澳大利亞沖擊地壓礦井無人化開采裝備與技術(shù)應(yīng)用

李安民，張寶才,2，張 寧,2，陳龍高，王 兵

(1.兗煤澳大利亞有限公司，新南威爾士州 悉尼 2000；2.兗礦集團有限公司，山東 鄒城 273500)

早在1950年左右，英國國家煤炭委員會就提出了遙控操作工作面的概念。1990年左右，英國聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織結(jié)合之前的自動化研究成果，將慣性導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用到采礦行業(yè)中，整合各個子系統(tǒng)，并將這種技術(shù)應(yīng)用到高墻開采實踐中，取得了較好的效果。隨后，該技術(shù)又在澳大利亞新南威爾士的South Bulga煤礦短期實驗成功[1]。至2001年，該項技術(shù)研究獲得澳大利亞煤炭工業(yè)協(xié)會科研基金項目的支持后得以迅速完善和推廣應(yīng)用[2]。而后，澳大利亞長壁自動化控制委員會對現(xiàn)有研究成果不斷優(yōu)化改進，并與各采礦設(shè)備生產(chǎn)廠家合作，整合各軟硬件系統(tǒng)，制定了LASC技術(shù)協(xié)議。至2012年，LASC自動化技術(shù)已經(jīng)全面走向成熟，現(xiàn)今，澳大利亞80%的井工礦采煤工作面均已實現(xiàn)了自動化生產(chǎn)[3]。

1 礦井概況

1.1 賦存條件

澳思達煤礦位于澳大利亞東海岸紐卡斯?fàn)柮禾铮锩娣e63 km2，地質(zhì)儲量1.4億t，主采煤層平

均厚度4.5～7.5 m，傾角4°，埋深450～700 m。煤層頂板為砂巖、粉砂巖互層，厚度達20 m；底板為薄層狀泥巖、黏土巖、粉砂巖、砂巖，厚度約2 m，下俯較厚的礫巖層。借鑒中國標準開展了礦井沖擊傾向性鑒定，經(jīng)測定澳思達煤礦主采煤層和頂板巖層均屬于Ⅱ類，為具有弱沖擊傾向性煤層和頂板巖層。

2016年以來，澳思達煤礦進入貝爾伯德南區(qū)開采過程中陸續(xù)多次發(fā)生動力異常事件，州政府屢屢下達生產(chǎn)禁令，嚴重影響了礦井生產(chǎn)經(jīng)營。在此期間，兗煤澳洲公司的管理技術(shù)團隊在國內(nèi)外開展了廣泛的防沖技術(shù)調(diào)研，并組織實施了大直徑鉆孔預(yù)卸壓、解危試驗，取得了諸多開創(chuàng)性成果，同時也推動了礦井防沖技術(shù)體系建設(shè)，但是存在作業(yè)效率低、成本投入大且解危效果局限等缺點。

2018年3月，在現(xiàn)有防沖治理技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，為了尋求其他更加安全、高效、可靠的開采方案，兗煤澳洲公司管理技術(shù)團隊開始著力推進“采煤工作面的全面自動化”裝備技術(shù)改造，即采用工作面無人化隔離沖擊危險源，同時著手系統(tǒng)硬件、軟件升級，安全管理復(fù)核、風(fēng)險評估等一系列準備工作。

2019年5月14日，澳思達煤礦在B5工作面開始實行全面自動化遠程遙控生產(chǎn)，操作人員在膠帶巷超前約50 m處遠距離干預(yù)生產(chǎn)，成功實現(xiàn)了工作面無人化作業(yè)。

1.2 開采設(shè)計

如圖1，貝爾伯德南區(qū)共規(guī)劃布置B2～B6五個長壁工作面，采用雙巷布置，護巷煤柱寬度約45 m，每隔150 m設(shè)置聯(lián)絡(luò)巷。B5工作面南鄰B4工作面采空區(qū)，北側(cè)為B6準備工作面，東部鄰近Swamp斷層，落差0.1～7.2 m，西部為艾拉朗老空區(qū)。工作面傾向長度231.6 m，走向長度1 103 m，煤層埋深450～495 m，煤厚3.5～5 m，傾角約4°。

圖1 澳思達煤礦采區(qū)布置

2 全面自動化開采裝備

2.1 綜機設(shè)備[4]

