文/黃超慧

（責(zé)任編輯：龐永厚）

隨著煤炭資源開(kāi)采的日益減少，薄煤層的安全高效開(kāi)采成為了我國(guó)煤礦企業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。平煤股份四礦在薄煤層開(kāi)采過(guò)程中，存在著采面高度低、條件差，人員不能直立作業(yè)，勞動(dòng)強(qiáng)度大等難題，迫切需要薄煤層綜采工作面實(shí)現(xiàn)無(wú)人自動(dòng)回采，將工人從高危的生產(chǎn)環(huán)境中解放出來(lái)。平煤股份四礦從薄煤層智能化工作面論證、綜采設(shè)備配套選型和智能化控制系統(tǒng)幾個(gè)方面對(duì)薄煤層智能化工作面的建設(shè)進(jìn)行了深入研究，對(duì)設(shè)備的選型設(shè)計(jì)和配套參數(shù)進(jìn)行細(xì)致分析，對(duì)控制系統(tǒng)的智能化功能進(jìn)行了創(chuàng)新和完善，建設(shè)了既有一定生產(chǎn)能力，又能適應(yīng)復(fù)雜生產(chǎn)環(huán)境的薄煤層智能化工作面。該薄煤層智能化工作面的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了減員提效，智能化遠(yuǎn)程控制和安全高效生產(chǎn)的目標(biāo)，為薄煤層綜采自動(dòng)化設(shè)備的推廣和同類薄煤層的智能化開(kāi)采提供了有利參考。

一、智能化工作面的建設(shè)

1.工作面概況

平煤股份四礦位于平頂山礦區(qū)中部，1955年11月建礦，1958年8月1日投產(chǎn)，現(xiàn)核定年生產(chǎn)能力224萬(wàn)噸。投產(chǎn)60多年來(lái)，礦井由單一水平開(kāi)采變?yōu)槎嗨介_(kāi)采，由低瓦斯礦井變?yōu)槊号c瓦斯突出礦井。特別是四礦可采區(qū)域呈南北狹長(zhǎng)走向，再加上四組煤層同時(shí)開(kāi)采，采區(qū)上、下重疊布置，主要進(jìn)、回風(fēng)巷斷面變形量高達(dá)50%以上，開(kāi)采垂深在850m以上，回采工作面客觀上面臨著高瓦斯、高地壓、高地溫；通風(fēng)難、運(yùn)輸難、提升難、供風(fēng)難、供水難、行人難的安全發(fā)展瓶頸。

己15-23090工作面位于己三采區(qū)東翼中部，己15煤層厚度1.0～2.0m，平均煤厚1.45m。煤層賦存穩(wěn)定，基本頂為細(xì)粒砂巖，厚6～12m，厚層狀。直接頂為粉砂與粉砂質(zhì)泥巖互層，厚3.5～5.5m，層狀?；镜诪榉凵百|(zhì)泥巖，厚2.5～7.0m，團(tuán)塊狀。直接底為泥巖，厚1.5～2.5m，碎塊狀。呈緩傾斜單斜構(gòu)造，煤層傾角5°～12°，平均煤層傾角9°。正斷層22條，其中13條大于1m的正斷層，落差1.1～4.4m。工作面設(shè)計(jì)采長(zhǎng)148m，走向1966m，可采走向1870m，可采儲(chǔ)量74萬(wàn)噸。

2.設(shè)備選型

根據(jù)該工作面地質(zhì)條件，經(jīng)過(guò)充分論證，采煤機(jī)選用上海天地MG2×250/1200-WD采煤機(jī)，該采煤機(jī)機(jī)面高度890mm，每個(gè)滾筒由兩臺(tái)250KW的截割電機(jī)驅(qū)動(dòng)，高度低、功率大，能夠適應(yīng)己15-23090工作面煤層薄、斷層構(gòu)造多的復(fù)雜地質(zhì)條件。

運(yùn)輸設(shè)備采用平煤神馬機(jī)械裝備集團(tuán)河南重機(jī)公司的SGZ900/800刮板運(yùn)輸機(jī)，該運(yùn)輸機(jī)針對(duì)薄煤層降低了機(jī)頭、機(jī)尾高度。

