一次采全高綜采工作面的智能化集控系統(tǒng)技術(shù)研究

摘要：智能化工作面的集控系統(tǒng)是實現(xiàn)自動化開采核心，用于綜合監(jiān)測設(shè)備的運行狀態(tài)、根據(jù)設(shè)備的運行狀態(tài)進(jìn)行綜合控制和綜合預(yù)警、報警。若該系統(tǒng)不能安全、穩(wěn)定地運行，自動化開采就無從談起。因此智能化集控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和硬件構(gòu)成是能否實現(xiàn)工作面自動化基礎(chǔ)保障。同時對任何一個子系統(tǒng)的安全穩(wěn)定的監(jiān)控，也是實現(xiàn)工作面智能化集控的關(guān)鍵一環(huán)。山西華寧焦煤公司通過對現(xiàn)有的設(shè)備進(jìn)行智能化改造，建成了集團(tuán)內(nèi)首個6.3米大采高智能化工作面，達(dá)到了設(shè)備就地、集中、遠(yuǎn)程三級網(wǎng)絡(luò)管理，大大降低作業(yè)人員勞動強度，減少了現(xiàn)場作業(yè)人員數(shù)量，提高了作業(yè)安全性和工作效率。

關(guān)鍵詞：智能化；智能化集控系統(tǒng)

一、引言

煤炭是我國主體能源，2021年煤炭產(chǎn)量41.3億噸。綜采作業(yè)是煤礦井下最重要、最危險的前端生產(chǎn)環(huán)節(jié)?！澳壳?，全國智能化采掘工作面已建成687個，其中采煤工作面431個，掘進(jìn)工作面256個；并且已有26種煤礦機器人在煤礦現(xiàn)場實現(xiàn)了應(yīng)用。這一年，通過智能化建設(shè)提高產(chǎn)能達(dá)1億噸以上，為煤炭安全保供提供了有力支撐?！眹业V山安全監(jiān)察局在2021年煤礦智能化重大進(jìn)展發(fā)布會上介紹了全國煤礦智能化建設(shè)的成效。

在此背景下，華寧公司準(zhǔn)確把握發(fā)展方向，緊跟信息時代發(fā)展步伐，推進(jìn)煤礦智能化發(fā)展進(jìn)程，對智能化開采技術(shù)方案進(jìn)行了整體配套研究，統(tǒng)一了設(shè)備的傳輸通信協(xié)議和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，解決了各種設(shè)備之間的信息孤島和信息壁壘，建成了集團(tuán)內(nèi)首個大采高一次采全高智能化采煤工作面，實現(xiàn)了對煤炭生產(chǎn)“人、機、環(huán)、管”的全面監(jiān)控。

二、概述

一次采全高智能化綜采工作面生產(chǎn)過程以現(xiàn)場無人操作為目標(biāo)，實施的技術(shù)主要難點在于需要利用遠(yuǎn)程終端集中化全流程的監(jiān)測監(jiān)控生產(chǎn)全過程，這是集視頻、有線通信、無線通信、自動化、紅外線、系統(tǒng)集成、數(shù)據(jù)處理等多種技術(shù)的綜合應(yīng)用。通過視頻可視化技術(shù)、遠(yuǎn)程實時控制技術(shù)、數(shù)據(jù)自動推送技術(shù)等，實現(xiàn)在地面或順槽監(jiān)控中心對綜采工作面設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控。通過綜采工作面綜合控制系統(tǒng)軟件將電液控制系統(tǒng)監(jiān)控軟件、集成供液系統(tǒng)監(jiān)控軟件、三機集中控制監(jiān)控軟件、視頻管理軟件、數(shù)據(jù)通信軟件、工業(yè)以太網(wǎng)等集成到統(tǒng)一平臺下。它運行在多臺計算機平臺上，實現(xiàn)分布式集成控制，完成綜采工作面設(shè)備，包括支架、采煤機、膠帶機、刮板機、轉(zhuǎn)載機、破碎機、泵站的集中監(jiān)測和控制。

