特厚煤層低位放頂煤智能化成套裝備的應(yīng)用探索

王 宇

（同煤集團(tuán)機(jī)電管理處， 山西 大同 037003）

引言

煤炭是我國主體能源，安全智能、綠色高效礦井是我國煤礦發(fā)展的主要方向。特別是近年來，在國家發(fā)展“互聯(lián)網(wǎng)＋”戰(zhàn)略方針的大力推動下，以實(shí)現(xiàn)少人化、無人化開采為目標(biāo)的智能化開采技術(shù)成為煤炭開采的主要發(fā)展趨勢[1]。目前在國內(nèi)神東、陜煤、陽煤等煤礦集團(tuán)公司實(shí)施的一次采全高智能化裝備已取得一系列成果，綜采工作面的主要裝備已基本具備感知、自學(xué)習(xí)和決策、自動執(zhí)行功能，實(shí)現(xiàn)了工作面的高度自動化少人遠(yuǎn)程監(jiān)控、安全高效開采[2]，但綜放智能化裝備的水平仍不能滿足特厚煤層放頂煤工作面的開采，在裝備的穩(wěn)定性、可靠性、各設(shè)備間的協(xié)調(diào)性、放頂煤工藝的整體適應(yīng)性上都需要進(jìn)一步研究發(fā)展，尤其是智能化放煤仍是制約我國特厚煤層綜放工作面自動化程度和產(chǎn)量再提高的重要因素。2016 年，國家“千萬噸級高效綜采關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新及產(chǎn)業(yè)化示范工程”項(xiàng)目在同煤集團(tuán)同忻礦成功實(shí)施，實(shí)現(xiàn)了放頂煤工作面的智能化開采，在裝備的配套可靠性、智能化配合、集中、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)等方面取得了一定的突破。下面對同煤集團(tuán)現(xiàn)有的特厚煤層低位放頂煤智能化裝備技術(shù)進(jìn)行闡述[1-7]。

1 特厚煤層低位放頂煤智能化成套裝備的主要配套

同煤集團(tuán)的特厚煤層主要集中石炭系，煤層賦存厚度在14～20 m之間，工作面傾向長度200～280 m，走向2 000 m 左右，單面年產(chǎn)量10～15 Mt。主要配套工作阻力在15 000～17 000 kN 的支撐掩護(hù)式放頂煤支架、總功率1 630～2 360 kW 的采煤機(jī)，2×1 050 kW 以上的前、后刮板輸送機(jī)、600 kW 以上轉(zhuǎn)載機(jī)、400 kW 以上破碎機(jī)、400 L/min 至630 L/min 的乳化液泵、3×500 kW 以上順槽皮帶機(jī)、天瑪自動化采煤控制系統(tǒng)等裝備。

2 智能化的組成及可實(shí)現(xiàn)的主要功能

目前，智能化成套裝備自動化裝備以采煤機(jī)記憶截割、液壓支架自動隨機(jī)以及可視化遠(yuǎn)程監(jiān)控為基礎(chǔ)，通過智能化控制算法，綜合應(yīng)用以太網(wǎng)、視頻、通信、電液等多種技術(shù)，對采煤機(jī)、支架電液控制、運(yùn)輸系統(tǒng)等綜采設(shè)備整體協(xié)調(diào)控制，具有感知、自學(xué)習(xí)和決策、自動執(zhí)行能力，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的就地、集中、遠(yuǎn)程三級網(wǎng)絡(luò)管理，實(shí)現(xiàn)“工作面自動控制為主、監(jiān)控中心遠(yuǎn)程干預(yù)為輔”的智能運(yùn)行模式，達(dá)到綜采工作面少人、無人的目的，如圖1 所示。

圖1 綜采自動化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

液壓支架電液控制系統(tǒng)，主要由電控系統(tǒng)、電液換向閥、順槽監(jiān)控主機(jī)系統(tǒng)、井上下數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、順槽過濾系統(tǒng)組成，具備支架與圍巖耦合監(jiān)測控制、單架控制、成組控制、跟機(jī)自動化控制、閉鎖及緊急停止、故障顯示及報(bào)警、自動補(bǔ)壓、帶壓移架、礦壓監(jiān)測、智能噴霧降塵控制、工作面數(shù)據(jù)集成及上傳、順槽及地面監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析及信息發(fā)布等功能[8-12]。

工作面順槽監(jiān)控中心是整個工作面協(xié)調(diào)機(jī)制的“大腦”，主要由礦用監(jiān)控主機(jī)、顯示器、操作臺、交換機(jī)等設(shè)備組成。具備采煤機(jī)、電液控液壓支架、泵站系統(tǒng)、運(yùn)輸系統(tǒng)的監(jiān)測監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制功能，同時(shí)具備機(jī)電保護(hù)、視頻監(jiān)測、通信監(jiān)測、礦壓分析、工況報(bào)表及故障監(jiān)測等功能。