1) 卡特彼勒柱式液壓支架，含PMCR控制系統(tǒng)，121架；

2) 卡特彼勒工作面端頭架，含PMCR控制系統(tǒng)，10架；

3) 卡特彼勒EL2000采煤機，含COMPACT控制系統(tǒng)；

4) 卡特彼勒PF6刮板輸送機，含PMCD驅(qū)動控制系統(tǒng)及PMCR漲緊控制系統(tǒng)；

5) 卡特彼勒鏈式轉(zhuǎn)載機及破碎機；

6) 卡特彼勒單軌吊系統(tǒng)。

2.2 電液控系統(tǒng)

高質(zhì)量的綜機裝備是全面自動化生產(chǎn)作業(yè)的基礎(chǔ)，而實現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)安全高效聯(lián)合運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵是高可靠性的自動化控制系統(tǒng)。澳思達煤礦長壁工作面采用凱特彼勒一體化裝備，同時匹配了高度集成性的PMCTM家族控制器，它可以滿足井下采煤作業(yè)及爆破危險區(qū)域各種設(shè)備自動化控制的需求，通過應(yīng)用目前最為先進的微處理控制技術(shù)及不斷高速增長的計算能力，使長壁工作面自動化領(lǐng)域發(fā)展提高了一個全新的維度。通過PMCTM控制器家族可以加強工作面動力驅(qū)動器、液壓支架、截割系統(tǒng)以及輔助設(shè)備的集中控制，同時還具有高級網(wǎng)絡(luò)傳輸、可視化、自動化功能。工作面電液控制系統(tǒng)如圖2。

圖2 工作面電液控制系統(tǒng)

PMCTM控制系統(tǒng)可以根據(jù)長壁工作面不同的設(shè)備功能提供定制化的控制單元，所有的控制器單元都是采用32位計算機編程語言，使系統(tǒng)更具有開放性，便于客戶進行定制化調(diào)整和校核。主要控制單元有：

1) PMCTM-R頂板支護控制系統(tǒng)。按照“液壓支架智能化”的設(shè)計理念，澳思達煤礦每組支架都分別安設(shè)了一個PMCTM-R支架控制器(圖3)，并且配置獨立的邏輯運算控制器、操作程序，可以同時執(zhí)行多個指令動作。如果本架控制器出現(xiàn)故障，可以通過鄰架控制器進行快速查詢和確認故障，并且所有的支架控制器都是相同的配置，應(yīng)急故障處理時可以快速更換。PMCTM-R支架控制器還可通過自帶的LED顯示屏進行數(shù)據(jù)設(shè)定、顯示和查詢，正常狀態(tài)下顯示工作面主要參數(shù)，如支架工作阻力、液壓千斤頂行程、支架編號、煤機位置及支架傾斜度等信息。

圖3 PMCTM-R支架控制器

2) PMCTM-D驅(qū)動器控制系統(tǒng)。PMCTM-D驅(qū)動控制器(圖4)與啟動變速器相結(jié)合，實現(xiàn)了對刮板輸送機的集中控制，該驅(qū)動控制器包含了所有啟動變速控制算法，并經(jīng)過一系列的疲勞測試，目前被廣泛應(yīng)用于礦井電機及減速箱工作狀態(tài)的實時監(jiān)控。PMCTM-D驅(qū)動控制器通過線纜與啟動變速箱內(nèi)的接線盒相連接，可以實時采集和監(jiān)控離合器壓力、冷卻油壓、油溫、油位、輸入、輸出轉(zhuǎn)速，并可以智能化計算內(nèi)部合適潤滑度，還可通過高速電液閥自動化調(diào)控變速器內(nèi)離合壓力。

圖4 PMCTM-D驅(qū)動控制器

3) PMCTM-V驅(qū)動可視化監(jiān)控系統(tǒng)(圖5)。PMCTM-V可視化功能是服務(wù)于PMCTM-D驅(qū)動控制系統(tǒng)的，其主要作用是將各PMCTM-D驅(qū)動控制器采集的設(shè)備運行參數(shù)實時顯示出來，供現(xiàn)場操作人員及時查詢和了解設(shè)備運行狀態(tài)，并可對系統(tǒng)配置參數(shù)進行校正和更改，并且所有的監(jiān)控數(shù)據(jù)都可以通過光纖傳輸?shù)骄轮骺刂朴嬎銠C或地面，進行在線瀏覽和數(shù)據(jù)打印。