三、系統(tǒng)設(shè)計

通過對工作面現(xiàn)有的設(shè)備進(jìn)行智能化改造，液壓支架升級改造為電液控制，并增加智能化設(shè)備：井下順槽集控中心、地面分控中心、工作面自動跟機視頻監(jiān)控系統(tǒng)、視頻分析預(yù)警系統(tǒng)、支架采高監(jiān)測、支架狀態(tài)預(yù)警系統(tǒng)、工作面人員定位、泵站控制系統(tǒng)、三機監(jiān)測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)云端服務(wù)、手機App、皮帶機尾自移、轉(zhuǎn)載自移等；智能化系統(tǒng)集成各設(shè)備數(shù)據(jù)，需要各子系統(tǒng)設(shè)備本身有接入智能化系統(tǒng)接口或升級改造后有接入智能化系統(tǒng)接口。

以下接入智能化系統(tǒng)的設(shè)備，通過升級后具備接入智能化系統(tǒng)內(nèi)：智能供液系統(tǒng)、采煤機子系統(tǒng)、三機語音控制子系統(tǒng)、組合開關(guān)系統(tǒng)、移變系統(tǒng)、順槽皮帶系統(tǒng)、動力部監(jiān)測系統(tǒng)、工作面環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)等設(shè)備的升級改造。

以液壓支架控制器為基礎(chǔ)，建立從工作面到地面調(diào)度室的專用通訊數(shù)據(jù)傳輸線路，以電液控制系統(tǒng)，采煤機控制系統(tǒng)，三機語音及皮帶保護(hù)控制系統(tǒng)，泵站控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以工作面人員識別系統(tǒng)，工作面視頻系統(tǒng)，視頻分析預(yù)警系統(tǒng)，安全監(jiān)測系統(tǒng)為保障，以工作面數(shù)據(jù)處理為依據(jù)，控平臺建設(shè)成以井下集控，地面遠(yuǎn)控，系統(tǒng)智能控制為目標(biāo)，實現(xiàn)具備自動感知，自動分析，智能控制的，安全、高效、節(jié)能、少人化的智能綜采工作面。

（一）割煤系統(tǒng)

煤機裝機總功率2300kW、截割功率2×900kW、截割滾筒直徑3200mm、截深865mm、最大生產(chǎn)能力5000t/h。具有智能截割功能，可實現(xiàn)智能斜切進(jìn)刀、截割三角煤、中部割煤等工藝動作；具有速度調(diào)節(jié)、采高定位、位置定位、姿態(tài)定位功能，可在顯示窗中、遙控器上顯示采高、位置，同時可傳輸?shù)巾槻酆偷孛婕刂行?；系統(tǒng)具有可配置生產(chǎn)工藝的記憶截割功能，對不同工況的工作面所需的工藝均可滿足，可在本地和遠(yuǎn)程終端實現(xiàn)學(xué)習(xí)記憶、學(xué)習(xí)修正、自動操作；當(dāng)采煤機設(shè)置在自動記憶截割模式下，可進(jìn)行人工干預(yù)各項預(yù)定操作，并且人工干預(yù)的優(yōu)先級最高，保證特殊情況的安全性。

（二）支架電液控系統(tǒng)

液壓支架結(jié)構(gòu)高度3100mm～6300mm、寬度2050mm、工作阻力18000kN；運輸巷超前支架選用國內(nèi)先進(jìn)的ZQH2×3400/24/34型巷道超前支護(hù)裝置，支撐高度3.4m～4.8m，支架寬度4.8m，工作阻力2×3400kN，操作方式采用遙控電液控制。支架采用主副兩架框架交錯式結(jié)構(gòu)，相互推拉，穩(wěn)定性好，能實現(xiàn)自移行走動作，一個崗位工通過遙控操作便可完成4組超前支架的自移，減輕工人的勞動強度，提高安全性。較以往使用的邁步自移式超前支架該型超前支護(hù)裝置反復(fù)支撐對頂板的破壞較小。