工作面以太網(wǎng)主要由綜采綜合接入器、光電轉(zhuǎn)換器、交換機(jī)、穩(wěn)壓電源、礦用光纜等組成，用于傳輸數(shù)據(jù)，是整個系統(tǒng)的神經(jīng)，實(shí)現(xiàn)工作面數(shù)據(jù)的高速傳輸。

工作面視頻系統(tǒng)由攝像儀、顯示器和操作臺等組成，用于遠(yuǎn)程可視監(jiān)控，是整個系統(tǒng)的“眼睛”。

支架、采煤機(jī)、刮板運(yùn)輸設(shè)備、膠帶輸送機(jī)、泵站等設(shè)備的遠(yuǎn)程協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，通過綜采設(shè)備的數(shù)據(jù)接口開放，實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)的基本數(shù)據(jù)傳輸功能、遠(yuǎn)程控制功能、安全保護(hù)功能；實(shí)現(xiàn)綜采設(shè)備的遠(yuǎn)程一鍵啟停、采煤機(jī)的記憶截割、刮板運(yùn)輸設(shè)備的煤流平衡控制等功能。

地面分控中心是地面調(diào)度室對井下工作面綜采設(shè)備進(jìn)行指揮、集控和統(tǒng)一管理的平臺，由視頻監(jiān)視、遠(yuǎn)程控制、安全監(jiān)控等系統(tǒng)構(gòu)成；實(shí)現(xiàn)地面實(shí)時(shí)監(jiān)控、大數(shù)據(jù)分析、系統(tǒng)優(yōu)化、智能化遠(yuǎn)程干預(yù)控制。主要實(shí)現(xiàn)工作面系統(tǒng)集成及數(shù)據(jù)上傳查看、視頻監(jiān)控存儲、圖像巡檢、實(shí)時(shí)報(bào)警等功能，同時(shí)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)一鍵起停功能[13-18]。

3 現(xiàn)場情況

減人方面：生產(chǎn)班由原先23 人（皮帶機(jī)司機(jī)2人，泵站工1 人，采煤機(jī)司機(jī)2 人，支架工4 人，放煤工4 人，三機(jī)工4 人，電工1 人，兩巷支護(hù)工5 人），降低至11 人（皮帶機(jī)司機(jī)1 人，泵站/電工1 人，采煤機(jī)司機(jī)2 人，支架工2 人，放煤工（兩巷支護(hù)工）共3 人，三機(jī)工2 人）。

增效方面：由于放頂煤工作面的產(chǎn)量以放煤為主，工作面裝備的推進(jìn)快慢與放煤速度有關(guān)，采煤機(jī)的截割速度影響不大，目前支架的放煤自動化仍未成熟，采用人工操作，由以前的單架、間隔放煤變?yōu)楝F(xiàn)在的成組、間隔成組放煤，可以提高1/4 的放煤速度，每天可多割1 刀。

智能化方面：目前采煤機(jī)在頂板條件好的情況下可以按照自動割煤程序進(jìn)行割煤，支架跟機(jī)，放煤動作仍需人工現(xiàn)場參與，自動放煤存在一定安全隱患，傾角傳感器矯正過程復(fù)雜。

與人工對激光走架相比較，跟機(jī)移架存在“走不齊，走不平，走的慢”的問題。目前自動找直系統(tǒng)的算法仍不能滿足生產(chǎn)需求。

自動化采煤控制系統(tǒng)與各類采煤設(shè)備的兼容性、控制性上仍不穩(wěn)定，時(shí)有中斷現(xiàn)象。

控制系統(tǒng)對支架推移千斤、抬底千斤等各類油缸的控制速度、準(zhǔn)確度仍無法滿足生產(chǎn)條件的要求。

控制面板、傳輸線路、各類傳感器受井下惡劣環(huán)境影響，故障點(diǎn)多，故障率高，更換困難，維護(hù)強(qiáng)度大。如：推移行程傳感器損壞后，需對油缸整體更換；護(hù)幫傳感器受煤矸、粉塵影響，經(jīng)常誤動作；控制面板容易進(jìn)水失靈；攝像儀受工作面粉塵濃度大、濕度大的干擾，經(jīng)常性出現(xiàn)視頻模糊的情況，需不斷清理。

4 后期的探索

在煤巖識別上進(jìn)行探索，目前基于射線、振動、聲頻、激光、熱成像等多種原理的傳感試驗(yàn)在煤巖識別上效率依然很低，針對不同礦井煤炭賦存的條件，需要設(shè)計(jì)不同的識別方法。

探索工作面自動找直。由于地質(zhì)條件的約束，在開采過程中刮板輸送機(jī)隨經(jīng)常會出現(xiàn)“上竄下竄”的問題，目前主要采用人工操作割刀調(diào)節(jié)，如可根據(jù)地質(zhì)情況，利用自動化程序，實(shí)現(xiàn)調(diào)直調(diào)平，將極大地提高工作面開采質(zhì)量。

