煤礦智能化綜采工作面系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用探究

毋曉軍

摘要：文章分析智能化綜采工作面系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展進(jìn)程，總結(jié)發(fā)展進(jìn)程中表現(xiàn)出的問(wèn)題，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及集成方案兩個(gè)方面分析智能化綜采工作面系統(tǒng)的設(shè)計(jì)情況，以某礦區(qū)為例，簡(jiǎn)單介紹此系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果，以供參考。

關(guān)鍵詞：煤礦智能化綜采工作面系統(tǒng);問(wèn)題;設(shè)計(jì)與應(yīng)用

1、引言

井工煤礦生產(chǎn)條件復(fù)雜，開(kāi)采環(huán)境惡劣，水、火、瓦斯、煤塵、頂板等災(zāi)害嚴(yán)重。頻發(fā)的安全事故、嚴(yán)峻的安全形勢(shì)和方心未艾的能源革命，推動(dòng)煤炭行業(yè)實(shí)現(xiàn)由規(guī)模速度型向質(zhì)量效益型轉(zhuǎn)變、由勞動(dòng)密集型向人才密集型轉(zhuǎn)變、由常規(guī)綜采型向“兩化”融合型轉(zhuǎn)變，使得煤炭安全綠色智能化開(kāi)采成為煤炭開(kāi)采創(chuàng)新的主攻方向。而可靠的高端裝備制造技術(shù)以及信息化、自動(dòng)化、智能化技術(shù)與煤礦開(kāi)采技術(shù)的深度融合，將綜采工作面智能化應(yīng)用成為可能。智能化綜采工作面系統(tǒng)將采煤機(jī)、液壓支架電液控、三機(jī)泵站控制等控制系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，通過(guò)萬(wàn)兆工業(yè)環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)綜合機(jī)械化采煤工作面設(shè)備的協(xié)調(diào)管理與集中控制，實(shí)現(xiàn)安全高效有人巡視無(wú)人操作的生產(chǎn)模式。

2、智能化綜采工作面系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展進(jìn)程

2.1國(guó)外現(xiàn)狀

2.1.1久益自動(dòng)化技術(shù)

久益環(huán)球（Joy Global）在自動(dòng)化開(kāi)采技術(shù)方面處于領(lǐng)先地位，其自動(dòng)化開(kāi)采技術(shù)路線在不斷前進(jìn)、演化，并致力于實(shí)現(xiàn)無(wú)人化開(kāi)采。

2008年之前，久益在自動(dòng)化開(kāi)采技術(shù)方面已經(jīng)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，完全實(shí)現(xiàn)了支架電液控制、采煤機(jī)遙控、設(shè)備防碰撞、跟機(jī)移架、記憶截割等技術(shù)。

2008年的久益自動(dòng)化技術(shù)路線，利用光纖、工作面WIFI和工業(yè)環(huán)網(wǎng)的高速通信技術(shù)，采用全自動(dòng)的采煤機(jī)和液壓支架，提出無(wú)人工作面的目標(biāo)設(shè)想。

2013年的久益自動(dòng)化技術(shù)路線，提出遠(yuǎn)程控制中心ROC（Remote Operations Centre）及兩人遠(yuǎn)程遙控的方案，用于薄煤層開(kāi)采。

2018年，久益在自動(dòng)化開(kāi)采方面整合了工作面3維地圖、人員接近檢測(cè)系統(tǒng)以及三維幾何控制和可視化三項(xiàng)技術(shù)。通過(guò)整合采煤機(jī)、液壓支架、刮板、轉(zhuǎn)載、破碎的各類(lèi)狀態(tài)數(shù)據(jù)，提供了高度逼真的 Longwall 3D Visualizer功能。

2.1.2艾柯夫采煤機(jī)自動(dòng)化技術(shù)