回風(fēng)巷超前支架選用ZQ24000/25/50WD型超前支架，支撐高度2.5m～5.0m，支架寬度4.5m，工作阻力24000kN，支架采用整體頂梁、整體底座的結(jié)構(gòu)形式；支架前方設(shè)置挑梁；兩側(cè)設(shè)置護(hù)壁裝置，可旋轉(zhuǎn)90°；頂梁可以左右旋轉(zhuǎn)以適應(yīng)頂板變化。該型支架操作簡單、工作阻力大，能適應(yīng)壓力較大的巷道。

（三）運輸系統(tǒng)

順槽皮帶機選用DSJ140/250/2×450可伸縮帶式輸送機，運輸能力2500t/h；帶寬1400mm；帶速4m/s;總裝機功率2×450，電機采用變頻交流電動機，電頻器采用國內(nèi)技術(shù)先進(jìn)由中信重工唐山開城生產(chǎn)的四象限變頻器，有效的解決皮帶下運時電機能量反饋造成的過電壓故障，保證了運輸系統(tǒng)的安全平穩(wěn)可靠。

（四）智能供液系統(tǒng)

智能供液系統(tǒng)由水處理設(shè)備、乳化液泵站、噴霧泵站、供回液管路和控制系統(tǒng)組成，采用遠(yuǎn)距離供液。系統(tǒng)配置有智能高壓反沖洗過濾裝置、回液反沖洗過濾裝置和凈水反滲透處理裝置，保證進(jìn)入液壓系統(tǒng)的水質(zhì)為高純水；乳化液泵站選用國內(nèi)最大流量的BRW630/37.5型乳化液泵站，四泵兩箱，公稱流量630L/min，公稱壓力37.5MPa，功率450kW；噴霧泵站選用BPW516/16型噴霧泵，三泵兩箱，公稱流量516L/min，公稱壓力16MPa，功率160kW。供液系統(tǒng)可實現(xiàn)手動、自動和遠(yuǎn)程控制三種操作模式；具有乳化液濃度自動配比和循環(huán)在線監(jiān)測功能，具有設(shè)備運行狀態(tài)、設(shè)備運行時長、運行設(shè)備的油位及溫度、乳化液泵供液壓力、乳化液箱液位、水位顯示、曲軸潤滑泵壓力檢測預(yù)警保護(hù)功能；具有自動投切和自動啟動就緒泵站功能，自動啟停功能；實現(xiàn)了泵站無人值守。

（五）工作面集控系統(tǒng)

井下集控中心配備SAM型綜采自動化控制系統(tǒng)、SAS型采煤機控制系統(tǒng)、SAV型視頻跟機系統(tǒng)，在采煤工作面單機設(shè)備自動化的基礎(chǔ)上，采用千兆工業(yè)以太網(wǎng)、串口通信、PLC控制等技術(shù)，實現(xiàn)了順槽集控中心對液壓支架、采煤機、刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機、破碎機、順槽膠帶機、泵站、開關(guān)等設(shè)備的遠(yuǎn)程操控。

地面調(diào)度指揮中心配備自動化控制系統(tǒng)、視頻跟機系統(tǒng)、支架操作臺、采煤機操作臺，實現(xiàn)了在地面對井下設(shè)備的一鍵啟停、視頻監(jiān)視、遠(yuǎn)程控制功能。

四、系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

1.工作面人員精準(zhǔn)定位。工作面人員精準(zhǔn)定位系統(tǒng)具有工作面“人—機—環(huán)”閉鎖聯(lián)動功能，能準(zhǔn)確地根據(jù)不同工種人員在工作面的具體位置和設(shè)備的安全距離有效地對設(shè)備進(jìn)行閉鎖。

2.皮帶機尾自移。機尾自移是綜采工作面運輸系統(tǒng)的重要組成環(huán)節(jié)，主要完成在工作面推進(jìn)過程中實現(xiàn)順槽轉(zhuǎn)載機與帶式輸送機尾的快速推移和正確搭接；接受從轉(zhuǎn)載機來的物料，并轉(zhuǎn)入皮帶系統(tǒng)，保證順槽轉(zhuǎn)載的通暢和銜接。主要由頭端架、中間基架、尾端架、小車、浮動托輥組、滾筒潤滑裝置、液控系統(tǒng)等組成。立缸1-4安裝與中間基架上，主要完成中間基架的水平調(diào)整，水平缸1和2分別安裝于頭端架和尾端架上，完成整個機身的水平運動和水平面內(nèi)的方向調(diào)整。推移缸完成機身的前進(jìn)。浮動缸完成浮動托輥組的上升和下降運動；各缸由手動換向閥完成動作控制。

