李廣友

（陽(yáng)煤集團(tuán)壽陽(yáng)開元礦業(yè)有限責(zé)任公司，山西 壽陽(yáng) 045400）

引言

煤炭作為勞動(dòng)密集型企業(yè)，井下綜采人員數(shù)量多、人均產(chǎn)能不足，已經(jīng)成為限制煤礦經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)一步提升的關(guān)鍵。特別是在復(fù)雜煤層條件下，采區(qū)圍巖穩(wěn)定性差，在礦壓波動(dòng)和綜采擾動(dòng)下的巷道頂板變形量大、信號(hào)干擾大等，采煤機(jī)、液壓支架的工作過(guò)程還是以人工控制為主，缺少統(tǒng)一的聯(lián)合控制方法，難以實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)、液壓支架的聯(lián)動(dòng)運(yùn)行，而且由于礦壓波動(dòng)大，導(dǎo)致液壓支架支護(hù)過(guò)程中需要頻繁調(diào)整支護(hù)阻力，依靠人工調(diào)節(jié)不僅效率低，而且精度差，給煤礦井下的綜采作業(yè)安全造成了較大的影響。隨著自動(dòng)化控制技術(shù)和高速通信技術(shù)的發(fā)展，一種新的煤礦井下自動(dòng)綜采關(guān)鍵工藝逐步得到推廣應(yīng)用。

1 煤礦井下高速通信系統(tǒng)

要實(shí)現(xiàn)煤礦井下的自動(dòng)化控制，首先需要滿足井下數(shù)據(jù)通信便捷、高效、安全、抗干擾性的需求。通過(guò)對(duì)井下設(shè)備運(yùn)行時(shí)通信量的分析，網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)的容量至少應(yīng)滿足6 GB 數(shù)據(jù)的通信需求，因此開元公司擬建立最大通信容量為10 GB的通信網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)以工業(yè)以太網(wǎng)為核心，包括地面通信網(wǎng)絡(luò)和井下通信網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)部分，中間通過(guò)雙配置交換機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)和分析。

煤礦井下每個(gè)采區(qū)設(shè)置一個(gè)局域交換機(jī)，確保該采區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)的分析和存儲(chǔ)，井下交換機(jī)選擇KJJ12 本質(zhì)安全性交換機(jī)[1]，每個(gè)交換機(jī)上設(shè)置一個(gè)隔爆電源箱，確保緊急情況下交換機(jī)的供電安全性和可靠性，該通信系統(tǒng)具有關(guān)鍵數(shù)據(jù)優(yōu)先上報(bào)功能，對(duì)關(guān)鍵數(shù)據(jù)（重大異常、過(guò)電流、短路、瓦斯等）進(jìn)行標(biāo)定，出現(xiàn)該類數(shù)據(jù)時(shí)能夠獲得優(yōu)先通信權(quán)限，滿足輸出傳輸效率和安全性的需求。

井下綜采面采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架均處在不斷移動(dòng)的狀態(tài)，使用傳統(tǒng)的有線通信的方案雖然傳輸穩(wěn)定性較好，但電纜過(guò)長(zhǎng)，容易出現(xiàn)斷裂、損壞等，影響數(shù)據(jù)通信的穩(wěn)定性。因此本文提出建立5G 無(wú)線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)回采工作面設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和無(wú)線傳輸，通過(guò)增加基站密度能有效克服傳統(tǒng)無(wú)線通信易被干擾的情況，增加了采煤機(jī)、液壓支架的運(yùn)行靈活性。

2 綜采面智能控制系統(tǒng)

建立煤礦井下綜采面智能控制系統(tǒng)的目的在于實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)和液壓支架的聯(lián)動(dòng)運(yùn)行[2]，因此該智能控制系統(tǒng)需要將采煤機(jī)、液壓支架的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和控制納入集中控制平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的聯(lián)合運(yùn)行控制。新的綜采面智能控制系統(tǒng)包括遠(yuǎn)程監(jiān)控集中控制、電液集中控制以及紅外線位置定位模塊，其整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 綜采面智能控制結(jié)構(gòu)示意圖

