李 剛

1中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司 山西太原 030006

2山西天地煤機(jī)裝備有限公司 山西太原 030006

薄煤層綜合機(jī)械化開(kāi)采由于空間小、地質(zhì)條件復(fù)雜、開(kāi)采困難、成本高、安全風(fēng)險(xiǎn)大、效益差等問(wèn)題，存在很多技術(shù)難點(diǎn)，特別是極薄煤層開(kāi)采尤為困難。近年來(lái)，為了杜絕資源嚴(yán)重浪費(fèi)和開(kāi)采失衡的現(xiàn)象，延長(zhǎng)礦井的服務(wù)年限，提高煤礦資源采出率，薄煤層智能化安全高效裝備性能提升成為開(kāi)采薄煤層的關(guān)鍵技術(shù)[1-2]。

煤礦綜采智能化裝備與水平在不斷提高和快速發(fā)展，但主要是針對(duì)中厚煤層及放頂煤工作面裝備的智能化裝備與技術(shù)。由于薄煤層開(kāi)采受其環(huán)境與空間的約束，操作困難，設(shè)備能力欠缺，且投資與產(chǎn)出比較低，沒(méi)有達(dá)到真正意義上的工作面少人化開(kāi)采。隨著煤礦綜合機(jī)械化水平的不斷提高，適應(yīng)薄煤層開(kāi)采條件的綜合機(jī)械化裝備不斷涌現(xiàn)，大大提高了薄煤層開(kāi)采自動(dòng)化水平。目前薄煤層開(kāi)采主要以采煤機(jī)、刨煤機(jī)為主：以刨煤機(jī)為龍頭的智能采煤系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、截深淺、運(yùn)行速度快、生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)，但受地質(zhì)條件影響大，適應(yīng)性差、功率利用率低、收煤效果差；以搖臂式電牽引滾筒采煤機(jī)為龍頭的智能采煤系統(tǒng)，具有適應(yīng)性強(qiáng)、技術(shù)成熟等特點(diǎn)，但設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸大、截割功率偏小、適應(yīng)性較低；以等高鏈牽引滾筒采煤機(jī)為龍頭的智能采煤系統(tǒng)，具有截割功率大、生產(chǎn)效率高、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，具有推廣價(jià)值與應(yīng)用前景。結(jié)合傳統(tǒng)薄煤層開(kāi)采方式，分析研究以刨煤機(jī)、滾筒采煤機(jī)為龍頭的智能采煤系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)，深入研究等高鏈牽引滾筒采煤機(jī)的采煤方式，開(kāi)發(fā)截割功率大、運(yùn)行速度快、適應(yīng)性強(qiáng)的薄煤層智能回采工作面成套裝備，是實(shí)現(xiàn)薄煤層減員增效、本質(zhì)安全、高效開(kāi)采的先決條件，對(duì)降低工作面人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高資源利用率、薄煤層礦井產(chǎn)量及社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。

1 智能化成套裝備組成以及智能集成控制技術(shù)

結(jié)合國(guó)內(nèi)外智能開(kāi)采工作面先進(jìn)的技術(shù)、薄煤層開(kāi)采技術(shù)特點(diǎn)以及存在的問(wèn)題，研發(fā)了一套高效開(kāi)采的薄煤層采煤、運(yùn)輸、支護(hù)、集中控制為一體的智能化成套系統(tǒng)。該套系統(tǒng)主要由雙滾筒采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、成套綜采液壓支架、轉(zhuǎn)載破碎連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)、長(zhǎng)距離帶式運(yùn)輸系統(tǒng)[3]、智能控制設(shè)備列車以及智能集中控制中心系統(tǒng)等組成，其主要實(shí)現(xiàn)的功能與關(guān)鍵技術(shù)要求如下。

圖1 智能化無(wú)人成套設(shè)備控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分布Fig.1 Structural distribution of control system of intelligent unmanned complete equipment

(1)實(shí)現(xiàn)智能無(wú)人化控制是薄煤層開(kāi)采工作面智能化控制系統(tǒng)研究的核心與目標(biāo)，將工作面雙滾筒采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載破碎連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)、成套綜采液壓支架、自動(dòng)配比乳化液泵站、長(zhǎng)距離帶式運(yùn)輸系統(tǒng)、智能控制設(shè)備列車等，通過(guò)智能集中控制中心系統(tǒng)相互連通，構(gòu)建薄煤層開(kāi)采設(shè)備必備的多平臺(tái)協(xié)同控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)煤礦地面與井下巷道集控中心集成監(jiān)控，保持各設(shè)備間良好運(yùn)行，如圖 1 所示。

