峰峰集團(tuán)薄煤層綜采自動(dòng)化技術(shù)研究與應(yīng)用實(shí)踐

張步勤 劉建立 呂樹澤

(冀中能源峰峰集團(tuán)有限公司，河北省邯鄲市，056107)

1 概述

冀中能源峰峰集團(tuán)地處河北省邯鄲市峰峰礦區(qū)，是以煤炭開采為主的國(guó)有大型企業(yè)，煤炭開采歷史悠久，目前本部現(xiàn)有11對(duì)礦井，2018年生產(chǎn)原煤1700萬(wàn)t。峰峰礦區(qū)井田地質(zhì)條件復(fù)雜，采深大、斷層多、水害、瓦斯突出等問(wèn)題嚴(yán)重。近幾年，峰峰集團(tuán)依靠科技進(jìn)步，不斷探索和研究適合本地區(qū)的采掘機(jī)械化發(fā)展之路，在薄煤層開采技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用領(lǐng)域有了新突破，薄煤層綜采自動(dòng)化、智能化技術(shù)一度達(dá)到了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。

1.1 峰峰集團(tuán)薄煤層綜采發(fā)展歷程

峰峰集團(tuán)薄煤層資源儲(chǔ)量超過(guò)5000萬(wàn)t，實(shí)際可采儲(chǔ)量逾3000萬(wàn)t。自2004年，峰峰集團(tuán)開始研究薄煤層綜采技術(shù)，2005年首先在新屯礦14459薄煤層工作面實(shí)際應(yīng)用，之后在大淑村礦、大社礦、牛兒莊礦推廣應(yīng)用。

2008年峰峰集團(tuán)開始研究薄煤層綜采自動(dòng)化技術(shù)，2009年上半年在辛安礦112上89工作面進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)并取得成功，隨后在全集團(tuán)公司推廣應(yīng)用，2009年獲中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)。

峰峰集團(tuán)2011年就開始研究薄煤層綜采自動(dòng)化遠(yuǎn)程控制技術(shù)。2011年初首先在大力公司進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)。由于該礦薄煤層工作面條件復(fù)雜，頂板破碎、淋水嚴(yán)重，試驗(yàn)被迫中斷；2011年10月在大社礦94702工作面進(jìn)行試驗(yàn)，并取得成功，實(shí)現(xiàn)了薄煤層工作面安全高效少人化開采，實(shí)現(xiàn)了歷史性突破，2013年獲中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)科學(xué)技術(shù)二等獎(jiǎng)。

1.2 峰峰集團(tuán)薄煤層綜采裝備發(fā)展及應(yīng)用

1.2.1 薄煤層綜采工作面設(shè)備配套及應(yīng)用

采煤機(jī)選用MG456-WD型；支架選用ZY3000/08/19型(先導(dǎo)控制)；刮板輸送機(jī)選用SGZ730/264型，適用于煤厚1.3 m以上的較薄煤層。采煤隊(duì)平均在冊(cè)人員為98人，工作面單產(chǎn)3.6萬(wàn)t，生產(chǎn)能力為35萬(wàn)t/a左右，工效為10.7 t/工。

主要優(yōu)點(diǎn)：以綜采替代高檔普采，提高了生產(chǎn)效率，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了作業(yè)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了安全高效生產(chǎn)。該套裝備曾經(jīng)在集團(tuán)公司多個(gè)薄煤層工作面推廣應(yīng)用。

主要問(wèn)題：4#野青工作面煤厚1.1 m左右，且頂?shù)装鍨槭規(guī)r和粉砂巖，非常堅(jiān)硬(f=12～14)，機(jī)組無(wú)法截割，經(jīng)常發(fā)生支架被壓死事故，影響正常生產(chǎn)。

1.2.2薄煤層綜采自動(dòng)化工作面配套設(shè)備及推廣應(yīng)用

采煤機(jī)選用MG200/456-WD(或MG160/360-WD)型；支架選用ZY3300/07/13D型(電液控制)；刮板輸送機(jī)選用SGZ630/220型。采煤機(jī)遠(yuǎn)距離遙控操作，支架自動(dòng)跟機(jī)移動(dòng)，成組推溜。該配套適用于煤厚1.2 m左右的薄煤層工作面開采，生產(chǎn)班共計(jì)5人作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了少人值守，工作面單產(chǎn)3.6萬(wàn)t，年產(chǎn)40萬(wàn)t，工效達(dá)25 t/工。