艾柯夫采煤機(jī)自動(dòng)化技術(shù)主要經(jīng)歷了記憶截割、EiControl、EiControlSB、EiControlPlus四個(gè)階段。國(guó)內(nèi)目前在用的采煤機(jī)以EiControl為主，也有部分采煤機(jī)配置了EiControlSB。2001年，開(kāi)始采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)PC（IPC）。2005年，采煤機(jī)EiControl系統(tǒng)。2007年，基于傳感器開(kāi)發(fā)的EiControlPlus;2008年，參數(shù)控制系統(tǒng)EiControlSB。2010年以來(lái)，艾柯夫采煤機(jī)的發(fā)展更多的集中在機(jī)電一體化方面，機(jī)械工程、電氣和軟件都緊密地融合在一起，主要體現(xiàn)在軟件、傳感器、高級(jí)數(shù)據(jù)和通信等方面。

2015年，艾柯夫已聯(lián)合德國(guó)瑪珂、德國(guó)貝克等在俄羅斯建設(shè)了一套遠(yuǎn)程控制自動(dòng)化薄煤層綜采系統(tǒng)，已經(jīng)接近于“無(wú)人工作面”。

2.2國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)綜采工作面單機(jī)裝備的自動(dòng)化技術(shù)研究已取得了一些成果，采煤機(jī)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了記憶截割功能，支架電液控制系統(tǒng)、泵站智能控制系統(tǒng)、“三機(jī)”（刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)）控制系統(tǒng)也已經(jīng)完全實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，基本達(dá)到了國(guó)外同類(lèi)技術(shù)水平。近年來(lái)，隨著我國(guó)智能控制技術(shù)的發(fā)展，以液壓支架電液控制系統(tǒng)為核心的綜合自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)已逐步發(fā)展成熟。但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，依舊存在網(wǎng)絡(luò)纜線復(fù)雜、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)差、帶寬使用率低、煤巖辨別能力差、支架姿態(tài)自動(dòng)調(diào)整能力差、傳感器精度低等問(wèn)題。

3、智能化綜采工作面系統(tǒng)需面對(duì)的問(wèn)題

由于煤礦井下作業(yè)環(huán)境較為惡劣，在此環(huán)境中并不適合作業(yè)人員長(zhǎng)時(shí)間工作，也會(huì)對(duì)智能化系統(tǒng)中應(yīng)用的傳感設(shè)備造成影響，導(dǎo)致其反應(yīng)速度及可靠性的降低。

此外，不同礦區(qū)中應(yīng)用智能化綜采系統(tǒng)時(shí)，由于系統(tǒng)中所用硬件進(jìn)行生產(chǎn)過(guò)程中，不同生產(chǎn)廠家所依據(jù)的軟件協(xié)議等方面的標(biāo)準(zhǔn)不同，難以實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一，也增加了對(duì)井下設(shè)備進(jìn)行集中和統(tǒng)一監(jiān)控的難度。

另外，煤礦作業(yè)環(huán)境中還存在大量的瓦斯等易燃易爆或者有毒有害的氣體，因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及設(shè)備選擇時(shí)要注重防爆性的設(shè)計(jì)。

4、煤礦智能化綜采工作面系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用分析

4.1系統(tǒng)架構(gòu)

智能化綜采系統(tǒng)主要由采煤機(jī)、支架電液控制系統(tǒng)、工作面三機(jī)通信控制系統(tǒng)等組成，在系統(tǒng)中不僅需要完成對(duì)單個(gè)工作面的系統(tǒng)集成和數(shù)據(jù)上傳工作，而且還可以面對(duì)多個(gè)工作面完。目前比較常用的后一種網(wǎng)絡(luò)體系為例，此系統(tǒng)比較復(fù)雜，主要有生產(chǎn)檢測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析、專(zhuān)家分析以及報(bào)表分析和運(yùn)行管理等部分組成。其中的檢修系統(tǒng)處于第一階梯，主要檢測(cè)工作面的煤炭開(kāi)采生產(chǎn)狀況，具體地說(shuō)是通過(guò)工作面的數(shù)據(jù)檢測(cè)、順槽膠帶機(jī)檢測(cè)、煤炭主運(yùn)輸系統(tǒng)檢測(cè)、主通風(fēng)機(jī)檢測(cè)、生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)檢測(cè)等系統(tǒng)開(kāi)展數(shù)據(jù)采集和檢測(cè)工作，并完成后續(xù)的數(shù)據(jù)收集同步工作，將所收集的數(shù)據(jù)向數(shù)據(jù)庫(kù)中填充并開(kāi)展深層次的分析。

