礦井智能綜采關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用研究

陳 科

（晉能控股煤業(yè)集團燕子山礦，山西 大同 037007）

燕子山礦的各類裝備投入時間不同，在最初規(guī)劃時沒有考慮各設(shè)備之間的協(xié)同運行需求，導(dǎo)致在實際使用過程中各個設(shè)備均為獨立運行模式，各設(shè)備之間的協(xié)同主要是靠人工經(jīng)驗調(diào)整，效率低、安全性差，限制井下綜采作業(yè)效率進一步提升。

結(jié)合井下提效需求，通過井下綜采面智能集成控制系統(tǒng)，將采煤機、刮板輸送機、液壓支架相互連接，對其運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果實現(xiàn)了智能聯(lián)動控制運行。根據(jù)煤礦井下實際應(yīng)用表明，新的控制系統(tǒng)能夠?qū)⒕戮C采效率提升8.1%，將井下作業(yè)人員數(shù)量降低63.75%，對于提升井下綜采作業(yè)的效率和安全性具有十分重要的意義。

1 綜采面智能集成控制系統(tǒng)

煤礦井下智能化綜采作業(yè)的核心是實現(xiàn)對綜采面采煤機、刮板輸送機、液壓支架運行的智能集成控制，改變以往各類設(shè)備獨立運行的模式，實現(xiàn)各綜采設(shè)備之間的自主耦合聯(lián)動運行，因此需要建立智能化集成控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對綜采面上各設(shè)備運行狀態(tài)的集中調(diào)整和控制。

該智能集成控制系統(tǒng)主要包括地面控制中心、井下集控中心和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)三個部分。地面控制中心主要是控制系統(tǒng)的監(jiān)控終端，對井下綜采面各設(shè)備的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控，當(dāng)出現(xiàn)異常時進行遠程調(diào)節(jié)，確保井下綜采作業(yè)的安全性。井下集控中心主要包括采煤機遠程操作臺、支架遠程操作臺、集控操作臺等，主要控制采煤機、液壓支架、刮板輸送機的協(xié)同運行。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)作為“橋梁”溝通井下和地面控制中心，滿足數(shù)據(jù)傳輸安全性和快速性的需求，是確保系統(tǒng)正常運行的關(guān)鍵。

2 采煤機、液壓支架聯(lián)動控制

井下集控中心的主要作用是對采煤機、液壓支架、刮板輸送機的運行狀態(tài)進行監(jiān)測并控制各類設(shè)備的協(xié)同運行，特別是采煤機和液壓支架的協(xié)調(diào)聯(lián)動，對確保煤礦井下的綜采作業(yè)安全和效率具有十分重要的意義。

為了滿足智能協(xié)同控制的需求，根據(jù)井下綜采作業(yè)的實際情況，要求采煤機能夠自動識別井下巖層狀態(tài)并控制截割機構(gòu)進行自適應(yīng)截割作業(yè)，同時液壓支架需要根據(jù)采煤機的實際運行情況跟隨采煤機完成自主跟機移架作業(yè)。采煤機、液壓支架的聯(lián)動控制作用原理如圖1[1]。

圖1 采煤機、液壓支架聯(lián)動控制方案

采煤機采用了人工記憶截割控制模式[2]。在工作過程中，先由人工控制采煤機根據(jù)井下的實際情況進行一次全周期截割，系統(tǒng)自動對人工控制模式下采煤機的截割姿態(tài)、截割參數(shù)進行記錄，將數(shù)據(jù)存儲到控制中心內(nèi)。當(dāng)采煤機處于記憶截割的模式下時，系統(tǒng)自動調(diào)取對應(yīng)的截割參數(shù)信息，控制采煤機的自動截割作業(yè)。

為了保證液壓支架和采煤機相對位置定位的準(zhǔn)確性，在采煤機上設(shè)置了紅外線定位發(fā)射裝置[3]，在液壓支架上設(shè)置了紅外線定位接收裝置。采煤機在運行過程中連續(xù)發(fā)出紅外線信號，液壓支架接收到信號后即可判斷出和采煤機的相對位置，然后將相關(guān)信息傳遞到集控中心內(nèi)，通過支架控制器來控制支架組的跟機、推移、護幫等動作，確保液壓支架和采煤機動作的協(xié)調(diào)性。

根據(jù)實際監(jiān)測，采用采煤機、液壓支架協(xié)同運行控制后，采煤的效率由最初的873 噸/工，提高到了目前的944 噸/工，效率提升了8.1%，有效地降低了井下綜采作業(yè)時的勞動強度和設(shè)備協(xié)同失效導(dǎo)致的停機事故。

3 綜采面智能支護控制

液壓支架在井下支護的過程中，不同階段的支護狀態(tài)需求不同，其支護的核心要求是支架支護強度需要和適應(yīng)圍巖的變化狀態(tài)，從而降低巷道頂板的下沉量。但在實際使用過程中由于受泄漏或者其他因素影響，液壓支架支護時的支撐力會逐漸降低，影響支護安全性。目前主要通過人工排查的方法進行調(diào)整，保持支撐力，但由于支架數(shù)量多、地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，人工調(diào)節(jié)方案存在效率低、調(diào)節(jié)精確性差的不足。

