孫進(jìn)偉,鄭 勇,徐 犇

(遼寧能源煤電產(chǎn)業(yè)股份有限公司，沈陽 110122)

在網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)深度融合的新形勢(shì)下,各產(chǎn)業(yè)正在發(fā)生重大變革。其中將智能技術(shù)納入傳統(tǒng)設(shè)備已成為解決能源供應(yīng)、能源安全和工業(yè)安全等國(guó)家問題的重要手段[1-2]。煤炭開采需要面對(duì)極為復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境,傳統(tǒng)的煤炭開采方式面臨著較大的潛在風(fēng)險(xiǎn)[3-4],影響了煤礦的安全生產(chǎn),制約著生產(chǎn)效益的提高。智能技術(shù)與裝備的應(yīng)用對(duì)我國(guó)煤炭開采產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義[5-6]。為全面加快智能化工作面建設(shè)步伐,推動(dòng)高產(chǎn)、高效煤炭開采,急需發(fā)展以實(shí)現(xiàn)無人化開采為目標(biāo)的智能技術(shù)與裝備,因此本文對(duì)智能化采煤技術(shù)在納林河二號(hào)井煤礦的應(yīng)用進(jìn)行探討。

1 工程概況

納林河二號(hào)井田位于鄂爾多斯市烏審旗納林河礦區(qū)南部,于2008年8月開始建設(shè),井田南北長(zhǎng)約17.8 km,東西寬約13.5 km,面積約180.67 km2。井田資源儲(chǔ)量1 507.65 Mt,可采儲(chǔ)量796.38 Mt,礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力800 萬噸/a,日生產(chǎn)能力2.4 萬噸/d,礦井服務(wù)年限71.1 a,開拓方式為立井開拓,項(xiàng)目總投資約60.75 億元。

納林河二號(hào)井3-1上102工作面位于納林河西側(cè),地面標(biāo)高在+1 149.5～+1 136.7 m之間,相對(duì)高差12.7 m。地表為風(fēng)積半流動(dòng)和半固定沙丘地貌,新月形沙丘,生長(zhǎng)零星楊樹,地表無建筑物。3-1上102工作面位于礦井一盤區(qū),北臨3-1巷煤輔助運(yùn)輸大巷,南臨首采區(qū)邊界,東臨3-1上與3-1煤層分叉線,西臨3-1上103工作面,兩工作面均未開采。工作面煤層平均厚2.0 m,層位穩(wěn)定,質(zhì)地堅(jiān)硬;煤層干燥抗壓強(qiáng)度9.76 MPa，飽和抗壓強(qiáng)度7.66 MPa；煤層堅(jiān)固性系數(shù)小于1.0,屬半堅(jiān)硬巖石；軟化系數(shù)小于0.75,屬于易軟化巖石,巖石質(zhì)量中等,巖體中等完整,RQD值平均為68%。地質(zhì)條件復(fù)雜,工作面槽波探測(cè)異常區(qū)達(dá)到了15個(gè)。根據(jù)工作面兩順槽掘進(jìn)過程中的揭露情況,回風(fēng)、膠運(yùn)順槽及切眼共揭露8條斜交正斷層,落差0.5～3.6 m。另外,根據(jù)兩順槽揭露的地質(zhì)構(gòu)造情況發(fā)現(xiàn),在工作面推進(jìn)過程中,揭露隱伏構(gòu)造的可能性較大,且對(duì)工作面頂板管理及煤質(zhì)造成一定影響,為實(shí)現(xiàn)工作面智能化帶來了困難。

智能化開采是不斷發(fā)展和進(jìn)步的,主要指通過環(huán)境的智能感知、設(shè)備的智能控制,在不需要人工直接干預(yù)的條件下,由設(shè)備獨(dú)立完成回采的過程[7]。為實(shí)現(xiàn)3-1上102工作面智能化開采及智慧礦山建設(shè),提出了以“遠(yuǎn)程一鍵式啟停、自動(dòng)開采、遠(yuǎn)程人工干預(yù),無人值守”為目標(biāo)的方案,以實(shí)現(xiàn)減人、提效的開采模式；同時(shí)，達(dá)到融合采煤機(jī)自動(dòng)截割、液壓支架及端頭支架的自動(dòng)移架、運(yùn)輸系統(tǒng)智能運(yùn)行、遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控、工作面遠(yuǎn)程集控的目的[8-10]。