圖5 PMCTM-V驅(qū)動可視化監(jiān)控系統(tǒng)

4) PMCTM-P節(jié)點交換機系統(tǒng)。它為井下所有電液控制系統(tǒng)、設(shè)備、工業(yè)環(huán)網(wǎng)和第三方系統(tǒng)提供了接口，通過轉(zhuǎn)換協(xié)議完成數(shù)據(jù)交換并傳輸?shù)降孛妗Ｍ瑫r，該系統(tǒng)還可以智能化調(diào)控長壁工作面的電氣設(shè)備，例如，如果煤機割煤量較大，煤流量增高，系統(tǒng)會自動調(diào)控刮板輸送機速度增大，反之亦然。

5) VCU可視化主控制單元(圖6)。VCU可視化主控制單元是由一臺計算機和配套軟件組成，可以將長壁工作面所有生產(chǎn)作業(yè)的控制系統(tǒng)、設(shè)備運行通過可視化界面?zhèn)鬏數(shù)降乇砗途赂舯嬎銠C上實時顯示。澳思達煤礦將該主控制單元設(shè)置在采煤工作面轉(zhuǎn)載機人行道側(cè)DCB上，作為采煤工作面“自動化生產(chǎn)控制中心”，該主控裝置可以實現(xiàn)對工作面所有設(shè)備的“一鍵啟?！保瑫r在進風(fēng)隅角、地面自動化采煤監(jiān)控室、生產(chǎn)調(diào)度室設(shè)“分站”，作為遠控生產(chǎn)期間的輔助監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)異常情況具有“緊急制動”權(quán)限，但不具有“啟動權(quán)限”。

圖6 VCU可視化主控制單元

VCU主控制器針對接入的不同控制系統(tǒng)和設(shè)備，分別配置了不同的監(jiān)控程序，如VShield(支架)、VShearer(煤機)、VDrive(電機)、VLongwall(生產(chǎn)系統(tǒng))、VTrend(運行狀態(tài)曲線)等，可以實時顯示各個設(shè)備的運行參數(shù)，查詢歷史操作記錄，采場3D演示，視頻回放，監(jiān)控曲線，故障報警等功能。

3 全面自動化開采工藝

按照澳思達煤礦沖擊地壓風(fēng)險管理預(yù)案，采煤工作面進入中等及強沖擊危險區(qū)域時，生產(chǎn)經(jīng)理授權(quán)生產(chǎn)班組啟動全面自動化生產(chǎn)模式，所有工作人員撤離工作面，在膠帶巷超前工作面約50 m安設(shè)VCU主控計算機作為“自動化生產(chǎn)主控中心”，并在面里側(cè)設(shè)置警戒牌，操作人員在DCB主控中心遠程遙控生產(chǎn)系統(tǒng)，控制開停機、調(diào)整截深、采高、挑頂、臥底等生產(chǎn)參數(shù), 同時在地面監(jiān)控室和工作面進風(fēng)端頭(全面無人化作業(yè)時該站不設(shè)崗)設(shè)置輔助監(jiān)控站。輔助監(jiān)控站可同步主控中心各生產(chǎn)操作畫面并授予“急?！睓?quán)限，并與井下主控中心保持通聯(lián)，形成了“一站主控開停，多站監(jiān)控急?！钡淖詣踊h控開采模式。

3.1 采煤機慣性巡航技術(shù)

EL2000采煤機安裝配置了COMPACT集成控制系統(tǒng)，同時搭載Navigator 2.0基于狀態(tài)控制的慣性巡航系統(tǒng)以實現(xiàn)自動化運行，該系統(tǒng)通過COMPACT控制面板上的一系列傳感器和邏輯運算來采集、監(jiān)測和控制煤機牽引方向、牽引速度及滾筒位置等關(guān)鍵參數(shù)，同時具備多種不同的自動化控制模式，如當(dāng)前截割、模擬截割、重復(fù)截割、前置截割、平移截割、閑置模式等，每一種自動化控制模式均可以控制搖臂動作，從而達到要求的截割高度。但是截割高度的設(shè)定需要手動輸入，然后采煤機自動計算截割高度和滾筒調(diào)高位置[5]。