1.2.3 薄煤層綜采自動(dòng)化推廣應(yīng)用情況

2008年初，峰峰集團(tuán)開始在薄煤層綜采工作面研究應(yīng)用電液控技術(shù)，并與天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司合作。2009年1月，首先在辛安礦112上89工作面進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，該工作面煤厚平均0.75 m，頂?shù)装鍨樘抠|(zhì)泥巖(f=4～6)，實(shí)際破巖0.5 m，采高保持在1.25 m，每天推進(jìn)13 m左右，效果非常好。試驗(yàn)成功后先后在大社礦、牛兒莊礦、新屯礦、大淑村礦推廣應(yīng)用。

峰峰高瓦斯礦井中4#野青保護(hù)層普遍煤厚0.9～1.3 m，平均煤厚1.1 m，且頂?shù)装鍒?jiān)硬，斷層多。隨著礦井開采深度加大，以前的裝備已不能完全適用于現(xiàn)有薄煤層工作面生產(chǎn)需要，急需升級(jí)換代。2017年，集團(tuán)公司制定采煤裝備升級(jí)改造3年規(guī)劃，進(jìn)一步優(yōu)化三機(jī)配套，選用ZY4000/07/15D型兩柱掩護(hù)支架，配簡(jiǎn)易電液控，成組操作，提高支架工作阻力，擴(kuò)大支架使用范圍，統(tǒng)一型號(hào)；采煤機(jī)選用MG200/455-WD型，以提高機(jī)組截割功率，增強(qiáng)破巖能力；刮板輸送機(jī)選用SGZ630/400型，電機(jī)減速機(jī)垂直布置，便于割透三角煤，目前在大淑村礦、羊東礦推廣應(yīng)用；

其中，九龍礦15449S薄煤層工作面(4#野青)，埋深達(dá)1000 m，煤厚平均1.0 m。支架工作阻力由原來(lái)的3500 kN升至6800 kN，選用ZY6800/08/15D型兩柱掩護(hù)支架，配簡(jiǎn)易電液控，生產(chǎn)中炮崩破底0.5 m，礦壓大且出現(xiàn)底鼓，支架壓力表顯示最高達(dá)到80 MPa，來(lái)壓頻繁、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，經(jīng)常造成壓架事故，正常情況下月進(jìn)尺不到30 m。此種復(fù)雜條件嚴(yán)重制約了綜采自動(dòng)化技術(shù)的有效發(fā)揮，亟需應(yīng)用先進(jìn)的電液控制技術(shù)。

總之，目前電液自動(dòng)控制技術(shù)是峰峰集團(tuán)推廣應(yīng)用最廣泛、最適宜的技術(shù)。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，在煤厚1.2 m左右的薄煤層工作面實(shí)現(xiàn)了少人作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了礦井安全高效生產(chǎn)。

2 智能綜采自動(dòng)化薄煤層工作面技術(shù)研究及應(yīng)用實(shí)踐

薄煤層智能綜采自動(dòng)化技術(shù)由峰峰集團(tuán)和天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司合作研究，于2011年12月在大社礦94702作面投入使用，該工作面煤厚平均1.3 m，賦存條件較好，生產(chǎn)單班3人作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了薄煤工作面少人值守，工作面單產(chǎn)達(dá)10萬(wàn)t以上，工作面效率達(dá)33.4 t/工，使得薄煤層綜采實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制、工作面少人值守，為峰峰集團(tuán)薄煤層綜采工作面實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守遠(yuǎn)程自動(dòng)化開采積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

2.1 智能薄煤層綜采自動(dòng)化工作面設(shè)備配套

采煤機(jī)選用MG160/360-WD型；支架選用ZY3300/07/13D型(電液控制)；刮板輸送機(jī)選用SGZ630/220型。采煤機(jī)遠(yuǎn)程或遠(yuǎn)距離遙控操作，支架自動(dòng)跟機(jī)移動(dòng)，成組推溜。經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，三機(jī)配套參數(shù)見表1。

表1 三機(jī)配套參數(shù)

2.2 薄煤層綜采工作面遠(yuǎn)程控制自動(dòng)化關(guān)鍵技術(shù)