同時具有以下特點：

（1）浮動托輥組能保證跨躍上下坡時與皮帶機末端支架正常過渡，減少原煤外泄。

（2）調(diào)高采用大行程結(jié)構(gòu)，能更好地適應(yīng)順槽底板的起伏。

（3）皮帶機導(dǎo)入機構(gòu)總能保證下回行段皮帶的正確導(dǎo)入。

（4）與承載段完全封閉隔離的下回形段，很好地解決了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中下皮帶腔易存煤導(dǎo)致膠帶損壞的問題。

3.機尾超前架遙控器操作。綜采工作面機尾超前段一直是礦井安全管理的重點，頂、底板壓力大，片幫、底鼓是其顯著特點，在這樣惡劣的環(huán)境中進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)活動，員工的安全時刻面臨著挑戰(zhàn)。通過安裝礦用本安型遙控發(fā)射器、配置無線遙控器后實現(xiàn)遙控功能，遙控距離15m，無線遙控器與發(fā)射器間使用紅外無線通信技術(shù)。正常遙控操作機尾支架時，先打開無線遙控器電源開關(guān)，在完成與支架控制器連接后，通過按下遙控器的相應(yīng)按鍵對支架控制器進(jìn)行操作，遙控器顯示窗口可顯示支架控制器的運行狀態(tài)。在安全的前提下，最大限度地保證作業(yè)人員操作的便捷和安全。

4.割三角煤工藝及自移架。整個工作面采煤機割煤過程軌跡呈現(xiàn)Z字形，先行采煤機割透整個工作面，然后由液壓支架推行形成三角煤彎曲段，采煤機斜切進(jìn)刀，然后回刀吃掉三角煤，完成完整一刀的采煤過程；液壓支架跟隨采煤機位置進(jìn)行跟機作業(yè)，采用提前過架支撐，實現(xiàn)三角煤割煤過程中的超前支護(hù)，采煤機到達(dá)指定位置后等待支架動作完成信號，采煤機接收到支架完成信號后進(jìn)行下一步指令，建立閉環(huán)的控制系統(tǒng)。

5.前部刮板運輸機機尾自動張緊。刮板運輸機是工作面煤炭輸送的主要設(shè)備，利用刮板鏈條的循環(huán)運動進(jìn)行煤炭的外輸工作，由于刮板鏈比較長，彈性伸長量也較大，在使用過程中需要根據(jù)實時工況對刮板鏈張力進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，使刮板鏈一直處于最佳的工作狀態(tài)。前部刮板運輸機機尾自動張緊系統(tǒng)主要由三部分組成：伸縮結(jié)構(gòu)的機尾傳動部、自動張緊液壓控制系統(tǒng)、自動張緊電氣控制系統(tǒng)。

6.支架防碰撞。采煤機記憶切割模式運行時，通過機器視覺方式及傳感器檢測方式相結(jié)合，對液壓支架側(cè)護(hù)板收縮情況進(jìn)行感知，液壓支架側(cè)護(hù)板距離采煤機前滾筒5架時采煤機正常速度運行、距離3架時采煤機減速50%、距離2架時采煤機停止運行。

7.煤量自動監(jiān)測。通過煤量掃描儀對通過刮板輸送機和轉(zhuǎn)載機的煤量進(jìn)行掃描，通過對采煤機采高、行走速度、截深、電流、刮板輸送機電流、電壓、運行速度等數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)刮板輸送機實時煤量的計算，保證實時煤量計算方法的準(zhǔn)確，實時掌握刮板輸送機的煤量數(shù)據(jù)，為刮板輸送機運行過程中根據(jù)煤量自動調(diào)速提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