EL2000型采煤機的慣性巡航技術(shù)關(guān)鍵在于有效監(jiān)控工作面傾向和走向的角度，這是解決采煤機與頂板支護系統(tǒng)的聯(lián)動控制、采高控制、頂?shù)装迤秸瓤刂频鹊年P(guān)鍵。它的發(fā)展經(jīng)歷了三次技術(shù)變革，最初應(yīng)用于ZL2000型采煤機的是鐘擺式傾斜儀(Penny and Giles Pendulum Style Inclinometers)，這種傳感器后來在應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)有較多誤差，后來于2017年左右被熱感應(yīng)式傾斜儀(Control Plus Thermal Type Inclinometer)所取代，被應(yīng)用于第二代EL2000 EVO型采煤機，但沒有普及，因此相應(yīng)的監(jiān)測和適用性評價數(shù)據(jù)比較有限。目前，絕大多數(shù)采煤機應(yīng)用了慣性監(jiān)測單元IMU或慣性導(dǎo)航系統(tǒng)INS，澳思達煤礦根據(jù)實際需要同時裝配了IMAR IMU慣性監(jiān)測單元和熱感式測斜儀，實踐證明，這兩種系統(tǒng)在自動化開采過程中都可以為COMPACT集成控制系統(tǒng)提供準確的傾角數(shù)據(jù)。

3.2 滾筒防碰撞聯(lián)動控制技術(shù)

采煤機與液壓支架的聯(lián)動控制通過COMPACT集成控制系統(tǒng)及PMC-R電液控制系統(tǒng)配合完成，即隨采煤機割煤行走位置的變化來控制全工作面各支架依次動作，實現(xiàn)降架、拉架、升架、伸護幫板、推溜等動作的自動程序控制[6]。

此外，采煤機與液壓支架的聯(lián)動控制系統(tǒng)還搭載設(shè)計了防碰撞通信模塊，即工作面所有液壓支架均預(yù)置了碰撞傳感器，防碰撞模塊通過支架控制總線與PMC-P節(jié)點交換機連接，通過工業(yè)以太網(wǎng)將監(jiān)測信號反饋給采煤機。防碰撞模塊可以實時監(jiān)控支架傳感器的參數(shù)變化，當(dāng)煤機滾筒截割護幫板或觸碰到支架頂梁構(gòu)件時，液壓支架將會發(fā)送防撞信號，采煤機接受指令后會停止?fàn)恳?，并抑制搖臂的調(diào)高功能，從而確保故障安全。

3.3 工作面底板水平控制技術(shù)

利用COMPACT集成控制系統(tǒng)搭載的EHC加強版底板水平控制軟件，可以實現(xiàn)對工作面底板水平的自動化控制，EHC底板水平控制軟件通過本地局域網(wǎng)與采煤機COMPACT集成控制系統(tǒng)相連，并自動獲取煤機運行過程中監(jiān)測到的工作面傾向角度AFT和走向角度FAT，從而生成工作面底板水平剖面圖，操作人員根據(jù)工作面工程質(zhì)量控制要求手動輸入修正參數(shù)，從而生成修正的目標高程曲線，生產(chǎn)過程中將采煤機前滾筒設(shè)定閑置狀態(tài)、后滾筒設(shè)定為自動控制，采煤機便會按照設(shè)定的目標高程曲線執(zhí)行飄剎刀動作，從而實現(xiàn)工作面底板水平控制[7]。

4 工作面設(shè)備自動端面對準技術(shù)

基于完全自動化采煤工作面設(shè)計的構(gòu)想，凱特彼勒公司設(shè)計研發(fā)了液壓支架端面對準系統(tǒng)，該系統(tǒng)的工作要件包括：IMAR IMU慣性監(jiān)測單元、位置編碼器、IPC4工控機、VShield集成接口、PMC-R頂板支護控制系統(tǒng)[8]。其工作原理為：采煤機在刮板輸送機上牽引騎行過程中，煤機內(nèi)部IMAR IMU慣性監(jiān)測單元可以主動監(jiān)測機身的偏航角，同時位置編碼器監(jiān)測煤機的移動位置和幾何姿態(tài)信息，并將監(jiān)測信息傳輸給采煤機內(nèi)置IPC4工控機生成刮板輸送機的實際輪廓曲線，如圖7所示。隨著采煤機由工作面一端頭至另一端頭牽引移動，刮板輸送機全長完整輪廓曲線也“描繪”完成，IPC4通過以太網(wǎng)將更新后的刮板輸送機輪廓曲線傳輸給PMC-R頂板支護系統(tǒng)和VShield液壓支架可視化監(jiān)控程序。同時，VShield接收到更新后的刮板輸送機輪廓曲線也可以作為液壓支架拉移的“目標位置曲線”，從而實現(xiàn)液壓支架、刮板輸送機的自動對準。

