董冠軍

（太原理工大學 信息工程學院，山西 太原 030024）

煤礦井下無人工作面的發(fā)展前景

董冠軍

（太原理工大學 信息工程學院，山西 太原 030024）

“無人則安”是煤礦安全的發(fā)展方向。文章以神東煤炭公司榆家梁煤礦44305工作面為試點，介紹了煤礦井下工作面自動化采煤自動化的關(guān)鍵技術(shù)和試驗中存在的問題，并提出了今后的研究方向。

工作面；自動化；記憶割煤；遠程干預

實現(xiàn)煤礦井下無人工作面的主要技術(shù)途徑有兩種：一是使用刨煤機、刮板輸送機、液壓支架組成的綜采機組；刨煤機綜采機組適用于薄煤層或中厚偏薄煤層開采，對煤的硬度要求較低，而且只能用于地質(zhì)條件變化不大的煤層。二是使用滾筒式采煤機、刮板輸送機和液壓支架組成的綜采機組。滾筒式采煤機綜采機組適用于厚煤層開采，對煤層硬度、厚度、地質(zhì)條件的適應能力強。

1 國內(nèi)外煤礦井下無人工作面的技術(shù)現(xiàn)狀

目前，德國、法國、俄羅斯、比利時等國廣泛采用刨煤機綜采機組；德國使用刨煤機的時間最長、技術(shù)水平最高，并且實現(xiàn)了無人工作面。美國JOY公司、德國DBT和EKF公司開發(fā)了有自動化功能的滾筒式采煤機（但尚未在實際生產(chǎn)中成功使用）。滾筒式采煤機自動化割煤工藝目前有兩種：一是工作面只需設置1名操作人員，只完成頂滾筒的割煤，尾滾筒根據(jù)控制器的設定自動完成割煤。二是通過操作人員手動進行一次示范性割煤，采煤機按示范的程序自動記憶割煤，并需操作人員跟隨采煤機監(jiān)護其運行情況。

國內(nèi)許多煤炭企業(yè)為提高資源回收率、延長礦井壽命、實現(xiàn)資源均衡開采，對薄煤層開采技術(shù)進行了一系列的研究和實踐。鐵法煤業(yè)集團于2000年引進了德國的自動化刨煤機綜采系統(tǒng)，裝備了國內(nèi)第一個薄煤層刨煤機自動化工作面，年產(chǎn)量達到120萬t～150萬t。隨后，西山煤電集團的馬蘭礦等企業(yè)也引進了德國的刨煤機綜采系統(tǒng)。神東煤炭公司，從2004年開始試驗了5個自動化綜采工作面。經(jīng)對神東礦區(qū)1.5m～2.0m煤層的自動化開采實踐，實現(xiàn)了薄煤層的安全和高效生產(chǎn)，并延長了礦井服務年限。陜西省神木縣榆家梁煤礦44305工作面，于2008年進行了滾筒式采煤機的自動化割煤實踐，試驗了采煤機機尾滾筒隨機割煤、滾筒式采煤機記憶割煤、滾筒式采煤機記憶割煤加有線遠程干預三種自動化采煤工藝，歸納出以下經(jīng)驗：

(1)采煤機尾滾筒隨動割煤，必須有操作人員跟機作業(yè)。在采高1.8m采煤機速度超過6m/min時，人員跟機操作困難、安全隱患多、勞動強度大，采煤機的割煤能力不能充分發(fā)揮。

(2)記憶割煤工藝通過采煤機自動重復示范割煤時，不能有效地對工作面的設備和巡視人員的安全狀況進行監(jiān)測，而且不能根據(jù)煤層變化自動調(diào)節(jié)采高，難以保證煤質(zhì)要求。

(3)記憶割煤加有線遠程干預割煤工藝，是通過采煤機上的攝像系統(tǒng)對工作面進行遠程監(jiān)視（在順槽設備列車上進行監(jiān)視）；該工藝主要解決了工作面的設備和人員的安全問題，而且通過遠程干預實時調(diào)整采高，適應煤層的起伏變化。

綜上所述，我國厚煤層滾筒式采煤機實現(xiàn)無人工作面時，以采用采煤機記憶割煤加有線遠程視屏干預自動化割煤工藝最為先進，但是還需進行完善才能普及。

2 實現(xiàn)煤礦井下無人工作面的關(guān)鍵技術(shù)

