田 誠，王 恒

(西安重裝智慧礦山工程技術(shù)有限公司，陜西省西安市，710032)

0 引言

為了深入貫徹落實習(xí)近平總書記“四個革命、一個合作”能源安全新戰(zhàn)略，加快推進煤炭行業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，推動智能化技術(shù)與煤炭產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展，提升煤礦智能化和本質(zhì)安全水平，從根本上消除事故隱患，陜煤集團陜北礦業(yè)張家峁煤礦(以下簡稱張家峁煤礦)于2020年11月1日啟動了礦井智能化升級改造，從建設(shè)理念、系統(tǒng)架構(gòu)、智能技術(shù)等方面進行了積極探索與實踐，根據(jù)煤層賦存條件、煤礦類型與規(guī)模，凝練可復(fù)制的智能化建設(shè)模式，盡快實現(xiàn)“系統(tǒng)智能化、智能系統(tǒng)化”，推動“機械化換人、自動化減人、智能化無人”的落地，有效降低工人的勞動強度，改善和提高井下安全生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境，為能源領(lǐng)域“新基建”奠定基礎(chǔ)[1-2]。

1 15211綜采工作面概況

張家峁煤礦15211綜采工作面基本頂為淺灰色洗粒砂巖，厚層狀，主要成分為長石、石英、泥質(zhì)膠結(jié)，微波狀及水平層理，夾灰色粉砂巖薄層，厚度為20.23 m，頂板巖石飽和抗壓強度平均為17.9 MPa，屬較穩(wěn)定型頂板。直接底板為灰色粉砂巖，中厚層狀，以長石、石英、泥質(zhì)膠結(jié)為主，并含有大量植物根部化石，微波狀及水平層理，厚度為1.25 m，底板巖石飽和抗壓強度平均為26.5 MPa，屬于較軟類底板(Ⅲb)。

15211綜采工作面總的構(gòu)造類型為單一走向NS向、向西北傾斜的單斜構(gòu)造，從工作面運輸巷、切眼、回撤通道掘進過程中及鄰近綜采工作面回采過程中僅在局部地段煤層存在寬緩起伏，屬于地質(zhì)條件較簡單區(qū)類，在設(shè)計上采用“兩進一回”布置方式，開切眼長度為297 m，推采距離為2 066 m，回采面積為613 602 m2，采用單一走向長壁式采煤法、綜合機械化采煤工藝、后退式推進以及全部垮落法管理頂板。

15211綜采工作面機頭采用4架端頭支架(型號為ZYT12000/28/63D)，機頭機尾各使用2架過渡支架(型號為ZYGD12000/28/63D)，中間支架型號為ZY12000/28/63D，采煤機型號為艾柯夫SL900，破碎機型號為PCM400,刮板輸送機型號為SGZ1250/300，轉(zhuǎn)載機型號為SZZ1550/525，運輸巷和回風(fēng)巷均采用型號為ZYDC5150/27/47的超前支架進行頂板支護。

2 智能化改造

2.1 控制室監(jiān)測改造

本次改造的控制室監(jiān)測部分旨在建立井下綜采工作面生產(chǎn)調(diào)度監(jiān)控指揮中心，實現(xiàn)對綜采工作面設(shè)備采煤機、液壓支架、刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機、破碎機、乳化液泵站、噴霧泵站、組合開關(guān)等綜采設(shè)備的監(jiān)控，從而實現(xiàn)工作面集中自動化控制。 本次改造增加的控制室監(jiān)測功能如下。