2 智能化開采系統(tǒng)組成

2.1 順槽控制中心與地面調(diào)度室

順槽控制中心是井下開采智能工作面的核心部分。如圖1所示,工作面所有數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái),接入到順槽控制中心。順槽控制中心采用高效工控平臺(tái),具備數(shù)據(jù)顯示、設(shè)備控制、數(shù)據(jù)分析和生產(chǎn)管理的功能。工控平臺(tái)通過數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析,對(duì)圖像進(jìn)行識(shí)別,采用預(yù)警報(bào)警機(jī)制,生成運(yùn)行規(guī)劃,依據(jù)所確定刮板運(yùn)輸機(jī)的實(shí)時(shí)位置曲線,制定采煤機(jī)路徑規(guī)劃以及液壓支架自適應(yīng)規(guī)劃來實(shí)現(xiàn)智能化。順槽控制中心定期生成設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的分析報(bào)告,采用關(guān)鍵指標(biāo)的方式,來反映生產(chǎn)進(jìn)度、分析故障原因、指導(dǎo)日常維修,將更換式維護(hù)轉(zhuǎn)變成預(yù)防式服務(wù)。工作面數(shù)據(jù)信息經(jīng)礦井環(huán)網(wǎng)上傳到地面調(diào)度室,實(shí)現(xiàn)對(duì)綜采設(shè)備、環(huán)境狀態(tài)和人員狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。地面調(diào)度室和順槽控制中心采用相同工控平臺(tái),具備遠(yuǎn)程控制、智能控制和數(shù)據(jù)分析等功能。

2.2 液壓支架及超前支架電液控制系統(tǒng)

電液控制系統(tǒng)在井下智能工作面中起到協(xié)調(diào)控制液壓支架的作用,同時(shí)具有工作面數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)的功能。常規(guī)的電液控系統(tǒng)往往使用CAN總線的控制方式,在此采用的電液控制系統(tǒng)以現(xiàn)如今最先進(jìn)的以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制方式運(yùn)行,通過傳感器來確定液壓支架的狀態(tài),如油缸行程、油缸壓力以及支架高度,通過控制液壓主閥來執(zhí)行單架動(dòng)作或成組動(dòng)作。在智能工作面中,電液控制系統(tǒng)在工控平臺(tái)的控制下可以在局部或全工作面范圍內(nèi)對(duì)液壓支架等做進(jìn)一步調(diào)整和修正,實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制。如圖2所示,電液控制系統(tǒng)包含控制器、傳感器、主閥和供電系統(tǒng)。系統(tǒng)布置情況主要由液壓主閥、傳感器和控制器相連?？刂破髦g通過電纜連接,組成電液控制系統(tǒng)。

圖2 單控制器連接示意圖Fig.2 Connection diagram of single controllers

2.3 采煤機(jī)控制與精確定位系統(tǒng)

采煤機(jī)控制系統(tǒng)是下智能工作面系統(tǒng)的另一重要組成部分,其中包含采煤機(jī)就地控制和工控平臺(tái)控制。工控平臺(tái)控制由采煤機(jī)路徑規(guī)劃、防碰撞、安全防護(hù)、環(huán)境聯(lián)動(dòng)等功能組成。采煤機(jī)數(shù)據(jù)傳輸可以通過采煤機(jī)自身的數(shù)據(jù)線進(jìn)行傳輸,同時(shí)也可以通過工作面數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)進(jìn)行傳輸。如圖3所示,采煤機(jī)上位機(jī)通過交換機(jī)和工控平臺(tái)相連,與此同時(shí)采煤機(jī)的數(shù)據(jù)也通過工作面數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)接入到工控平臺(tái),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向通訊。

