田 華陳新川羅洪波薛天山馮 旭

(1.神華新疆能源有限責任公司,新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市,830027; 2.北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司,北京市朝陽區(qū),100013)

急傾斜特厚煤層綜放工作面綜采自動化控制設(shè)計與應(yīng)用

田 華1陳新川1羅洪波1薛天山1馮 旭2

(1.神華新疆能源有限責任公司,新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市,830027; 2.北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司,北京市朝陽區(qū),100013)

針對急傾斜特厚煤層綜放工作面生產(chǎn)效率低和安全風險高的現(xiàn)狀,提出了綜放工作面綜采自動化控制系統(tǒng),介紹了該自動化控制系統(tǒng)的總體設(shè)計,實際應(yīng)用表明該自動化控制系統(tǒng)能夠有效地減少綜采工作面人員,提高了礦井的生產(chǎn)效率,達到了安全、高產(chǎn)和高效的目的。

急傾斜特厚煤層 綜放工作面 自動化控制 協(xié)同控制

烏魯木齊市礦區(qū)賦存30多層厚度與間距迥異的急傾斜(45°～87°)煤層,開采技術(shù)條件復(fù)雜,很難形成較大的生產(chǎn)能力。急傾斜特厚煤層大都采用分層放頂煤開采工藝進行開采,開采厚度大(每一層超過20 m)且開采后都將對工作面造成礦壓沖擊,極易傷害工作面人員。此外,由于煤層厚度大和放煤量大,放煤過程中經(jīng)常會瞬間釋放大量的有害氣體,嚴重威脅到工作人員的生命安全。因此,為了有效解決沖擊地壓和有害氣體對工作人員造成的人身傷害,減少工作面的人員數(shù)量,提高工作面的生產(chǎn)能力,急需開展急傾斜特厚煤層綜放工作面安全高效開采技術(shù)的研究。因此,提出了綜放工作面綜采自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計方案,并在神華新疆能源有限責任公司烏東煤礦475B3＋6綜放工作面進行了應(yīng)用。

1 開采情況概述

神華新疆能源有限責任公司烏東煤礦井田東西走向長約10.8 km,南北寬約0.7～2.7 km,面積約20.28 km2,礦井設(shè)計可采儲量為539.89 Mt。井田含煤地層為中侏羅統(tǒng)的西山窯組,含煤層數(shù)多,第四紀的覆蓋物遍布全區(qū)。井田內(nèi)煤層賦存穩(wěn)定,水文地質(zhì)條件簡單,屬低瓦斯礦井。煤層粉塵具有爆炸危險,有發(fā)火傾向性,屬易自燃煤層。

475B3＋6綜放工作面處于＋475水平東翼采區(qū),開采水平為＋475水平,采面標高為＋475 m,設(shè)計走向長度為2520 m,階段高度為25 m,工作面傾向長度為43 m,面積為108360 m2。工作面煤層賦存穩(wěn)定,為單斜構(gòu)造且構(gòu)造簡單。煤層平均厚度為43 m,傾角為87°～89°,平均傾角為88°,走向為N58°～60°之間。煤層主要為弱粘結(jié)煤,次為長焰煤,均為很好的動力用煤,煤以光亮煤為主,煤層灰分為15%,水分為8.00%,全硫為0.53%,發(fā)熱量為28.50 MJ/kg。475B3＋6工作面可采儲量為281萬t,煤層厚度為25 m,機采高度為3.0 m,放頂煤厚度為22 m,采放比為1∶7.33,采用急傾斜特厚煤層綜合機械化放頂煤采煤方法進行開采。

2 綜放工作面主要設(shè)備選型

為了保證生產(chǎn)的穩(wěn)定性、連續(xù)性和遞增性,最大程度地發(fā)揮設(shè)備效率,根據(jù)急傾斜特厚煤層的賦存條件以及烏東煤礦南采區(qū)475B3＋6綜放工作面的情況,對主要開采設(shè)備進行的選型見表1。

表1 475B3＋6綜放工作主要設(shè)備配套選型

3 綜放工作面綜采自動化控制系統(tǒng)總體設(shè)計

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

綜放工作面綜采自動化控制系統(tǒng)是將采煤機控制系統(tǒng)、支架電液控制系統(tǒng)、工作面運輸控制系統(tǒng)、帶式輸送機控制系統(tǒng)、泵站控制系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、語音通訊系統(tǒng)以及視頻系統(tǒng)有機結(jié)合,實現(xiàn)對綜合機械化采煤工作面設(shè)備的協(xié)調(diào)管理、數(shù)據(jù)采集與集中控制。系統(tǒng)主要由綜采單機設(shè)備層、監(jiān)控中心和地面監(jiān)控3部分組成,系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 綜放工作面綜采自動化控制系統(tǒng)架構(gòu)