4.2集成方案

智能化綜采系統(tǒng)的集成方案，就是集成上述采煤機(jī)、支架電液等控制系統(tǒng)以及工作面的三機(jī)通信控制系統(tǒng)，還將運(yùn)輸控制、泵站控制以及供電系統(tǒng)進(jìn)行集成，進(jìn)而可以集中協(xié)調(diào)管理與控制綜合機(jī)械化采煤工作面中的所有設(shè)備。

針對(duì)其中的液壓支架來(lái)說(shuō)，基于原有的支架電液控制系統(tǒng)，通過(guò)多種傳感器的應(yīng)用可以智能化控制支架。針對(duì)采煤機(jī)來(lái)說(shuō)，不僅可以應(yīng)用工作面視頻系統(tǒng)定位跟蹤采煤機(jī)，而且可以應(yīng)用其中的巷道遠(yuǎn)程操作臺(tái)對(duì)采煤機(jī)的速度進(jìn)行控制，表現(xiàn)出可以智能化開(kāi)展參數(shù)檢測(cè)、感知和控制、定位、主動(dòng)作業(yè)以及自動(dòng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)狀態(tài)等優(yōu)勢(shì)。針對(duì)刮板輸送系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，通過(guò)在線監(jiān)測(cè)集中控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和控制刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)與破碎機(jī)，可以對(duì)上述設(shè)備運(yùn)行中的溫度、速度以及啟停過(guò)程進(jìn)行集成控制。

4.3實(shí)際應(yīng)用

以某礦區(qū)為例，在近年來(lái)應(yīng)用并改進(jìn)智能化控制系統(tǒng)的過(guò)程中，采煤機(jī)的平均開(kāi)機(jī)率有了顯著提升，從57.1%提升道路61.1%。與此同時(shí)，采煤機(jī)的生產(chǎn)效率也從37.1%提升到了45.2%。經(jīng)過(guò)實(shí)際應(yīng)用可知，每提升采煤機(jī)1%的開(kāi)機(jī)率則可以提升單個(gè)綜采工作面的產(chǎn)量約10萬(wàn)t，在中厚煤層中此數(shù)值也可以達(dá)到7萬(wàn)t。不僅如此，還降低了開(kāi)采設(shè)備的大修率以及設(shè)備維修所花費(fèi)的費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備故障率以及運(yùn)營(yíng)成本的降低，提升了開(kāi)采作業(yè)的智能化和自動(dòng)化水平，各設(shè)備操作更加安全和穩(wěn)定。

5、結(jié)語(yǔ)

基于目前煤礦綜采工作面生產(chǎn)中不斷應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀，可以從系統(tǒng)架構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)并采取科學(xué)的集成方案，將原有的綜采生產(chǎn)和控制系統(tǒng)集成為統(tǒng)一的智能化信息管理系統(tǒng)。通過(guò)智能化系統(tǒng)的應(yīng)用，基實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化生產(chǎn)，解放了勞動(dòng)力。同時(shí)也通過(guò)未來(lái)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)和控制系統(tǒng)的構(gòu)建，充分應(yīng)用云計(jì)算以及大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新發(fā)展，大幅度提升井工煤礦綜采工作效率，，推動(dòng)生產(chǎn)作業(yè)向真正的無(wú)人化和智能化方向發(fā)展。

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