，集控主機分析處理，通過3180通訊將數(shù)據(jù)傳輸至綜合接入器，綜合接入器接入監(jiān)控中心的網(wǎng)絡交換機實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集交互。

4.3 地面監(jiān)控自動化（服務監(jiān)控設備）

地面調(diào)度室安裝1臺服務器、2臺工作站（1臺支架主機、1臺采煤機主機）、3臺監(jiān)視器、1臺網(wǎng)絡交換機，井下數(shù)據(jù)通過以工業(yè)太網(wǎng)通訊接入網(wǎng)絡交換機后連接服務器，經(jīng)過服務器分析處理接入地面工作站，可實現(xiàn)地面調(diào)度對工作面設備的檢測等功能。（圖3-圖4）

5? 自動化系統(tǒng)功能

采煤機以記憶割煤為主，人工干預為輔;液壓支架以跟隨采煤機自動動作為主，人工干預為輔;綜采運輸設備實現(xiàn)集中自動化控制;依據(jù)LASC系統(tǒng)實現(xiàn)對工作面直線度狀態(tài)監(jiān)測，并在支架跟機自動控制過程中實現(xiàn)自動找直;依托全工作面視頻實時監(jiān)控，實現(xiàn)集視頻、語音、集中控制為一體的綜采工作面自動化系統(tǒng)。系統(tǒng)具備的自控制功能具體為：①具有雙向全截深采煤工藝的自動化跟機模式，采煤機記憶割煤，工作面液壓支架跟機移架、推溜、護幫板和伸縮梁的聯(lián)動。②具有對工作面綜采設備的數(shù)據(jù)集成、處理、故障診斷、管理等功能。③具有LASC采煤機絕對定位軌跡記錄，工作面自動找直功能。④具有在地面調(diào)度中心對綜采工作面設備的監(jiān)測功能。⑤具有在順槽控制中心對綜采工作面設備的監(jiān)測及集中控制功能。⑥具有泵站系統(tǒng)設備工況監(jiān)測及控制功能。⑦具有對采煤機工況監(jiān)測與控制功能。⑧具有工作面工業(yè)以太網(wǎng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸。⑨具有工作面視頻系統(tǒng)，實現(xiàn)對主要綜采設備的實時監(jiān)控。⑩具有井上下數(shù)據(jù)傳輸功能。{11}具有對液壓支架工況監(jiān)測與控制功能。{12}具有對工作面運輸設備運行狀態(tài)監(jiān)測及控制功能。

當綜采工作面自動化控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，各子系統(tǒng)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)能單獨開車，確保生產(chǎn)不受影響。

6? 回采工藝及循環(huán)方法

6.1 采煤工藝? 采用采煤機記憶雙向割煤，自動上下端頭斜切進刀。LASC采煤機絕對定位軌跡記錄支架自動快速跟機移架支護、自動成組推移刮板運輸機，自動生成的矯直曲線，支架自動找直。變頻智能調(diào)速刮板運輸機，集成泵站自動配比和變頻智能控制，集控中心可以實現(xiàn)設備分機自動化控制、集成自動化控制。

6.2 循環(huán)方法? 按照先進行人工操作采煤機往返割煤2刀（示范刀），采煤機進行數(shù)據(jù)記憶，從第3刀開始進行自動化（記憶刀）割煤、支架自動跟機。

7? 工序過程

7.1 學習模式（示范刀）

①采煤機控制模式設定“就地控制，手動-學習截割模式”，進入學習截割狀態(tài)，由人工操作采煤機，采煤機記憶人工操作割煤過程。②工序：人工操作采煤機下行割煤→移架→移刮板輸送機→割透下端煤壁→反向上行斜切進刀→移動刮板機機頭→下行割透下端煤壁→采煤機上行割煤→移架→移刮板輸送機→割透上端煤壁→反向下行斜切進刀→將機尾推向煤壁→移架→割透上端煤壁→移架→采煤機下行割煤。

7.2 自動模式（記憶刀）

①采煤機控制模式設定“就地控制，自動-記憶截割模式、允許在線修改，允許干預”采煤機雙向自動記憶割煤。

②支架控制器參數(shù)設置：

跟機類型：0-中部跟機 1-全工作面跟機 1

跟機首架：3

跟機末架：141

煤機身長：9

移架距離：（滯后煤機開始移架）7

推溜距離：（滯后煤機開始推溜）20

收伸縮梁：（超前煤機開始收伸縮梁）6

伸伸縮梁：（滯后煤機開始伸伸縮梁）15

移架動作：允許

推溜動作：允許

伸縮梁動作：伸收

③工序：

下行：采煤機下行向機頭割煤（右滾筒在上，后滾筒在下）→超前煤機6臺支架自動收護幫伸縮梁（每組動作3架）→超前煤機3臺支架自動噴霧（每組動作3架，每架噴霧時間3s）→滯后煤機7架跟機移架（降架、移架、升架）→滯后煤機15架自動伸護幫伸縮梁（每組動作3架）→滯后采煤機20架跟機推溜（每組動作6架）。

上行：采煤機上行向機尾割煤（右滾筒在下，后滾筒在上）→超前煤機6臺支架自動收護幫伸縮梁（每組動作3架）→滯后煤機3臺支架自動噴霧（每組動作3架，每架噴霧時間3s）→滯后煤機7架跟機移架（降架、移架、升架）→滯后煤機15架自動伸護幫伸縮梁（每組動作3架）→滯后采煤機20架跟機推溜（每組動作6架）。（圖5）

8? 結(jié)束語

①紅柳煤礦I040301綜采自動化工作面設備是目前國能寧煤集團信息化、自動化程度最高、技術(shù)最成熟的綜采工作面，是寧煤集團第三代綜采自動化設備的應用典范，實現(xiàn)了在傾斜工作面雙向全截深全自動化采煤工藝。

②實現(xiàn)了綜采自動化的常態(tài)化應用，成套系統(tǒng)運行穩(wěn)定，形成了工作面全自動化開采作業(yè)模式，工作面由原先的至少10人手動作業(yè)變?yōu)楣ぷ髅?人（1名班長、3名巡檢工）巡檢干預操作和1人遠程可視化集中控制作業(yè)。每天節(jié)省人工17人，年節(jié)約人工費用276萬元。工作面人工工效由原來的250噸/工提升至318噸/工，實現(xiàn)了用工成本的顯著降低。

③本項目的實施推動了綜采自動化開采技術(shù)由近水平、地質(zhì)條件較好煤層向傾斜、地質(zhì)條件復雜煤層延伸與完善，促進了煤炭開采技術(shù)的進步，為傾斜、復雜地質(zhì)條件工作面自動化開采起到了示范效應。

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