液壓支架選用平煤神馬機(jī)械裝備集團(tuán)河南礦機(jī)有限公司ZY6800-10/20D電液控支架，乳化液泵站集中供液系統(tǒng)選用浙江中煤機(jī)械科技有限公司BRW500/37.5泵站水處理及集中供液系統(tǒng)，電液控系統(tǒng)選用德國(guó)marco公司pm32-ifc智能化系統(tǒng)。

此外，采用SZZ-800/315轉(zhuǎn)載機(jī)、ZY1100型轉(zhuǎn)載機(jī)邁步自移裝置、ZT17500-16/30D機(jī)巷端頭支架2組共4架、ZC4000-15/28風(fēng)巷垛式超前支架80架等設(shè)備。設(shè)備配套時(shí)為保證工作面兩端的破底及拾煤效果，采用了抬高運(yùn)輸機(jī)銷排中心高度的措施，配套后采煤機(jī)機(jī)面高996mm。

3.系統(tǒng)構(gòu)成及功能

己15-23090薄煤層智能化綜采工作面由液壓支架電液控制系統(tǒng)、采煤機(jī)控制系統(tǒng)、運(yùn)輸子系統(tǒng)、工作面人員定位系統(tǒng)、工作面視頻系統(tǒng)、泵站集中供液系統(tǒng)、組合開(kāi)關(guān)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、設(shè)備檢修預(yù)警系統(tǒng)、地面分控中心系統(tǒng)等10個(gè)子系統(tǒng)組成。如圖1所示。

在順槽監(jiān)控中心采用vistwo軟件控制平臺(tái)，工作面綜采設(shè)備通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)和控制平臺(tái)相連接，在液壓支架電液控制系統(tǒng)與采煤機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全面跟機(jī)自動(dòng)化的基礎(chǔ)上，將電液控制系統(tǒng)與液壓支架視頻監(jiān)控系統(tǒng)相結(jié)合，通過(guò)監(jiān)控中心遠(yuǎn)程操作對(duì)液壓支架進(jìn)行干預(yù)，實(shí)現(xiàn)工作面設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測(cè)，依據(jù)數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)和預(yù)警報(bào)警機(jī)制，滿足復(fù)雜環(huán)境下液壓支架的自動(dòng)化、智能化控制。

平煤股份四礦己15-23090薄煤層智能化綜采工作面設(shè)備主要具有以下功能。

（1）液壓支架電液控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)鄰架單動(dòng)控制、隔架控制、自動(dòng)跟機(jī)移架控制、成組支架動(dòng)作控制、工作面頂板圍巖耦合等多項(xiàng)功能。同時(shí)，通過(guò)人員定位卡自動(dòng)閉鎖附近液壓支架、劃定工作面安全區(qū)域并進(jìn)行警示，三角煤區(qū)域斜切進(jìn)刀和端頭支架、轉(zhuǎn)載機(jī)一鍵自移，根據(jù)壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)礦壓分析及頂板周期來(lái)壓的預(yù)警等功能。此外，可監(jiān)測(cè)液壓支架高度、壓力、行程劑傾角等各項(xiàng)參數(shù)，并根據(jù)生產(chǎn)情況、視頻監(jiān)控進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)。

（2）運(yùn)輸子系統(tǒng)利用華寧集控設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、點(diǎn)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)在集控中心遠(yuǎn)程控制刮板運(yùn)輸機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)一鍵啟停；具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)三機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、電機(jī)和減速器的運(yùn)行參數(shù)（油溫、油位、軸承溫度、冷卻水溫度、流量）及工作面運(yùn)輸機(jī)閉鎖、語(yǔ)音通訊等功能。