圖3 采煤機(jī)控制系統(tǒng)連接示意圖Fig.3 Connection diagram of shearer control system

目前常用的采煤機(jī)記憶割煤方式無法適應(yīng)工作面變化,只適用于頂?shù)装鍥]有變化的理想情況。在實(shí)際生產(chǎn)中,工控平臺(tái)需要生成采煤機(jī)下6刀的路徑規(guī)劃,保證工作面的正確平穩(wěn)推進(jìn)。在液壓支架控制器上輸入工作面高度修正值或在槽控室上位機(jī)上輸入工作面高度修正值,即可得到工作面對(duì)應(yīng)的采割曲線。采煤機(jī)執(zhí)行工控平臺(tái)的路徑規(guī)劃功能。在綜采工作面內(nèi),因無法確定地理基準(zhǔn)點(diǎn),所以工作面自動(dòng)推進(jìn)時(shí),無法保證工作面平直,這是制約智能化工作面的一個(gè)重要因素。如圖4所示,采用陀螺儀等技術(shù),工控平臺(tái)可以計(jì)算出刮板運(yùn)輸機(jī)的位置曲線?；谝簤褐Ъ?、采煤機(jī)和刮板運(yùn)輸機(jī)的實(shí)時(shí)位置,工控平臺(tái)可以生成采煤機(jī)6次循環(huán)的路徑規(guī)劃。采煤機(jī)、刮板運(yùn)輸機(jī)和液壓支架系統(tǒng)執(zhí)行此路徑規(guī)劃,實(shí)現(xiàn)工作面平直控制和智能推進(jìn)。

圖4 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)工作面布置圖Fig.4 Layout of inertial navigation system of the working face

2.4 三機(jī)、順槽皮帶機(jī)、泵站控制系統(tǒng)

刮板運(yùn)輸機(jī)的平直是采煤工作面中實(shí)現(xiàn)“三直兩平”的關(guān)鍵。如圖5所示,基于三機(jī)的位置,通過工作面液壓支架進(jìn)行調(diào)整,實(shí)現(xiàn)刮板運(yùn)輸機(jī)和工作面液壓支架的平直。通過分析安裝在工作面端頭的視頻攝像頭圖像,工控平臺(tái)可以對(duì)大塊煤進(jìn)行識(shí)別,對(duì)轉(zhuǎn)載機(jī)進(jìn)行保護(hù)。泵站控制作為智能工作面的組成部分,包含就地控制、邏輯控制和智能控制功能。

圖5 三機(jī)/順槽運(yùn)輸機(jī)控制布置圖Fig.5 Control layout of three-machine/gateway conveyor

2.5 工作面視頻系統(tǒng)

工作面視頻系統(tǒng)由安裝在工作面內(nèi)的云臺(tái)攝像頭組成,通過數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)將視頻圖像傳輸?shù)焦た仄脚_(tái)。工控平臺(tái)通過圖像識(shí)別和圖像比對(duì),確認(rèn)工作面內(nèi)護(hù)幫板的位置、刮板運(yùn)輸機(jī)的位置、支架底座前端的位置、煤壁以及頂板的狀態(tài)。基于分析結(jié)果,對(duì)采煤機(jī)和液壓支架進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整,保證工作面平直,提高對(duì)煤壁和頂板的支撐質(zhì)量,防止煤機(jī)和支架間的干涉。

通過對(duì)大塊煤的構(gòu)造識(shí)別，進(jìn)一步保護(hù)轉(zhuǎn)載機(jī)。視頻系統(tǒng)也可以簡(jiǎn)單地作為操作人員眼睛的延伸。此外還可以通過視頻攝像避免可能出現(xiàn)漏架的情況。如圖6所示,按照工作面設(shè)計(jì)要求安裝攝像頭,通常每4架安裝一臺(tái)工作面攝像頭,一般安裝在支架頂梁處。對(duì)于大采高工作面,可以通過設(shè)計(jì)攝像頭的安裝方式,滿足對(duì)頂板、底板觀察的要求。視頻攝像頭由控制器供電和控制。安裝在工作面端頭的攝像頭(超前支架、轉(zhuǎn)載、破碎、順槽皮帶、泵站)經(jīng)過節(jié)點(diǎn)交換機(jī)將視頻圖像傳輸?shù)娇刂剖摇?/p>

圖6 工作面攝像頭連接示意圖Fig.6 Connection diagram of cameras on the working face

3 智能化開采安全監(jiān)控系統(tǒng)