(2)采用 4G 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建煤礦井下高速傳輸平臺(tái)，通過(guò)設(shè)備行程、姿態(tài)、壓力、流量等傳感器，結(jié)合視頻監(jiān)控平臺(tái)，對(duì)綜采工作面設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及可視化圖像監(jiān)控，實(shí)現(xiàn) 1 人巡視、遠(yuǎn)程干預(yù)、高度智能化控制模式，如圖 2 所示。

圖2 智能化無(wú)人成套設(shè)備控制系統(tǒng)及可視化圖像監(jiān)控效果Fig.2 Control system of intelligent unmanned complete equipment and visual image monitoring effects

(3)通過(guò)三維激光掃描視頻機(jī)器人對(duì)綜采工作面環(huán)境與“三機(jī)”裝備，工作面運(yùn)輸巷與裝載、運(yùn)輸、破碎設(shè)備，集中動(dòng)力控制設(shè)備空間狀態(tài)及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)巡檢，建立工作面三維地質(zhì)模型識(shí)別煤巖與煤層狀態(tài)，監(jiān)控工作面及巷道所有設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)智能系統(tǒng)對(duì)截割部運(yùn)動(dòng)軌跡實(shí)時(shí)修正，保證設(shè)備安全、可靠地運(yùn)行，提高對(duì)設(shè)備進(jìn)行故障診斷、礦壓檢測(cè)、姿態(tài)控制、遠(yuǎn)程操控等能力，如圖 3 所示。

圖3 三維激光掃描視頻機(jī)器人效果及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用Fig.3 Effects and field application of 3D laser scanning video robot

(4)根據(jù)工藝要求，識(shí)別成套設(shè)備與工作面空間位置關(guān)系，實(shí)現(xiàn)割煤與牽引的自適應(yīng)控制、落煤與運(yùn)輸?shù)膮f(xié)調(diào)控制、成套液壓支架系統(tǒng)及時(shí)支護(hù)、工作面截割與運(yùn)輸、支護(hù)設(shè)備與巷道智能設(shè)備列車協(xié)同控制，如圖 4 所示。

2 智能工作面成套裝備以及控制系統(tǒng)研究

2.1 雙滾筒采煤機(jī)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

雙滾筒采煤機(jī)主要由整體機(jī)身、滾筒、自動(dòng)隨機(jī)拖纜裝置、傳動(dòng)系統(tǒng)及鏈牽引裝置組成，采用分體式模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，前后共 2 個(gè)滾筒割煤，截割電動(dòng)機(jī)功率為 450 kW，采高范圍為 1.0～1.8 m，過(guò)煤高度為 300 mm，截深為 630 和 800 mm，整機(jī)長(zhǎng)度為 7 500 mm，機(jī)身高度為 950 mm，電源電壓為 3 300 V，截割能力為 1 000 t/h，牽引速度范圍為11.5～25.0 m/min，采用水冷系統(tǒng)進(jìn)行冷卻，通過(guò) 4G網(wǎng)絡(luò)控制平臺(tái)以及智能控制系統(tǒng)，將雙滾筒采煤機(jī)、視頻監(jiān)控慣導(dǎo)裝置、紅外傳感器等多設(shè)備連接，實(shí)現(xiàn)截割軌跡實(shí)時(shí)修正、三維空間運(yùn)行姿態(tài)快速調(diào)整、自動(dòng)記憶截割及超遠(yuǎn)距離控制等功能。雙滾筒采煤機(jī)控制系統(tǒng)原理如圖 5 所示。

2.2 刮板輸送機(jī)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

刮板輸送機(jī)主要由機(jī)頭、機(jī)尾、中部槽、過(guò)渡槽、輸送驅(qū)動(dòng)部及牽引驅(qū)動(dòng)部等組成，輸送部理論設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為 330 m，運(yùn)輸能力為 1 200 t/h，變頻電動(dòng)機(jī)功率為 2×750 kW，工作電壓為 3 300 V，規(guī)格為 1 750 mm×850 mm，水平彎曲±1°，垂直彎曲±3°，卸載方式為端部卸載。通過(guò) 4G 網(wǎng)絡(luò)控制平臺(tái)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)，以及壓力、速度、流量等傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)控刮板輸送機(jī)工作狀態(tài)，預(yù)判關(guān)鍵部件壽命，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)工作面“三機(jī)”空間位置關(guān)系，保持刮板輸送機(jī)良好的直線度。刮板輸送機(jī)控制系統(tǒng)原理如圖 6 所示。