圖1 智能化系統(tǒng)架構(gòu)圖

（3）采煤機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集工作面相應(yīng)位置上的采高、傾角、俯仰角、速度、方向等信息，并以5cm為間隔做即時(shí)映射，并生成截割曲線模型。采煤機(jī)實(shí)現(xiàn)集控中心一鍵啟停和可視化遠(yuǎn)程控制、記憶截割，以及監(jiān)測(cè)油溫、油位、電壓、電流、通訊狀態(tài)及故障信息。利用紅外/編碼器/RFID射頻定位+慣導(dǎo)技術(shù)精確位置，繪制采煤機(jī)位置曲線，通過(guò)在自動(dòng)化主機(jī)上輸入工作面高度修正值的方式來(lái)獲取與工作面相適應(yīng)的采割曲線。通過(guò)圖像識(shí)別及慣性導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)工作面刮板運(yùn)輸機(jī)、液壓支架曲線進(jìn)行校直，實(shí)現(xiàn)采煤自動(dòng)化。

（4）工作面視頻系統(tǒng)具備監(jiān)測(cè)工作面割煤、綜采設(shè)備運(yùn)行狀況和人員狀況、視頻跟機(jī)自動(dòng)切換、順槽設(shè)備和人員狀況的功能。攝像頭具備330°自旋轉(zhuǎn)及自清潔功能。

（5）綜采工作面集中控制中心具備所有綜采設(shè)備遠(yuǎn)距離一鍵啟停、各項(xiàng)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以視頻攝像頭監(jiān)控全工作面設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、煤壁狀態(tài)、人員狀態(tài)以及依據(jù)人員識(shí)別、定位設(shè)定安全區(qū)的功能；具備設(shè)備檢修預(yù)警管理，監(jiān)測(cè)工作面瓦斯?jié)舛取⒎蹓m濃度，并根據(jù)需要開(kāi)啟區(qū)域支架頂梁噴霧降塵功能。

（6）地面分控中心系統(tǒng)具備在地面調(diào)度中心顯示綜采設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和遠(yuǎn)程控制綜采設(shè)備的功能；具備通過(guò)視頻系統(tǒng)監(jiān)控工作面、順槽內(nèi)的設(shè)備和人員狀況，與井下集控中心進(jìn)行通訊，對(duì)工作面各綜采設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)采集和分析并定時(shí)(或任何時(shí)段)生成狀態(tài)分析報(bào)告等功能。

二、智能化工作面創(chuàng)新點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)

己15-23090薄煤層智能化工作面順槽監(jiān)控中心采用vistwo軟件控制平臺(tái)，工作面綜采設(shè)備通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)和控制平臺(tái)相連接，實(shí)現(xiàn)工作面設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測(cè)，依據(jù)數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)和預(yù)警報(bào)警機(jī)制，實(shí)現(xiàn)綜采設(shè)備智能管理。在設(shè)備調(diào)試期間，針對(duì)該套智能設(shè)備控制系統(tǒng)進(jìn)行了部分優(yōu)化和改進(jìn)。

1.數(shù)據(jù)傳輸高度集成、多網(wǎng)合一

工作面電液控、視頻、照明、供電、數(shù)據(jù)傳輸、系統(tǒng)控制實(shí)現(xiàn)多網(wǎng)合一，工作面架與架之間一線貫通，減少了工作面架架布線量，節(jié)省了安裝時(shí)的人力、物力投入，減少了生產(chǎn)中的故障點(diǎn)。

2.采煤機(jī)與工作面采高聯(lián)動(dòng)

采煤機(jī)使用紅外、射頻和編碼器三種定位模式，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位、采煤機(jī)與工作面采高聯(lián)動(dòng)，當(dāng)液壓支架高度不足以通過(guò)采煤機(jī)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)停止采煤機(jī)牽引或在集控中心預(yù)警。

3.液壓系統(tǒng)爆管保護(hù)

當(dāng)液壓支架遠(yuǎn)距離供液系統(tǒng)油管破裂壓力驟降或大量泄漏時(shí)，自動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)傳感器壓力變化，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)停泵或在集控中心預(yù)警。

4.礦壓分析及預(yù)警

通過(guò)對(duì)工作面支架立柱壓力數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)礦壓分析及頂板初次來(lái)壓和周期來(lái)壓的預(yù)警功能，為采面頂板管理提供有效依據(jù)。

5.端頭支架及轉(zhuǎn)載機(jī)遠(yuǎn)程遙控操作

端頭支架與轉(zhuǎn)載機(jī)自移并入電液控制系統(tǒng)，端頭支架安裝照明及攝像頭，可實(shí)時(shí)顯示巷道人員、設(shè)備狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)端頭支架、轉(zhuǎn)載機(jī)一鍵自移及遙控器遙控操作。