薄煤層綜采工作面遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，主要采用先進(jìn)的數(shù)字化控制技術(shù)，建立薄煤層綜采工作面遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)，自動(dòng)完成割煤、推溜、移架、裝煤、拖纜和運(yùn)輸?shù)壬a(chǎn)流程，對(duì)關(guān)鍵設(shè)備和工況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、對(duì)三機(jī)運(yùn)行參數(shù)協(xié)調(diào)匹配、對(duì)三機(jī)故障保護(hù)和聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)薄煤層綜采工作面無(wú)人化開采，確保井下生產(chǎn)高產(chǎn)、高效和安全生產(chǎn)。

(1)采煤機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)。采煤機(jī)作為工作面的核心設(shè)備，現(xiàn)在普遍具備交流變頻電牽引、系統(tǒng)參數(shù)顯示、參數(shù)記憶、負(fù)載保護(hù)和一定的故障診斷等基本的智能功能；在此基礎(chǔ)上對(duì)采煤機(jī)技術(shù)進(jìn)行改造，增加煤巖識(shí)別、位置檢測(cè)和遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測(cè)等功能。

(2)液壓支架電液控系統(tǒng)。電液控系統(tǒng)是工作面的關(guān)鍵控制環(huán)節(jié)。液壓支架電液控技術(shù)采用天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司公司PM32液壓支架電液控制系統(tǒng)，具有成組控制、鄰架控制和遠(yuǎn)程控制等功能。

(3)刮板輸送機(jī)自動(dòng)控制。實(shí)時(shí)檢測(cè)刮板輸送機(jī)鏈條張力、負(fù)載狀態(tài)，配合自動(dòng)化控制中心實(shí)現(xiàn)負(fù)載匹配、主動(dòng)過(guò)載保護(hù)和故障保護(hù)等功能。

(4)工作面視頻監(jiān)視系統(tǒng)。采用支架內(nèi)嵌式攝像機(jī)和LED照明，盡可能減少薄煤層作業(yè)空間的占用，解決工作面高質(zhì)量圖像傳輸和線纜保護(hù)等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)全煤壁連續(xù)監(jiān)視和設(shè)備工況的實(shí)時(shí)監(jiān)視。采用超低照度成像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)工作面全長(zhǎng)煤壁側(cè)無(wú)盲區(qū)視頻監(jiān)控，對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)工況進(jìn)行隨時(shí)瞭望和異常查看。工作面視頻監(jiān)視系統(tǒng)如圖1所示。

(5)工作面自動(dòng)化控制中心。采用工控機(jī)、組態(tài)軟件和數(shù)據(jù)接口等技術(shù)，對(duì)采煤機(jī)、支架電液控和刮板輸送機(jī)等設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)工作面關(guān)鍵設(shè)備的功能協(xié)調(diào)、參數(shù)匹配及故障保護(hù)連鎖控制等功能；對(duì)重要工況參數(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)，并建立數(shù)據(jù)庫(kù)便于后續(xù)分析和處理等。煤礦用隔爆型工業(yè)計(jì)算機(jī)基于X86構(gòu)架，可以運(yùn)行Windows XP或Linux系統(tǒng)，已經(jīng)完全支持組態(tài)控制軟件，為靈活、方便地開發(fā)自動(dòng)化集中控制系統(tǒng)提供了保障。

1-防爆LED燈；2-本安型攝像儀；3-防塵風(fēng)罩；4-畫面分割切換器；5-隔爆型監(jiān)視器圖1 視頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

(6)遠(yuǎn)程操作臺(tái)。顯示設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，監(jiān)視工作面工作狀況，人工調(diào)整及操作設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。

2.3 主要研究成果

2.3.1 薄煤層綜采工作面實(shí)現(xiàn)無(wú)人化開采

建立工作面集中監(jiān)控平臺(tái)，集采煤機(jī)自動(dòng)化控制、液壓支架電液控制、低照度視頻監(jiān)視、網(wǎng)路通信與數(shù)據(jù)通訊等系統(tǒng)為一體，確保各設(shè)備協(xié)調(diào)、連續(xù)、高效、安全運(yùn)行，使工作面生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化、現(xiàn)場(chǎng)操作無(wú)人化,僅當(dāng)設(shè)備檢修、維護(hù)時(shí),工作人員才會(huì)到達(dá)工作面。