圖4 智能化成套設(shè)備控制系統(tǒng)Fig.4 Control system of intelligent unmanned complete equipment ent

圖5 雙滾筒采煤機(jī)控制系統(tǒng)原理Fig.5 Principle of control system of dual-drum shearer

圖6 刮板輸送機(jī)控制系統(tǒng)原理Fig.6 Principle of control system of scraper conveyor

中部槽采用整體鍛造工藝，以提高使用壽命。輸送驅(qū)動(dòng)部和牽引驅(qū)動(dòng)部與刮板輸送機(jī)垂直布置，降低了機(jī)頭和機(jī)尾的高度與長(zhǎng)度，保持整個(gè)工作面等高割煤的工藝要求，驅(qū)動(dòng)部采用變頻一體機(jī)+減速器+液壓限矩器的傳動(dòng)方式。刮板鏈形式為中雙鏈，圓環(huán)鏈采用大直徑高強(qiáng)度扁平鏈[4]。機(jī)尾設(shè)置自動(dòng)調(diào)節(jié)張緊裝置，維持刮板輸送機(jī)合理的張緊狀態(tài)，保持其正常運(yùn)輸能力。

2.3 成套綜采液壓支架及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

成套綜采液壓支架主要包括中部支架、過(guò)渡支架及超前支架，其基本結(jié)構(gòu)型式為兩柱掩護(hù)式，雙前后連桿、整體式頂梁底座及雙平衡千斤頂結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)件主要采用 Q890 高強(qiáng)度材料，減小支架的質(zhì)量，提高其內(nèi)部空間。液壓支架采用超大伸縮比立柱，以提高支架對(duì)煤層高度的適應(yīng)性，側(cè)護(hù)板雙向可調(diào)。支架工作阻力為 8 000 kN，支護(hù)強(qiáng)度為 0.78～0.89 MPa，推移步距為 890 mm。通過(guò)工作面智能控制系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)，以及壓力、行程、角度等傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)支架支撐壓力與姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)壓力補(bǔ)償，保持良好的支護(hù)效果；推移位置分段控制、自動(dòng)工作面調(diào)直及支架空間姿態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)；按照采煤工藝要求實(shí)現(xiàn)工作面“三機(jī)”同步聯(lián)動(dòng)，與等高采煤機(jī)自動(dòng)實(shí)時(shí)跟機(jī)作業(yè)[5-7]。綜采液壓支架及控制原理如圖 7 所示。

圖7 綜采液壓支架及電液控制系統(tǒng)原理Fig.7 Hydraulic support for fully-mechanized mining and principle of its electro-hydraulic control system

工作面運(yùn)輸巷與回風(fēng)巷超前支護(hù)采用左右分體式6 架 1 組工作面智能超前支護(hù)輔助平臺(tái)，主要由修復(fù)平臺(tái)、智能超前支護(hù)支架及自動(dòng)退錨裝置組成。超前支護(hù)強(qiáng)度不小于 0.32 MPa，工作支護(hù)長(zhǎng)度為 30 m。具備采后自動(dòng)退錨桿卸壓，采前智能判斷修復(fù)巷道，支護(hù)輔助平臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與巷道、設(shè)備之間的空間關(guān)系及壓力狀態(tài)，保證超前支護(hù)有效支護(hù)巷道頂板，實(shí)現(xiàn)與工作面“三機(jī)”同步聯(lián)動(dòng)[8]。工作面智能超前支護(hù)輔助平臺(tái)如圖 8 所示。

圖8 工作面智能超前支護(hù)輔助平臺(tái)Fig.8 Intelligent advanced support auxiliary platform on workface