工作面在割煤過(guò)程中需要不斷調(diào)節(jié)液壓支架的支護(hù)狀態(tài)，滿足升架、移架、收放護(hù)幫板等動(dòng)作，因此需要對(duì)采煤機(jī)和液壓支架的相對(duì)位置狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)各支架相對(duì)于采煤機(jī)的位置對(duì)其支護(hù)狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。為了滿足自動(dòng)控制的需求，對(duì)采煤機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行了相應(yīng)的改造，形成了以記憶截割為核心的自動(dòng)控制方案，首先利用作業(yè)人員人工控制采煤機(jī)完成一個(gè)循環(huán)的截割作業(yè)，系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)截割過(guò)程中的點(diǎn)位進(jìn)行捕捉和跟蹤，形成記憶截割軌跡，在轉(zhuǎn)入記憶截割控制后系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)取相應(yīng)的路徑并加以修正，滿足連續(xù)作業(yè)的需求，由于井下地質(zhì)條件相對(duì)復(fù)雜，因此系統(tǒng)還保留了遠(yuǎn)程視頻控制模式，能夠在復(fù)雜地質(zhì)條件下轉(zhuǎn)換為人工遠(yuǎn)程操控，滿足截割作業(yè)安全性需求。

在采煤機(jī)機(jī)身上設(shè)置有紅外線信號(hào)接收器，在每個(gè)液壓支架上設(shè)置有紅外線信號(hào)發(fā)射器，通過(guò)識(shí)別不同的紅外線信號(hào)，來(lái)判斷采煤機(jī)相對(duì)液壓支架組的相對(duì)位置狀態(tài)，根據(jù)不同的位置來(lái)控制相應(yīng)液壓支架的自動(dòng)跟機(jī)、移架、收放護(hù)幫板等，液壓支架的跟機(jī)控制流程如圖2 所示[3]。

圖2 液壓支架跟機(jī)控制流程示意圖

由圖2 可知，在該控制系統(tǒng)中采煤機(jī)機(jī)身范圍內(nèi)的液壓支架均要開啟噴霧降塵裝置，滿足截割作業(yè)過(guò)程中的降塵需求，采煤機(jī)前進(jìn)方向上的液壓支架開始進(jìn)行收護(hù)幫板，防止截割作業(yè)過(guò)程中碰到護(hù)幫板，截割過(guò)后進(jìn)行液壓支架的收架和推溜。

3 支架自動(dòng)補(bǔ)壓控制系統(tǒng)

液壓支架依靠支護(hù)阻力來(lái)限制圍巖和頂板的下移，因此保證支架的支護(hù)阻力在一個(gè)合理的范圍，對(duì)提高圍巖穩(wěn)定性，確保回采作業(yè)安全具有十分重要的意義，在實(shí)際支護(hù)過(guò)程中由于存在著流矸、頂板壓力波動(dòng)影響等，導(dǎo)致液壓支架的支護(hù)壓力不斷變化，進(jìn)而引起支護(hù)阻力的變動(dòng)，給支護(hù)安全造成了較大影響。本文提出了一種新的支架自動(dòng)補(bǔ)壓控制系統(tǒng)（見(jiàn)圖3）[4]，假設(shè)支架工作時(shí)的最佳支護(hù)壓力為P2，則系統(tǒng)設(shè)定兩個(gè)補(bǔ)壓下限值P1/P0，對(duì)應(yīng)的在系統(tǒng)上設(shè)置相應(yīng)的補(bǔ)壓延遲時(shí)間（T0/T1/T2）進(jìn)行階梯式補(bǔ)壓，避免一次補(bǔ)壓過(guò)快導(dǎo)致的泄漏。當(dāng)系統(tǒng)壓力下降到相應(yīng)的下限值后自動(dòng)激活補(bǔ)壓，實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)液壓支架組支護(hù)阻力的自動(dòng)監(jiān)測(cè)和調(diào)整，解決了人工調(diào)整控制速度慢、精度低的不足，有效提升了井下支護(hù)效率和安全性。

圖3 自動(dòng)補(bǔ)壓控制系統(tǒng)補(bǔ)壓方案

4 結(jié)論

1）5G 無(wú)線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)能夠滿足井下數(shù)據(jù)快速、便捷、安全的通信需求，解決了有線傳輸線路過(guò)程、易損壞、安全性差的缺陷；

2）井下綜采智能控制系統(tǒng)，利用記憶截割控制實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)的自動(dòng)運(yùn)行控制，利用紅外線定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)、液壓支架相對(duì)位置狀態(tài)的自動(dòng)判定，控制液壓支架執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)和液壓支架的聯(lián)動(dòng)運(yùn)行；

3）液壓支架自動(dòng)補(bǔ)壓系統(tǒng)，能夠?qū)χЪ苓M(jìn)行分階段自動(dòng)補(bǔ)壓，確保支護(hù)過(guò)程中支架支護(hù)阻力的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)液壓支架組支護(hù)阻力的自動(dòng)監(jiān)測(cè)和調(diào)整，解決人工調(diào)整控制速度慢、精度低的不足。