綜采工作面中，通常采煤機沿刮板輸送機的軌道運行，由于煤層厚度的變化和地質(zhì)斷層的出現(xiàn)，主要靠司機觀察地質(zhì)條件變化來控制采煤機滾筒的截割高度。因此，采煤機自動調(diào)高技術(shù)是實現(xiàn)采煤機遠程控制的首要關(guān)鍵技術(shù)。再者，隨著工作面的推進，采煤機司機還要觀察采煤機的運行前方的液壓支架工作狀態(tài)。例如，液壓支架是否支撐到位，前掩護梁是否收回等問題，這就需要解決液壓支架與采煤機的協(xié)調(diào)遠程控制問題。

實現(xiàn)液壓支架與采煤機聯(lián)動作業(yè)，要將液壓支架的電液控制裝置在整個工作面形成網(wǎng)絡化控制，工作面所有液壓支架上都裝控制器，并在工作面端頭裝主控裝置。主控裝置控制整個工作面設備的運行狀況，并能形象化地顯示液壓支架位移情況、主要參數(shù)、采煤機行走方向和位置等。主控裝置要與工作面和井下監(jiān)控系統(tǒng)進行通訊，將工作面運行參數(shù)實時地傳輸?shù)降孛嬷行目刂剖?，實現(xiàn)地面控制室對井下工作面的監(jiān)控。

采煤機與工作面運輸系統(tǒng)的協(xié)調(diào)遠程控制也很重要，因為綜采工作面運輸系統(tǒng)的工作狀態(tài)決定著采煤機如何控制。例如，工作面刮板輸送機和順槽可伸縮膠帶輸送機出現(xiàn)運量超限、輸送機發(fā)生故障等問題，都要及時調(diào)整采煤機的工作參數(shù)。

為保證采煤工作面自動化正常運行，控制系統(tǒng)中要安裝一套遠程控制器，通過光纜將采煤機遙控器移至順槽設備列車上，工作人員也從工作面移至順槽設備列車上的控制室，工作人員通過設備列車上的主控制臺視頻監(jiān)視工作面設備的工作情況，必要時對工作面設備的運行情況進行干預。

遠程干預是通過采煤機上的攝像系統(tǒng)傳輸工作面圖像，工作人員根據(jù)圖像上的采煤機滾筒截割情況和支架工作狀態(tài)等信息，必要時對采煤機運行狀態(tài)進行人為干預，可有效避免煤層變化時截割矸石，并對工作面設備的安全運行提供有效保證。也可以在每個液壓支架上安裝攝像裝置，當采煤機走到某個支架時，打開該支架的攝像系統(tǒng)；走過以后，關(guān)閉攝像系統(tǒng)，從而為操作人員提供采煤機工作的視頻畫面，保證采煤機的正常割煤。

3 采煤工作面的網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)

網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)由地面監(jiān)控中心的工業(yè)以太網(wǎng)通過連接器與井下中繼器相連，中繼器通過PROFIBUS總線與工作面診斷器、控制器、各設備連接，形成工作面網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)，控制內(nèi)容如下：

（1）現(xiàn)場傳感器：主要裝在液壓支架和采煤機上。液壓支架主要裝有前探梁角度傳感器、缸內(nèi)液體壓力傳感器、移架位移傳感器、護幫板收回接觸傳感器、支架姿態(tài)傳感器。采煤機裝有行走速度傳感器、位移傳感器。傳感器發(fā)出的信號傳輸給本安型可編程控制器。

（2）液壓支架控制器：每臺液壓支架上都裝一個控制器，對液壓支架實施自動控制，控制對象是液壓支架的主控閥組和輔助閥組；輔助閥主要有單向閥、安全閥、雙反流沖洗過濾器、立柱液控單向閥。

（3）順槽計算機控制系統(tǒng)：順槽設備列車上安裝三臺防爆計算機。第一臺計算機用來控制液壓支架電控系統(tǒng)，稱為主控計算機；完成控制、顯示、儲存液壓支架的數(shù)據(jù)和信息，并為支架自動化傳輸相關(guān)采煤機數(shù)據(jù)，采用自動化模式操作工作面液壓支架，操作模式預先通過參數(shù)設定來確定?？刂苾?nèi)容包括：自動斜切模式，設定成組推溜起始架，開始成組推溜，機頭、機尾整體推溜，故障顯示、分析，急停支架，開啟工作面控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)采用RS485接口模式和Modbus通訊協(xié)議與視屏系統(tǒng)連接，在自動行進中向視屏系統(tǒng)提供采煤機位置，讓攝像頭在最佳位置啟動。