2.4 智能設(shè)備列車及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

工作面運(yùn)輸巷中的動(dòng)力負(fù)荷中心[9]、泵站、電纜液管、工具箱、集控中心等布置在智能設(shè)備列車上，實(shí)現(xiàn)設(shè)備列車與工作面截割、運(yùn)輸以及支護(hù)設(shè)備快速聯(lián)動(dòng)，以及 60 m 電纜與液管的自動(dòng)收放。該設(shè)備總長(zhǎng)約 260 m，主要有錨固牽引裝置、自移軌道、推移控制系統(tǒng)、38 臺(tái)自移式平板車、遠(yuǎn)程遙控電液控制系統(tǒng)以及 30 臺(tái)自動(dòng)伸縮管纜裝置組成。錨固牽引裝置與自移式平板車互為支點(diǎn)，通過(guò)推移與遠(yuǎn)程電液控制系統(tǒng)進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)設(shè)備列車整體前移[10]，1 個(gè)循環(huán)過(guò)程大約需要 4 min，移動(dòng)步距約 3.0 m。該設(shè)備列車無(wú)需鋪設(shè)軌道、人工高空懸掛電纜與液管、移動(dòng)絞車等繁重工作。通過(guò)壓力、行程以及傾角傳感器信號(hào)反饋及視頻監(jiān)控，監(jiān)測(cè)牽引裝置初撐力、推移行程以及平板車姿態(tài)執(zhí)行狀態(tài)，判斷執(zhí)行動(dòng)作是否滿足設(shè)備整體前移的要求，并通過(guò) CAN 總線實(shí)現(xiàn)控制器之間數(shù)據(jù)交互與時(shí)序分組控制以及整體同步控制。礦用電控液壓移動(dòng)列車組及控制系統(tǒng)如圖 9 所示。

圖9 KDYZ40-40/2000 礦用電控液壓移動(dòng)列車組Fig.9 KDYZ40-40/2000 mine electric control hydraulic mobile train set

2.5 工作面網(wǎng)絡(luò)傳輸視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

薄煤層智能工作面雙滾筒采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、成套綜采液壓支架、智能控制設(shè)備列車、三維激光視頻掃描機(jī)器人等設(shè)備運(yùn)行姿態(tài)、空間位置、運(yùn)行參數(shù)等大數(shù)據(jù)主要采用有線與無(wú)線相結(jié)合的方式傳輸。沿著回采方向每 6 臺(tái)支架設(shè)置 1 臺(tái)夜視、低照度、高清晰礦用本質(zhì)安全型網(wǎng)絡(luò)攝像儀；沿著采空區(qū)方向每4 臺(tái)支架設(shè)置 1 臺(tái)攝像儀；工作面運(yùn)輸巷中的設(shè)備列車、超前支架及轉(zhuǎn)載破碎連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)關(guān)鍵位置設(shè)置攝像儀，實(shí)現(xiàn)薄煤層智能工作面視頻監(jiān)控全覆蓋，攝像儀監(jiān)控的視頻信息采用有線傳輸?shù)姆绞酵ㄟ^(guò)支架控制器連接智能控制系統(tǒng)，如圖 10 所示。

圖10 視頻監(jiān)控系統(tǒng)Fig.10 Video monitoring system

薄煤層智能工作面機(jī)頭與機(jī)尾各布置 2 臺(tái)三維激光掃描機(jī)器人，監(jiān)控工作面機(jī)頭與機(jī)尾工作狀態(tài)及巷道空間位置關(guān)系；雙滾筒采煤機(jī)左右兩側(cè)各布置 1 臺(tái)三維激光巡檢機(jī)器人，監(jiān)控采煤機(jī)工作狀態(tài)及空間位置關(guān)系，同時(shí)分析工作面三維空間形態(tài)；工作面運(yùn)輸巷轉(zhuǎn)載破碎連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)與長(zhǎng)距離帶式運(yùn)輸系統(tǒng)上布置若干臺(tái)三維激光巡檢機(jī)器人，監(jiān)控工作面運(yùn)輸巷設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)；三維激光掃描機(jī)器人采用無(wú)線傳輸?shù)姆绞脚c支架控制器連接，接入智能控制系統(tǒng)，如圖 11所示。

圖11 三維掃描視頻機(jī)器人工作面分布Fig.11 Distribution of 3D scanning video robots on workface