8.帶式輸送機自動張緊。帶式輸送機是工作面生產(chǎn)流程中的一個主要環(huán)節(jié)，自動張緊裝置屬是保證帶式輸送機正常工作的重要部件，可自動地對輸送機張力進(jìn)行實時控制滿足帶式輸送機正常運行的要求。即改善帶式輸送機的起、制動性能，提高整機運行的可靠性，在不同的使用條件下，可以保證膠帶具有最合理的張力。

自動測力張緊裝置以張緊力作為反饋信號隨時間變化設(shè)定拉力，進(jìn)行比較，并隨時調(diào)整張緊裝置的該向滾筒的位移。如啟動時會自動加大張緊力，運輸時恢復(fù)恒定拉力，對延長輸送帶壽命十分有利。

9.采煤機傾角傳感器改進(jìn)。在采煤作業(yè)中，根據(jù)不同的煤層厚度，采煤機需要對搖臂角度進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而進(jìn)行不同的采煤作業(yè)。借助傾角傳感器，可實現(xiàn)對采煤機機械搖臂的角度測量，用來計算提升的高度和防止提升過高，從而避免設(shè)備發(fā)生傾翻，造成財產(chǎn)損失和人員傷亡。為更加安全有效地進(jìn)行作業(yè)，將傾角傳感器從油缸位置轉(zhuǎn)移到采煤機機械搖臂，通過在采煤機機械搖臂上安裝高精度的傾角傳感器，能夠及時準(zhǔn)確檢測機械搖臂的橫滾角和俯仰角的動作信號，并通過數(shù)字方式，將監(jiān)測到的搖臂角度數(shù)據(jù)，傳送至操作系統(tǒng)，以便操作人員及時調(diào)整設(shè)備姿態(tài)。

10.安全監(jiān)控智能聯(lián)動。實時監(jiān)測綜采工作面運、回上隅角、采煤機周圍瓦斯?jié)舛?，將瓦斯?jié)舛壬蟼髦敛擅簷C綜合控制平臺，控制平臺根據(jù)瓦斯?jié)舛瓤刂撇擅簷C的運行速度。

11.設(shè)備故障診斷功能，對系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)建模、存儲、分析。實現(xiàn)基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的故障預(yù)警診斷。如下：

（1）采煤機故障診斷：能夠顯示采煤機通信故障、開機率、位置錯誤等；

（2）液壓支架故障診斷：具備智能設(shè)備故障診斷，包括程序丟失、參數(shù)錯誤、輸入錯誤、輸出錯誤、通訊錯誤、人機交互錯誤和安全操作裝置故障等診斷功能。

（3）具有采煤機、刮板運輸機、轉(zhuǎn)載機、破碎機、膠帶輸送機、泵站開關(guān)狀態(tài)顯示，包括各個回路運行狀態(tài)、電流大小、電壓大小以及漏電、斷相、過載等故障狀態(tài)顯示等。

（4）運輸機故障診斷：實現(xiàn)設(shè)備運行數(shù)據(jù)的實時顯示、報警和傳輸。

五、結(jié)束語

華寧公司一次采全高智能化開采設(shè)備的應(yīng)用極大提高了勞動生產(chǎn)率，取消了夜班生產(chǎn)，并且實現(xiàn)了一周雙休，原煤回采工效提升了46.4%，日工效達(dá)到145.8噸/人，實現(xiàn)了“少時則安”的目標(biāo)。通過一次采全高智能化設(shè)備的應(yīng)用，實現(xiàn)了在調(diào)度指揮中心、井下專用操作集控室即可實時監(jiān)控、操作設(shè)備運行，進(jìn)入割煤、拉架等自動化生產(chǎn)流程，直接減少生產(chǎn)環(huán)節(jié)流程及現(xiàn)場作業(yè)人員，實現(xiàn)了本質(zhì)安全，達(dá)到“無人則安、少人則安”的目標(biāo)。

作者單位：王保珍? ? 山西華寧焦煤有限責(zé)任公司

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1] 張立剛.基于移動互聯(lián)平臺的膠帶運輸無人值守系統(tǒng)的設(shè)計[J].信息與電腦，2019.

[2] 范京道.智能化無人綜采技術(shù)[M].煤炭工業(yè)出版社，2017.