探索適合自動化割煤的割煤工藝。目前采煤機(jī)割煤主要采用記憶截割，工作面地質(zhì)條件較好時(shí)，在中部割刀時(shí)基本可滿足生產(chǎn)，但在復(fù)雜的兩端頭、過渡段割刀時(shí)，由于割煤工藝、支護(hù)難度、設(shè)備集中空間小等原因，經(jīng)常需調(diào)整，自動化難度較大。

探索符合刮板機(jī)運(yùn)力的自動化多段放煤技術(shù)，目前自動化放煤與采煤機(jī)截割、支架推移的整體配合算法、工藝、包括放煤識別都處于研究階段，無法實(shí)現(xiàn)自動化，需要人工肉眼干預(yù)。

探索液壓支架的姿態(tài)監(jiān)測調(diào)整，由于工作面地質(zhì)條件不同，頂板來壓、工作面傾角、放煤時(shí)沖擊、底板平整度等多方面因素對支架的工作形態(tài)影響巨大，要保證支架合理的工況，需要確立支架對于圍巖、對于刮板機(jī)、采煤機(jī)等各方面的整體三維立體的位置把控，并予以調(diào)整協(xié)調(diào)。

多裝備、多系統(tǒng)的進(jìn)一步協(xié)調(diào)工作，目前工作面的設(shè)備基本實(shí)現(xiàn)自動化，但在各設(shè)備之間的協(xié)調(diào)動作、兩巷支護(hù)、無煤柱切頂、工作列車自移、兩巷管路、電纜移動等的自動化上，還無法實(shí)現(xiàn)隨工作面的自動回縮。

探索進(jìn)一步加強(qiáng)自動控制的可靠性，礦井地質(zhì)條件復(fù)雜，自動化線纜多，維護(hù)極為困難，但無線網(wǎng)絡(luò)在信號響應(yīng)、靈敏度上并不能滿足工作面需求，必須設(shè)計(jì)研究適合井下使用的通訊控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)[19-21]。

探索礦井工作面整體的監(jiān)測控制，目前工作面的監(jiān)測控制僅能保證設(shè)備間的互動聯(lián)系，但整個工作面在開采過程中受影響的是整個上下覆及周邊煤層，頂?shù)装鍫顩r、周邊煤壁壓力、未開采段的夾層等是自動化無法有效適應(yīng)的重要原因，如能在工作面開采前、開采中對工作面的整體賦存、壓力、夾矸變化等能實(shí)時(shí)監(jiān)控，再調(diào)整工藝工序，可大大提高自動化的適應(yīng)性。

探索擬人機(jī)器人在工作面現(xiàn)場的巡回檢查、現(xiàn)場操作，從本質(zhì)上提高人員安全性，并可以保證人員根據(jù)現(xiàn)場情況處理復(fù)雜問題，提高工作面自動化能力。

隨著工作面裝備的不斷發(fā)展，開采工藝的不斷進(jìn)步，自動化控制系統(tǒng)的自拓展、自學(xué)習(xí)、自更新也應(yīng)不斷探索。例如適應(yīng)三級放煤液壓支架的自動化程序、適應(yīng)7 m 以上大采高的采煤機(jī)割煤程序、適應(yīng)放頂煤交叉?zhèn)刃妒睫D(zhuǎn)載機(jī)的刮板運(yùn)輸程序，適應(yīng)高壓力、大流量乳化液泵的智能化調(diào)節(jié)程序，適應(yīng)根據(jù)煤流永磁變頻調(diào)控運(yùn)輸設(shè)備的集中控制程序等。

5 結(jié)語

目前，國內(nèi)煤礦智能化綜放開采裝備已從理論研究完全進(jìn)入井下工業(yè)性試驗(yàn)階段，雖然無法完成真正的無人化開采，但已經(jīng)在自動截割、自動移架、遠(yuǎn)程一鍵啟停、實(shí)時(shí)監(jiān)控等方面取得了很大的進(jìn)步，但就其存在的一些問題還需不斷地探索。例如，目前在同煤大唐塔山礦實(shí)施的智能化工作面，在研究特厚煤層綜放工作面采煤與放煤平行作業(yè)協(xié)調(diào)控制機(jī)理與方法、基于工作面直線度控制的綜放工作面多信息集成智能控制技術(shù)、基于后部刮板輸送機(jī)煤流負(fù)荷控制的放煤控制技術(shù)、支架位姿及放煤機(jī)構(gòu)動作實(shí)時(shí)精準(zhǔn)監(jiān)控技術(shù)及裝備、綜放工作面高效高強(qiáng)度開采裝備自適應(yīng)技術(shù)、開發(fā)智能放煤控制程序、研制智能放煤控制系統(tǒng)上將做進(jìn)一步的探索論證。