薄煤層智能工作面通過(guò)攝像儀與三維激光掃描巡檢機(jī)器人采集信息，視頻數(shù)據(jù)通過(guò)支架控制器接入無(wú)線信號(hào)轉(zhuǎn)換器，無(wú)線信號(hào)轉(zhuǎn)換器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與支架控制器和工作面網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)連接，工作面網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)之間通過(guò)雙路千兆網(wǎng)絡(luò)連接，工作面網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)與井下環(huán)網(wǎng)交換機(jī)通過(guò)單獨(dú)千兆網(wǎng)絡(luò)連接；工作面機(jī)頭、機(jī)尾兩端各安裝 1 套 4G 無(wú)線基站，工作面上隅區(qū)和下隅區(qū)各安裝 1 套通信分站，4G 無(wú)線基站與通信分站接入工作面交換機(jī)，建立回采工作面三維立體模型，監(jiān)控工作面設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，達(dá)到智能開(kāi)采的目的，實(shí)現(xiàn)井下運(yùn)輸巷集控中心對(duì)整個(gè)工作面監(jiān)控及通過(guò)井下環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)地面遠(yuǎn)程監(jiān)控，如圖 12 所示。

圖12 工作面網(wǎng)絡(luò)傳輸視頻監(jiān)控系統(tǒng)原理Fig.12 Principle of network transmission video monitoring system on workface

3 應(yīng)用效果

43107 薄煤層智能化工作面煤層厚度為 1.1～1.6 m，平均采高為 1.3 m，工作面布置長(zhǎng)度為 300 m，走向長(zhǎng)度為 2 500 m，煤層傾角為 3°～7°，平均為 4°，煤層硬度f(wàn)=0.22～0.48，直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚度為0～1.5 m，直接底為細(xì)砂巖，厚度為 0.10～0.70 m，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。工作面最高月產(chǎn)量為 11 萬(wàn) t，預(yù)計(jì)年產(chǎn)量達(dá)到 120 萬(wàn) t。

(1)建立智能集中控制中心與地面控制樞紐，實(shí)現(xiàn)工作面“三機(jī)”、工作面運(yùn)輸巷設(shè)備與地質(zhì)環(huán)境協(xié)同聯(lián)動(dòng)控制。

(2)通過(guò)有線與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，保持工作面設(shè)備可靠通信，視頻、語(yǔ)音和數(shù)據(jù)三網(wǎng)合一的智能化控制模式。

(3)等高采煤機(jī)采用垂直進(jìn)刀方式，減少了割三角煤、回空刀、切底煤等流程，效率提高了近 1 倍，截割功率與同等功率采煤機(jī)相比，單刀力提高了 1倍，破巖能力強(qiáng)。

(4)綜采液壓支架支撐效率達(dá)到 85%，支護(hù)效果良好，有效保證了頂板的安全。

4 結(jié)語(yǔ)

自動(dòng)化、智能化裝備，高效的網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺(tái)，以及智能控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)薄煤層工作面減人增效的有效途徑，通過(guò)對(duì)薄煤層智能回采工作面成套裝備及其關(guān)鍵技術(shù)研究，可有效提高薄煤層開(kāi)采效率，實(shí)現(xiàn)智能化工作面無(wú)人操作、有人值守開(kāi)采模式，為薄煤層工作面無(wú)人開(kāi)采積累經(jīng)驗(yàn)，最終實(shí)現(xiàn)無(wú)人化開(kāi)采的目標(biāo)。

(1)薄煤層智能化無(wú)人工作面鏈牽引式薄煤層采煤、運(yùn)輸、支護(hù)、集中控制為一體的多平臺(tái)設(shè)備協(xié)同智能控制技術(shù)，以及三維立體工作面環(huán)境識(shí)別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了工作面割煤、及時(shí)支護(hù)、推溜、姿態(tài)調(diào)整、環(huán)境自適應(yīng)及全環(huán)境監(jiān)控全覆蓋。

(2)視頻監(jiān)控系統(tǒng)及三維激光掃描機(jī)器人的應(yīng)用，為薄煤層智能化無(wú)人工作面開(kāi)采帶來(lái)指揮的眼睛，提高成套系統(tǒng)的安全檢測(cè)，保持多設(shè)備間良好的空間位置狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)智能開(kāi)采。

(3)薄煤層智能設(shè)備列車以工作面乳化液為動(dòng)力，通過(guò)遠(yuǎn)程遙控實(shí)現(xiàn)列車自移、調(diào)偏，管纜自動(dòng)收縮、防掉道、自適應(yīng)等功能，達(dá)到了高產(chǎn)高效礦井快速推進(jìn)的目的。