第二臺計算機用來控制采煤機；調(diào)節(jié)采煤機的工作位置、當前牽引方向和速度、左右滾筒當前的載割高度、各動力系統(tǒng)的負荷狀態(tài)等信息。通過設定通訊接口向采煤機發(fā)出操作指令。例如：斷電、停止牽引、切換牽引、左右搖臂升降等。它與采煤機之間的控制是依靠采煤機上專用的電纜和調(diào)制通訊模塊實現(xiàn)的。視屏系統(tǒng)顯示采煤機運行狀態(tài)，操作人員依據(jù)視屏顯示內(nèi)容對采煤機進行遠程控制。采煤機控制計算機與主控計算機串聯(lián)，將采煤機有關(guān)信息傳送給主控計算機，并與主控計算機實現(xiàn)采煤機與液壓支架的聯(lián)動控制。

第三臺計算機用來監(jiān)控工作面刮板輸送機、順槽轉(zhuǎn)載機、破碎機、負荷中心、乳化液泵站、可伸縮膠帶輸送機。將這些設備的運行狀態(tài)、故障報警、故障診斷等信息傳送給主控計算機，由主控計算機完成各設備的聯(lián)鎖控制，主控計算機還可將各設備運行數(shù)據(jù)和信息向地面調(diào)度中心轉(zhuǎn)發(fā)。

4 井下無人工作面的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

工作面控制主要是對液壓支架的監(jiān)控、對采煤機的監(jiān)控、對負荷中心的訪問、對工作面通訊系統(tǒng)的訪問、實現(xiàn)對轉(zhuǎn)載機、破碎機、輸送機、乳化液泵站的集中控制；它由一臺可編程控制器、一臺主控計算機、一臺百兆隔爆交換機、一臺隔爆型UPS電源組成。并與礦井以太環(huán)網(wǎng)接口。順槽可伸縮膠帶輸送機的控制，主要由一臺百兆隔爆交換機、皮帶集控系統(tǒng)、組合開關(guān)組成。其功能是皮帶集控對組合開關(guān)的訪問、數(shù)據(jù)的上傳、與礦井以太環(huán)網(wǎng)接口。

通過工作面主控計算機實現(xiàn)對工作面所有生產(chǎn)設備的全面控制，完成順序開機和順序停機功能。通過順槽主控臺實現(xiàn)乳化液泵站和噴霧泵的集中控制。

實現(xiàn)采煤機跟機自動化，完成電液控系統(tǒng)，根據(jù)采煤機運行位置自動進行液壓支架的升、降、移動作。實現(xiàn)系統(tǒng)聯(lián)鎖，工作面設備具有急停閉鎖功能；工作面輸送機與采煤機具有互鎖功能；采煤機與噴霧泵具有聯(lián)動功能。系統(tǒng)整體是一種可在線編程的控制系統(tǒng)，可以遠程、實時、在線運行，能為系統(tǒng)故障的排除提供有力的技術(shù)保證，對系統(tǒng)的維護和管理十分便捷。

5 現(xiàn)存問題和前景展望

目前我國采煤工作面自動化存在下列問題：自動化僅適用于煤層賦存比較穩(wěn)定，走向和傾角起伏變化不大、構(gòu)造少、煤層傾角不大、煤層頂板、底板條件較好，工作面水文地質(zhì)條件簡單的場合；配套支架空間相對狹小，架間的管線易損壞；工作面操作人員技術(shù)水平較低，需進行技術(shù)培訓；攝像系統(tǒng)因工作面煤塵大，導致視頻畫面的清晰度不高。

上述問題中主要應解決攝像系統(tǒng)視頻清晰度不高的問題，要盡快研制鏡頭自動清洗裝置。煤礦大多數(shù)井下工作面的地質(zhì)條件變化復雜，難以掌握和預料；要使大多數(shù)井下工作面實現(xiàn)自動化采煤，還有賴于高智能化控制技術(shù)的發(fā)展，使控制系統(tǒng)由“檢測——比較——計算——執(zhí)行”發(fā)展到“識別——推理——決策——執(zhí)行”的新結(jié)構(gòu)。這樣的控制系統(tǒng)才能根據(jù)環(huán)境的變化，自適應地調(diào)整控制規(guī)則，希能模擬人的思維過程及時處理遇到的復雜問題，實現(xiàn)煤礦井下工作面采煤的較高程度的自動化。

Prospects of Unmanned Working Face in M ines

DONG Guan-jun

(College of Information Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan Shanxi030024)

The orientation ofmine safety development is unmanned working.The paper did the pilot study on the 44305 working face of Yujialiang Mine to introduce the key technology and problems of mining automation and to put forward the future research direction.

working face;automation;memory cutting coal;remote intervention

TD67

A

1672-5050（2011）09-0065-03

2011-06-13

董冠軍（1953—），男，河北倉縣人，副教授，研究方向為智能控制理論與技術(shù)。

徐樹文