3.2 系統(tǒng)方案設(shè)計

3.2.1 監(jiān)控中心

監(jiān)控中心是整個急傾斜綜放工作面控制的核心部分,主要由監(jiān)控主機、操作臺以及交換機等設(shè)備組成,實現(xiàn)工作面主要設(shè)備(液壓支架、采煤機、三機、泵站、帶式輸送機和組合開關(guān))的數(shù)據(jù)監(jiān)測與集中控制功能。

3.2.2 工作面高速工業(yè)以太網(wǎng)通信平臺

利用工作面綜合接入器、光電轉(zhuǎn)換器和交換機,建立一個統(tǒng)一開放的百兆工業(yè)以太網(wǎng)工作面,使工作面設(shè)備連接到集控中心的監(jiān)控主機上,實現(xiàn)工作面設(shè)備信息匯集。工作面支架每隔一定數(shù)量布置1臺綜合接入器,通過連接器進行設(shè)備間的連接。

3.2.3 工作面可視化視頻監(jiān)控

工作面每隔一定數(shù)量支架安裝3臺礦用本質(zhì)安全型攝像儀,1臺照射液壓支架,1臺照射煤壁,1臺照射后部刮板運輸機。此外,在刮板運輸機機頭、機尾、轉(zhuǎn)載機、帶式輸送機機頭以及監(jiān)控中心各安裝攝像儀1臺,便于觀察工作面其他關(guān)鍵部位運行情況。攝像儀的視頻數(shù)據(jù)通過工業(yè)以太網(wǎng)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心顯示器顯示,顯示器可以同時顯示4臺攝像儀拍攝的圖像,并可跟隨采煤機位置變化自動切換顯示采煤機附近4臺的視頻圖像。

3.2.4 液壓支架跟機自動化及遠程干預(yù)控制

液壓支架配套SAC型電液控制系統(tǒng),通過在立柱安裝紅外線接收器以及在采煤機機身上安裝紅外線發(fā)射裝置,實現(xiàn)液壓支架跟隨采煤機自動化功能。

SAC電液控系統(tǒng)具有遠程控制接口,支架遠程操作臺通過該接口與工作面支架電液控制系統(tǒng)實現(xiàn)控制信號的傳輸,配以電液控數(shù)據(jù)和工作面視頻畫面為輔助手段,實現(xiàn)對液壓支架的遠程控制,遠程控制功能包括液壓支架單架與成組推溜,降架、拉架、升架、伸收互幫、放煤、噴霧等動作及工作面自動跟機功能的開啟與關(guān)閉。液壓支架遠程控制示意圖如圖2所示。

圖2 液壓支架遠程控制示意圖

3.2.5 采煤機記憶割煤及遠程干預(yù)控制

采煤機控制系統(tǒng)采用采高傳感器實現(xiàn)采高自主定位,采用位置傳感器實現(xiàn)工作面位置自主定位,具有記憶截割功能與遠程雙向通訊功能。通過與采煤機控制系統(tǒng)雙向通訊,可實現(xiàn)在順槽監(jiān)控中心對采煤機的數(shù)據(jù)監(jiān)測;依靠采煤機數(shù)據(jù)和工作面視頻畫面為輔助手段,通過采煤機操作臺可實現(xiàn)采煤機的遠程干預(yù)及記憶截割(在儲存器截割中已經(jīng)儲存了人工截割的數(shù)據(jù),采煤機根據(jù)存儲的數(shù)據(jù)進行自動割煤),采煤機遠程控制圖如圖3所示。

3.2.6 工作面“一鍵”啟停及順序聯(lián)動

在監(jiān)控中心通過權(quán)限驗證后可實現(xiàn)在對綜放工作面設(shè)備的“一鍵”啟停控制。

(1)“一鍵”啟動:泵站啟動、一部帶式輸送機啟動、二部帶式輸送機啟動、破碎機啟動、轉(zhuǎn)載機啟動、刮板輸送機啟動、采煤機記憶割煤程序啟動、液壓支架跟隨采煤機自動化控制程序啟動,全自動化啟動。

(2)運行過程:操作人員實時監(jiān)控工作面綜采設(shè)備運行工況,當設(shè)備運行異常,可通過人工干預(yù)手段對設(shè)備進行遠程干預(yù)。如對采煤機的搖臂、液壓支架的動作進行調(diào)整等。