(1)采煤機工況顯示，包括牽引方向、速度、電流、牽引變頻器溫度、截割電流、電機溫度、左右滾筒高度、機身仰俯角度以及采煤機在工作面的位置等。

(2)刮板輸送機的工況顯示，包括輸送機的啟停狀態(tài)、工作電流、工作電壓等。

(3)液壓支架工況顯示，包括各支架壓力值、各支架推移行程、各電磁閥動作狀態(tài)、煤機位置、主機與工作面控制系統(tǒng)通信狀態(tài)等。

(4)工作面設(shè)備與監(jiān)控中心各主控計算機的通信狀態(tài)顯示。

(5)工作面設(shè)備保護信息顯示，包括漏電、斷相、過載、各種故障狀態(tài)、數(shù)字信號的反饋等。

(6)工作面語音系統(tǒng)狀態(tài)顯示，包括電話閉鎖狀態(tài)顯示、急停狀態(tài)顯示和斷路位置顯示(斷路的具體架號)。

(7)歷史故障查詢，對所有可能出現(xiàn)故障的地方進行記錄。

(8)工作面視頻顯示，監(jiān)控中心可對視頻進行管理、查詢、存儲。

改造前，15211綜采工作面設(shè)備概況均通過設(shè)備自帶操作界面進行提供，每種設(shè)備的運行情況及相應(yīng)參數(shù)需要在對應(yīng)設(shè)備的操作控制界面查看，同時由專人記錄并電話報告。改造后，增加的控制室監(jiān)測功能使得井下工作人員在工作面控制室內(nèi)便可對所有設(shè)備的數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測，同時將數(shù)據(jù)傳輸至地面調(diào)度室，地面工作人員可以實時了解15211綜采工作面的當前狀況并進行工作安排。經(jīng)過此次改造，大大降低了現(xiàn)場工作人員記錄對應(yīng)設(shè)備運行狀態(tài)的工作量，同時地面與井下的數(shù)據(jù)同步顯示使得地面調(diào)度室對井下設(shè)備狀況及工作面當前狀況有了更加實時充分地了解，明顯提高了工作人員對工作面的風(fēng)險感知能力和設(shè)備管理效率。

2.2 控制功能改造

本次改造的控制功能主要實現(xiàn)對采煤機、液壓支架、刮板輸送機的遠程控制和集中控制[3-4]。

(1)采煤機遠程控制。依據(jù)采煤機主機系統(tǒng)及工作面視頻，通過操作采煤機遠程操作臺實現(xiàn)對采煤機的遠程控制，遠程控制功能包括采煤機滾筒升、降、左牽、右牽、急停等動作，控制延時不超過500 ms。15211綜采工作面采煤機工況顯示如圖1所示。

圖1 15211綜采工作面采煤機工況顯示

(2)液壓支架遠程控制。以電液控計算機主畫面和工作面視頻畫面為輔助手段，通過操作支架遠程操作臺實現(xiàn)對液壓支架的遠程控制，遠程控制功能包括液壓支架成組推溜、成組伸收護幫等動作，并滿足成組動作選方向要求，控制延時不超過500 ms。15211綜采工作面液壓支架工況顯示如圖2所示。

圖2 15211綜采工作面液壓支架工況顯示

(3)刮板輸送機遠程控制。工作面運輸設(shè)備控制系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)傳輸功能，綜采自動化與此系統(tǒng)進行通訊，通訊協(xié)議為MODBUS RTU，接口為RS485，實現(xiàn)對刮板輸送機的單設(shè)備遠程啟?？刂疲瑢崿F(xiàn)對刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機、破碎機及帶式輸送機的順序遠程啟?？刂?啟動順序：帶式輸送機→破碎機→轉(zhuǎn)載機→刮板輸送機；停止順序：刮板輸送機→轉(zhuǎn)載機→破碎機→帶式輸送機),開關(guān)狀態(tài)顯示包括各個回路運行狀態(tài)、電流大小、電壓大小以及漏電、斷相、過載等故障狀態(tài)。

改造前，15211綜采工作面的控制方式主要是以工作人員現(xiàn)場操作為主，液壓支架的控制以現(xiàn)場支架工手動操作支架電液控制系統(tǒng)從而完成移架、推溜等動作，采煤機的控制以現(xiàn)場采煤機司機通過遙控進行手動控制割煤，不僅需要大量人員在工作面現(xiàn)場作業(yè)，同時危險系數(shù)較高且效率低下。改造后，工作人員配合現(xiàn)場的視頻系統(tǒng)，可以實現(xiàn)在工作面外組織生產(chǎn)，大大的降低了生產(chǎn)風(fēng)險與人工成本，同時提高了生產(chǎn)效率。