6.煤流運(yùn)輸預(yù)警

智能工作面煤流與負(fù)荷之間具有協(xié)調(diào)功能，當(dāng)運(yùn)輸設(shè)備負(fù)荷大時(shí)，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)牽引自動(dòng)減速或在集控中心預(yù)警，避免因負(fù)荷大引起運(yùn)輸機(jī)壓車。

7.遙控器采用漢化模式

電液控制系統(tǒng)遙控器及控制器全部采用漢化模式，便于職工操作培訓(xùn)。

8.設(shè)備檢修預(yù)警功能

（1）在集控中心電腦隨機(jī)存儲(chǔ)和編輯工作面供電、供液和通訊系統(tǒng)圖，方便查詢和故障排除。

（2）備品備件錄入系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備易損件備件的核對(duì)和查詢。

（3）自定義錄入工作面各設(shè)備檢修重點(diǎn)及檢修周期，實(shí)現(xiàn)設(shè)備周期檢修提醒，保證設(shè)備維護(hù)和檢修效果。

三、智能化工作面建設(shè)的改進(jìn)方向

一是工作面電液控、視頻、照明、供電、數(shù)據(jù)傳輸、系統(tǒng)控制實(shí)現(xiàn)多網(wǎng)合一，工作面架與架之間一線貫通的數(shù)據(jù)線為百兆帶寬四芯數(shù)據(jù)線，多信號(hào)及供電導(dǎo)致數(shù)據(jù)及視頻傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性較差，有時(shí)可能導(dǎo)致視頻延遲或卡頓，可將該四芯數(shù)據(jù)線進(jìn)行升級(jí)，提高視頻及數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧鲿承浴?/p>

二是慣導(dǎo)系統(tǒng)及視頻監(jiān)測(cè)圖像智能識(shí)別較差，導(dǎo)致在集控中心觀察采面運(yùn)輸機(jī)、支架的平直需通過(guò)慣導(dǎo)對(duì)圖像進(jìn)行人工處理，圖像智能識(shí)別及數(shù)據(jù)處理功能有待提高。

三是智能化及功能設(shè)置選擇性有待完善，控制系統(tǒng)只是按既定程序執(zhí)行動(dòng)作，未采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制及自適應(yīng)技術(shù)，不具備通過(guò)大數(shù)據(jù)自主完善系統(tǒng)功能及分析判斷功能，此外，工作面不具備設(shè)備按采煤機(jī)設(shè)定軌跡自動(dòng)運(yùn)行的功能。

四是為保證安全及更好地了解設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，采煤機(jī)、液壓支架及轉(zhuǎn)載機(jī)自移等設(shè)備在動(dòng)作命令執(zhí)行前，建議由語(yǔ)音預(yù)警或聲光預(yù)警功能來(lái)提供預(yù)警。

四、結(jié)論

平煤股份四礦己15-23090工作面是河南省首個(gè)薄煤層自動(dòng)化工作面，智能化綜采設(shè)備可通過(guò)傳感、通訊等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)順槽設(shè)備控制中心遠(yuǎn)程可視化操作、綜采設(shè)備集中控制一鍵啟停，實(shí)現(xiàn)液壓支架自動(dòng)跟機(jī)移架、液壓支架支護(hù)狀態(tài)監(jiān)控、運(yùn)輸機(jī)自動(dòng)調(diào)直、采煤機(jī)記憶截割、設(shè)備工況檢測(cè)和故障診斷技術(shù)等功能，在人員較少的情況下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)回采，從根本上提高了作業(yè)安全系數(shù)，極大地改善了煤礦工人的工作環(huán)境，大幅降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能增效、提質(zhì)增效、減員提效，單班生產(chǎn)人員由20人減至9人，月均產(chǎn)量達(dá)到10萬(wàn)噸，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，有效推動(dòng)了河南省薄煤層的開(kāi)采工作，對(duì)薄煤層安全高效開(kāi)采具有推廣意義和參考價(jià)值。