圖7 VShield可視化監(jiān)控界面

此外，利用液壓支架端面對準系統(tǒng)可以完成工作面拉直、調(diào)面(甩頭、甩尾)等特殊作業(yè)。例如，當(dāng)工作面刮板輸送機輪廓線不在一條直線上時，可以人為設(shè)定兩端頭進尺以達到拉直效果。

5 效果及建議

采煤工作面實行全面自動化生產(chǎn)后，將傳統(tǒng)的操作人員轉(zhuǎn)移到?jīng)_擊危險區(qū)以外，有效隔離了沖擊風(fēng)險。澳思達煤礦B5工作面自2019年4月至6月均出現(xiàn)不同程度的面部沖擊，通過采用全面自動化開采，有效規(guī)避了沖擊事件可能對操作人員造成的傷害，有效隔離生產(chǎn)期間沖擊危險，真正實現(xiàn)了采煤工作面無人則安，獲得了新南威爾士州監(jiān)管機構(gòu)的高度認可。主要借鑒之處在于：

1) 合理確定自動化列裝水平。自動化裝備本身不具有學(xué)習(xí)能力，而自動化裝備在地下復(fù)雜多變的開采環(huán)境中不可避免地需要人工干預(yù)，以確?，F(xiàn)場施工質(zhì)量或滿足其他技術(shù)經(jīng)濟指標的要求，例如澳思達煤礦此前之所以沒有實施全面自動化生產(chǎn)，主要考慮人工操控煤機可以更好地控制截割高度和免洗煤質(zhì)量，以最大限度降低洗選成本。可見，自動化采掘設(shè)備的自動化列裝水平在促進減員提效的同時，還需要結(jié)合礦井沖擊地壓風(fēng)險程度、管控能力及實際技術(shù)經(jīng)濟指標審慎考慮關(guān)鍵崗位的自動化。

2) 嚴格控制設(shè)備啟動權(quán)限。采用全面自動化開采且設(shè)置多個監(jiān)控中心的時候，應(yīng)當(dāng)嚴格控制全面自動化生產(chǎn)系統(tǒng)的啟?？刂?，建議設(shè)置唯一的開機權(quán)限，地面調(diào)度室及其他作業(yè)地點可以分設(shè)多個停機權(quán)限，以提高系統(tǒng)的整體本質(zhì)安全性，消除誤操作風(fēng)險。

3) 合理選擇操控中心位置。全面自動化生產(chǎn)是一項系統(tǒng)工程，涉及的設(shè)備、電液控系統(tǒng)及輔助工程較多，因此建議盡量將主控中心布置在井下采掘作業(yè)現(xiàn)場附近安全區(qū)域，這樣的優(yōu)勢是可以更為直接地掌握作業(yè)現(xiàn)場的開采條件，出現(xiàn)故障時現(xiàn)場操作人員可以第一時間采取應(yīng)急處理，簡化通信溝通環(huán)節(jié)，實現(xiàn)直接、有效、精確的人工干預(yù)。

4) 開發(fā)基于工業(yè)環(huán)網(wǎng)的信號交換系統(tǒng)。澳思達煤礦全面自動化生產(chǎn)系統(tǒng)采用的PMCTM電液控制系統(tǒng)、COMPACT集中控制系統(tǒng)之間實現(xiàn)采煤機、液壓支架等設(shè)備聯(lián)動控制的信號傳遞全部基于現(xiàn)場接線總成和工業(yè)以太網(wǎng)進行有線傳輸，確保了生產(chǎn)信號采集、傳遞的連續(xù)性和穩(wěn)定性。

5) 合理優(yōu)化兩巷二次支護設(shè)計。根據(jù)礦井巖層控制方案，采煤工作面兩巷道二次支護主要采用錨桿和注漿錨索主動式支護形式，支護范圍超前煤壁100 m。主動式的超前支護形式簡化了輔助生產(chǎn)工序，為全面自動化快速推進提供了便利條件。