3.1 工作面礦壓、地質(zhì)信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

工作面礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為智能化開采安全監(jiān)控系統(tǒng)的組成部分。工控平臺(tái)對(duì)來自工作面立柱壓力數(shù)據(jù),巷道超前支架立柱壓力數(shù)據(jù)以及順槽頂板位移傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,生成工作面礦壓分布曲線以及液壓支架支護(hù)規(guī)劃。如圖7所示,系統(tǒng)由工作面壓力傳感器、超前支架壓力傳感器、巷道壓力位移測(cè)量元件等組成。通過地質(zhì)雷達(dá)(Ground Penetrating Radar, GPR)的無線電波檢測(cè)或其他技術(shù),檢測(cè)回采走向上的介質(zhì)分布,同時(shí)對(duì)不可見目標(biāo)體或地下界面進(jìn)行掃描,以確定井下工作面煤層地質(zhì)條件,建立真實(shí)、精確、動(dòng)態(tài)的工作面煤層地質(zhì)模型。

圖7 工作面礦壓分析連接Fig.7 Connection diagram for ground pressure analysis of the working face

3.2 工作面人員定位功能

工作面人員的定位通過施工人員攜帶的RFID射頻發(fā)射器和工作面電液控制系統(tǒng)控制器進(jìn)行雙向通訊。RFID數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)進(jìn)入到工控上位機(jī)。工控平臺(tái)依據(jù)人員位置、人員權(quán)限及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等,制定相應(yīng)保護(hù)措施。如圖8所示,系統(tǒng)由順槽和工作面人員無線定位卡、交換機(jī)、控制室組成。

圖8 人員定位系統(tǒng)布置圖Fig.8 Layout of personnel positioning system

3.3 工作面環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

工作面環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括安裝在工作面上的環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器,通過數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)進(jìn)入到工控平臺(tái),礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可通過交換機(jī)進(jìn)入到工控平臺(tái),工控平臺(tái)接收文本格式數(shù)據(jù)。如圖9所示,系統(tǒng)由環(huán)境檢測(cè)傳感器(粉塵傳感器、瓦斯傳感器、二氧化碳傳感器)和工控平臺(tái)組成。

圖9 環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置圖Fig.9 Layout of environmental monitoring system

4 應(yīng)用預(yù)期成果

納林河二號(hào)井102工作面已經(jīng)完成設(shè)備井下單機(jī)調(diào)試及聯(lián)合試運(yùn)轉(zhuǎn)監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀況、工作面視頻跟機(jī)自動(dòng)切換、監(jiān)測(cè)工作面運(yùn)行狀態(tài)等工作。如圖10所示,智能化設(shè)備監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，在井下工作面智能化系統(tǒng)能夠較好地滿足生產(chǎn)和安全要求。后期將分步從納林河二號(hào)井的回采工藝、技術(shù)裝備等方面入手,查找智能化割煤的影響因素,并提出解決方案。本著政策先行,技術(shù)裝備逐步跟進(jìn)的原則,將影響智能化割煤的問題逐一解決,使現(xiàn)有的有人監(jiān)護(hù)智能化割煤成為常態(tài),到年底基本實(shí)現(xiàn)工作面智能化割煤產(chǎn)量達(dá)到月度計(jì)劃煤量的80%。根據(jù)技術(shù)裝備水平和人員素質(zhì)情況,逐步精簡(jiǎn)智能化工作面崗位設(shè)置及人員數(shù)量以實(shí)現(xiàn)智能化開采。

圖10 工作面圖像識(shí)別結(jié)果Fig.10 Image recognition results of the working face

5 結(jié)論

煤礦智能化在井下系統(tǒng)應(yīng)用主要包括電液控系統(tǒng)、三機(jī)控制通訊系統(tǒng)、智能刮板控制系統(tǒng)等。以煤礦智能化開采及智慧礦山建設(shè)為框架,構(gòu)建以遠(yuǎn)程一鍵式啟停、自動(dòng)開采為主,遠(yuǎn)程人工干預(yù)為輔，特別是在滿足井下人員安全與生產(chǎn)高效的前提下,以最終實(shí)現(xiàn)無人值守為目標(biāo)的減人、提效開采模式,融合采煤機(jī)自動(dòng)截割、液壓支架及端頭支架的自動(dòng)移架、運(yùn)輸系統(tǒng)智能運(yùn)行、遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控、工作面遠(yuǎn)程集控等關(guān)鍵技術(shù)。實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜地質(zhì)工作條件下整個(gè)采煤工作面的有人巡視、無人操作、遠(yuǎn)程干預(yù)、安全高效、綠色節(jié)能的智慧運(yùn)營(yíng)模式。