2.3.2 薄煤層采煤機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制

運(yùn)用采煤機(jī)記憶截割、自主定位、移動(dòng)通訊和遠(yuǎn)程監(jiān)控等技術(shù)，設(shè)計(jì)開發(fā)薄煤層采煤機(jī)滾筒自動(dòng)調(diào)高、遠(yuǎn)程通信與操作控制等功能，實(shí)現(xiàn)無(wú)人化工作面對(duì)采煤機(jī)的自動(dòng)控制要求。

2.3.3 薄煤層綜采工作面全景動(dòng)態(tài)視頻監(jiān)視

組建完備的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)視系統(tǒng)，遠(yuǎn)程跟蹤監(jiān)視支架各種動(dòng)作、采煤機(jī)運(yùn)行和辨識(shí)煤巖界限情況，為遠(yuǎn)程控制采煤機(jī)和調(diào)整液壓支架提供視覺支持。

2.3.4 礦用攝像儀風(fēng)幕式主動(dòng)防塵

設(shè)計(jì)研發(fā)防塵風(fēng)罩專利技術(shù)，利用壓縮空氣在鏡頭前形成氣幕屏障，直接隔離和阻斷粉塵，徹底避免煤塵對(duì)視頻攝像儀鏡頭的污染。

2.3.5 犁型裝煤裝置和電纜拖放裝置

設(shè)計(jì)采煤機(jī)煤巖裝載和刮板輸送機(jī)電纜收放裝置，改善了自動(dòng)化運(yùn)行效果，適應(yīng)薄煤層無(wú)人化開采的需要。

2.4 經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益

2.4.1 經(jīng)濟(jì)效益

目前峰峰集團(tuán)有7個(gè)礦井應(yīng)用實(shí)施薄煤層綜采自動(dòng)化技術(shù)，平均生產(chǎn)原煤210萬(wàn)t/a，工作面單產(chǎn)最高達(dá)到10萬(wàn)t，工效達(dá)到33 t/人，年實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益10億元以上。

2.4.2 社會(huì)效益

(1)改善了煤礦開采的安全現(xiàn)狀，工作面能夠無(wú)人或少人化生產(chǎn)，提高了安全生產(chǎn)本質(zhì)化程度，促進(jìn)了煤礦安全生產(chǎn)。

(2)采用先進(jìn)的自動(dòng)化控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了采煤工作面生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化和無(wú)人化，確保了安全、高效生產(chǎn)。

(3)保證了礦井正常銜接，提高了煤炭回收率，延長(zhǎng)了礦井壽命。

2.5 項(xiàng)目的應(yīng)用推廣價(jià)值

薄煤層綜采自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用將對(duì)提升綜采設(shè)備自動(dòng)化控制水平、提高煤炭采掘生產(chǎn)效率、實(shí)現(xiàn)高效無(wú)人化開采提供了新的有效途徑，對(duì)保障安全生產(chǎn)、改善作業(yè)環(huán)境，由勞動(dòng)密集型向技術(shù)密集型轉(zhuǎn)變、促進(jìn)煤炭資源開發(fā)的可持續(xù)發(fā)展具有重大的現(xiàn)實(shí)意義和長(zhǎng)遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。

3 峰峰集團(tuán)薄煤層智能化開采遇到的問(wèn)題及解決方案探索

針對(duì)薄煤層綜采自動(dòng)化中存在的問(wèn)題，峰峰集團(tuán)投入大量人力和資金，做了很多研究工作。在復(fù)雜地質(zhì)條件下采煤工藝研究、工作面直線度控制、采煤機(jī)無(wú)線控制、采煤機(jī)電纜管路管理、工作面乳化泵站自動(dòng)控制、工作面虛擬現(xiàn)實(shí)顯示、煤流集中控制等問(wèn)題做了探索和研究，取得了一些成果，同時(shí)有些問(wèn)題還亟待解決。

3.1 復(fù)雜地質(zhì)條件下采煤機(jī)工藝研究

峰峰集團(tuán)大部分礦井為了釋放中厚煤層地應(yīng)力開采薄煤層，煤層厚度1～1.3 m，傾角15°左右，頂?shù)装逵捕却?，斷層多，過(guò)斷層截割難度大，采煤機(jī)震動(dòng)嚴(yán)重，設(shè)備故障率高，放炮松動(dòng)更易造成設(shè)備損壞。