為了保證信息采集的準(zhǔn)確性，在液壓支架的一級護幫板上設(shè)置了行程傳感器和壓力傳感器。工作時壓力傳感器將數(shù)據(jù)信息傳遞給智能控制系統(tǒng)，系統(tǒng)同步對圍巖的變形情況和礦壓情況進行監(jiān)測，若系統(tǒng)判定需要對液壓支架進行補壓，則控制液壓系統(tǒng)工作，為指定的液壓支架進行補壓。補壓控制模式如圖2。

圖2 智能補壓控制邏輯

以常用的GYZ4 型液壓支架為例，其工作時的設(shè)定壓力為30 MPa，在井下支護過程中所設(shè)定的補壓下限值P1=26 MPa，P0=20 MPa。在補壓時為了確保支護的穩(wěn)定性，可根據(jù)實際情況設(shè)定補壓延時時間T0、T1和T2。支架工作過程中，當(dāng)由于頂板松動或者其他原因?qū)е乱簤褐Ъ艿闹螇毫π∮谠O(shè)定值后，系統(tǒng)會自動識別并進行補壓，保持液壓支架在整個支護過程中壓力的穩(wěn)定性，提高對不同地質(zhì)條件支護的靈活性。

根據(jù)在井下的實際應(yīng)用，該液壓支架智能支護調(diào)節(jié)模塊能夠?qū)崿F(xiàn)對井下液壓支架組的集中控制，對支護壓力的調(diào)節(jié)精度可達0.01 MPa，能夠有效地確保井下支架的支護可靠性。

4 刮板輸送機調(diào)直控制

刮板輸送機不僅是井下物料運輸?shù)暮诵脑O(shè)備，還是采煤機和液壓支架進行移動的支點。由于井下地質(zhì)條件較為復(fù)雜，采煤機、液壓支架在運行過程中需要保持一定的運行直線度，否則會影響井下的綜采作業(yè)。目前主要采用人工校正調(diào)直的方案，效率低且精度差，難以滿足井下自動化綜采作業(yè)的控制需求。因此本文提出了一種新的刮板輸送機自動調(diào)直控制方案，通過對采煤機運行軌跡的監(jiān)測，判斷出刮板輸送機的偏移量，然后通過控制液壓支架每次調(diào)整時的位移量，來實現(xiàn)對刮板輸送機直線度的調(diào)整。

由于井下綜采面較長，因此為了保證監(jiān)測信號傳輸?shù)木_性，沿著綜采面設(shè)置了無線傳輸基站?；镜木嚯x根據(jù)井下實際情況確定，一般不超過100 m。各個基站和集控中心之間采用高速光纖網(wǎng)絡(luò)相連接，確保井下數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

在實際工作過程中，在采煤機上設(shè)置慣性導(dǎo)航定位裝置[4]，對采煤機在井下的運行軌跡進行精確監(jiān)測，然后自動解算出對應(yīng)的刮板輸送機的軌跡，進而判斷出刮板輸送機的彎曲度。由于采用了組合式導(dǎo)航模式，因此在系統(tǒng)內(nèi)只需要確定采煤機的行走距離，導(dǎo)航定位系統(tǒng)將會自動對物體的運動坐標(biāo)進行測算，將測算結(jié)果和理論坐標(biāo)對比，即可判斷出運行軌跡的精度。當(dāng)出現(xiàn)偏差后系統(tǒng)進行慣性導(dǎo)航修正，滿足運行精確性的需求。實際應(yīng)用表明，該自動定位裝置的監(jiān)測精度達到了±0.1 m，完全滿足對采煤機運行軌跡的精確監(jiān)測需求。其監(jiān)測原理如圖3。

圖3 采煤機運行軌跡監(jiān)測原理圖

根據(jù)在燕子山煤礦井下的實際應(yīng)用表明，該智能綜采集控系統(tǒng)能夠?qū)⒕戮C采作業(yè)人員數(shù)量由160 人降低到58 人，人員減少了63.75%，極大地提升了煤礦井下綜采作業(yè)的自動化程度和安全性。

5 結(jié)論

針對煤礦井下綜采面智能化程度低、綜采作業(yè)人員多、效率低的不足，針對性地對智能化綜采的關(guān)鍵技術(shù)進行了研究，提出一種新的綜采面智能集成控制系統(tǒng)，對該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用情況進行了分析，結(jié)果表明：

（1）智能集成控制系統(tǒng)主要包括地面控制中心、井下集控中心和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)三個部分，能夠?qū)崿F(xiàn)對綜采面上各設(shè)備運行狀態(tài)的集中調(diào)整和控制。

（2）采用采煤機、液壓支架協(xié)同運行控制后，采煤效率提升了8.1%，有效地降低了井下綜采作業(yè)時的勞動強度和設(shè)備協(xié)同失效導(dǎo)致的停機事故。

（3）井下液壓支架支護智能調(diào)節(jié)模塊能夠?qū)⒁簤褐Ъ芄ぷ鲿r的支護壓力維持在0.01 MPa 范圍內(nèi)，能夠有效提升液壓支架的支護穩(wěn)定性。

（4）新的智能綜采集控系統(tǒng)能夠?qū)⒕戮C采作業(yè)人員數(shù)量減少63.75%，極大地提升了煤礦井下綜采作業(yè)的自動化程度和安全性。