(3)“一鍵”停機:液壓支架跟機動作停止、采煤機停機、刮板輸送機停機、轉(zhuǎn)載機停機、破碎機停機,二部帶式輸送機停止、一部帶式輸送機停止、全自動化停止。

圖3 采煤機遠程控制圖

(4)急停:按下工作面“急停”按鈕,工作面所有設(shè)備停機。

3.2.7 工作面協(xié)同控制

在液壓支架護幫板處安裝壓力傳感器,用來感知液壓支架護幫板對煤壁的支護效果,并將數(shù)據(jù)反饋給支架控制器,如發(fā)現(xiàn)本架護幫板支護壓力沒有達到規(guī)定壓力則自動進行護幫板動作,保證護幫板對煤壁的支護完好,能夠有效防止大塊煤垮落對生產(chǎn)設(shè)備和人員產(chǎn)生危害。

在液壓支架護幫板處安裝接近傳感器,在支架動作過程中,通過接近傳感器檢測采煤機運行前方護幫板收回狀態(tài)并反饋給控制器,如接近傳感器未檢測到護幫有效收回信號,綜采自動化會系統(tǒng)發(fā)出報警信號并降低采煤機的速度或停止采煤機,以便操作人員能夠及時做出響應(yīng)。

通過監(jiān)測刮板輸送機的電流值,可以反映刮板運輸機的負荷情況,當刮板運輸機的負荷過大時,可控制采煤機降低速度或停機,并停止推溜、拉架以及放煤等支架動作。當負荷較小時,可控制采煤機提高速度以提升產(chǎn)量,負荷控制曲線圖如圖4所示,在t1階段運輸機處在低負荷階段,這時可以控制采煤機提高速度;在t2階段運輸機達到額定負荷時,采煤機速度也達到恒速段并正常運行;當在t3階段運輸機超負荷運行時,這時控制采煤機速度降低,必要時停機,以保證運輸機不被煤塊壓死;在t4階段,當運輸機處在低負荷的時候,提高采煤機速度,以提升工作效率。

圖4 負荷控制曲線圖

3.2.8 工作面設(shè)備三維仿真

綜采工作面三維虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)采用了先進的虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建出高仿真度的虛擬礦井作業(yè)場景。通過讀取綜采自動化控制系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù),同步的顯示在虛擬礦井作業(yè)對應(yīng)的場景,實現(xiàn)數(shù)據(jù)三維可視化的目的。利用開發(fā)平臺的優(yōu)質(zhì)效果,使用戶在使用系統(tǒng)時有身臨實境的感覺。用戶可通過系統(tǒng)中報警狀況的提示、設(shè)備屬性的顯示、自主或智能自動漫游以及歷史數(shù)據(jù)的回放等功能,充分了解整個作業(yè)面中各設(shè)備的實時運行狀況,達到監(jiān)測、協(xié)助和分析等目的。

4 結(jié)論

該急傾斜特厚煤層綜放工作面自動化控制系統(tǒng)于2014年10月開始井下安裝調(diào)試,12月下旬開始投產(chǎn)。經(jīng)過4個月的使用,系統(tǒng)運行穩(wěn)定,具有以下優(yōu)點:

(1)在監(jiān)控中心通過網(wǎng)絡(luò)傳輸視頻信號,實時監(jiān)控工作面情況。

(2)采煤機記憶割煤,支架跟隨采煤機自動控制,監(jiān)控中心一鍵啟?？刂?實現(xiàn)工作面少人化作業(yè),將工作面的工作人員由原來的17人減少至8人,提高采煤效率,人員配置見表2。

Design and application on automation control of fully mechanized mining in fully mechanized caving face in steeply inclined and extremely thick coal seam

Tian Hua1,Chen Xinchuan1,Luo Hongbo1,Xue Tianshan1,Feng Xu2
(1．Shenhua Xinjiang Energy Co．,Ltd．,Wulumuqi,Xinjiang 830027,China; 2．Beijing Tiandi-Marco Electro-Hydraulic Control System Company Ltd．,Chaoyang,Beijing 100013,China)

Aiming at the current situation of low efficiency and high safety risk in fully mechanized caving face in steeply inclined and extremely thick coal seam,automation control system of fully mechanized mining was put forward,and the overall design of the automation control system was introduced．The practical application showed that the system could decrease the workers in fully mechanized mining face,improve the mine production efficiency and achieve the purposes of safety,high yield and high-efficiency.

steeply inclined and extremely thick coal seam,fully mechanized caving face, automation control,cooperative control

TD823.97

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