3.2 工作面直線精度控制

在大社礦自動(dòng)化開采實(shí)踐過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，工作面刮板輸送機(jī)與支架通過(guò)推移油缸位移傳感器檢測(cè)相對(duì)位置，只能保證刮板輸送機(jī)與支架之間的相對(duì)位置且精度不高，不能保證工作面直線度。工作面直線度控制不好，智能化開采就無(wú)法實(shí)現(xiàn)，必須人為參與控制。工作面刮板輸送機(jī)直線度控制是自動(dòng)化、智能化開采的瓶頸之一。

3.3 采煤機(jī)無(wú)線控制技術(shù)

在煤層較薄、放炮多、電纜彎曲半徑小的工作面，采煤機(jī)控制信號(hào)通過(guò)有線傳輸，故障率極高，是實(shí)現(xiàn)工作面自動(dòng)化的一個(gè)難題。采用載波通信受電網(wǎng)波動(dòng)、變頻干擾，可靠性不高；采用WiFi通信，受金屬及空間影響控制距離有限、基站漫游時(shí)間長(zhǎng)、容易出現(xiàn)控制數(shù)據(jù)丟包，并且控制輸出響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，不適用于系統(tǒng)控制。

峰峰集團(tuán)正在探索使用泄漏通信技術(shù)，特制工作面采用高強(qiáng)度泄漏電纜，通過(guò)泄漏通信技術(shù)，解決基站漫游、無(wú)線通信距離受限、控制響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題，解決采煤機(jī)自動(dòng)控制通信問(wèn)題。

3.4 采煤機(jī)電纜管路管理

薄煤層工作面高度受限，采煤機(jī)電纜管理是難題。峰峰集團(tuán)與大連海事大學(xué)共同研究采煤機(jī)卷纜裝置。通過(guò)采煤機(jī)在工作面相對(duì)位置，變頻控制系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算采煤機(jī)的距離，收放卷纜裝置，解決采煤機(jī)拖纜問(wèn)題，避免電纜被擠的問(wèn)題。

3.5 工作面乳化泵站自動(dòng)控制

峰峰集團(tuán)與浙江中煤機(jī)械科技有限公司合作開發(fā)了乳化泵站智能控制系統(tǒng)。乳化泵控制系統(tǒng)根據(jù)電液控制系統(tǒng)中液控閥操作指令和系統(tǒng)壓力雙重反饋，判斷工作面是否有用液需求，實(shí)現(xiàn)乳化泵站自動(dòng)開停。該系統(tǒng)與凈水反滲透儲(chǔ)量裝置、乳化液自動(dòng)配比裝系統(tǒng)聯(lián)合使用，實(shí)現(xiàn)乳化泵站高效、可靠運(yùn)行，智能控制、無(wú)人值守。

3.6 工作面虛擬現(xiàn)實(shí)顯示

工作面截割過(guò)程中，粉塵較大，普通攝像頭無(wú)法看清滾筒位置。通過(guò)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、虛擬現(xiàn)實(shí)顯示等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)工作面虛擬現(xiàn)實(shí)可視化，利用紅外技術(shù)識(shí)別截割發(fā)熱的截割部，融合到虛擬現(xiàn)實(shí)可視化圖像中，解決高粉塵環(huán)境監(jiān)視問(wèn)題。

3.7 煤流集中控制

針對(duì)后路帶式輸送機(jī)，近幾年峰峰集團(tuán)推廣應(yīng)用永磁電動(dòng)滾筒+螺旋自清煤滾筒，減少傳動(dòng)環(huán)節(jié)、減少故障點(diǎn)、避免因機(jī)頭機(jī)尾滾筒沾煤造成皮帶跑偏，加強(qiáng)皮帶機(jī)道管理，實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)無(wú)故障運(yùn)行。結(jié)合帶式輸送機(jī)遠(yuǎn)程集中控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)煤流后路運(yùn)輸無(wú)人化。

4 總結(jié)

薄煤層綜采自動(dòng)化、智能化技術(shù)研究應(yīng)用，使薄煤層開采裝備技術(shù)達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，基本實(shí)現(xiàn)工作面無(wú)人(或少人)開采，為實(shí)現(xiàn)礦井本質(zhì)安全高效生產(chǎn)，提高資源回收率探索出一條有效途徑。目前薄煤層綜采自動(dòng)化裝備已在峰峰集團(tuán)全面推廣應(yīng)用，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，薄煤層綜采自動(dòng)化技術(shù)值得在全國(guó)范圍內(nèi)推廣應(yīng)用。