2.3 綜采工作面視頻系統(tǒng)改造

在15211綜采工作面布置視頻系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用4K+AI+5G網(wǎng)絡(luò)攝像儀，實現(xiàn)4K超高清視頻與5G技術(shù)相結(jié)合，進而實現(xiàn)超高清視頻監(jiān)控、遠程現(xiàn)場實時展示等功能。在15211綜采工作面，每6個支架配備2臺4K+AI+5G網(wǎng)絡(luò)攝像儀，監(jiān)視采煤機割煤情況以及行人通道情況。其中1臺安裝于支架的頂梁并面向煤壁，用于監(jiān)視采煤機滾筒，另外1臺面向支架，用于監(jiān)視行人通道。在刮板輸送機機頭和機尾、轉(zhuǎn)載點、帶式輸送機機頭處各安裝1臺礦用本質(zhì)安全型攝像儀，進行實時監(jiān)控。地面錄像服務(wù)器僅對重點采集點(采煤機工作區(qū)域、監(jiān)控中心及其他相關(guān)采集點)的視頻進行動態(tài)錄像，且錄像存儲時間不小于15 d。

改造前，15211綜采工作面由支架巡檢工進行檢查并記錄，同時通過現(xiàn)場的語音喊話設(shè)備進行溝通與協(xié)調(diào)。改造后，增加的綜采工作面視頻系統(tǒng)將人的視覺從運輸巷直接延伸到綜采工作面，能夠?qū)崟r監(jiān)控綜采工作面的實際情況，實現(xiàn)無盲區(qū)可視化生產(chǎn)，方便指揮人員對綜采工作面的指揮與協(xié)調(diào)。此外，綜采工作面視頻系統(tǒng)減輕了對支架巡檢工的依賴，在降低人工成本的同時大大增加了現(xiàn)場的指揮效率，實現(xiàn)工作面少人化[5-6]。

2.4 采煤機智能化改造

通過本次采煤機智能化改造，實現(xiàn)了采煤機位置定位、姿態(tài)定位、遠程監(jiān)測與控制、自動割煤和自動化系統(tǒng)接口配置等主要功能。其中姿態(tài)定位、采高監(jiān)測、俯仰采監(jiān)測、自動割煤采用目前應(yīng)用較廣且相對成熟的記憶截割原理[7-9]。

(1)位置定位。采煤機位置定位就是對采煤機在工作面的相對位置進行實時的監(jiān)測和分析。位置定位越精確，記憶曲線就越平滑，自動化割煤的精度就越高。采用自主定位的方式具有斷電記憶功能，無需重復(fù)校零，定位精度可達到5 cm。

(2)姿態(tài)定位。采煤機姿態(tài)定位就是實時檢測采煤機左、右搖臂的采高量(或臥底量)，采煤機當前所在位置的工作面傾角和俯仰采角度，以及采煤機的行走方向、速度等工作時的姿態(tài)信息。采用自主定位方式具有斷電記憶的功能，采高檢測精度為1 cm，角度檢測精度為0.1°。

(3)遠程監(jiān)測與控制。采煤機具有遠程通訊功能，可在運輸巷或地面調(diào)度室對采煤機運行工況進行監(jiān)測，并可進行截割啟停、搖臂升降、牽引控制、記憶截割啟停、故障復(fù)位以及緊急停機等遠程控制。

(4)自動割煤。自動割煤以采煤機記憶截割為主，即采煤機進入學(xué)習(xí)模式，手動操作割煤作為示范刀(或稱基準刀)，控制系統(tǒng)采集、存儲采煤機在各個位置的行進方向、速度、左右搖臂高度等姿態(tài)信息，之后只要工作面的條件(如采高、頂?shù)装宓?沒有大的變化，采煤機在自動運行模式下根據(jù)記憶的工作參數(shù)自動割煤。當煤層條件發(fā)生變化時，需要本地或遠程人工干預(yù)。采煤機記憶截割特點為：一是除了工作面中部可以實現(xiàn)自動割煤外，還可以實現(xiàn)兩個端頭的自動斜切、割三角煤、清浮煤等割煤工藝；二是可以實現(xiàn)人工干預(yù)時自動化割煤工序的有序進行以及各個割煤動作的自由切換；三是可以滿足不同工作面的不同割煤工藝對記憶截割軟件的個性化要求，且操作簡潔。

(5)自動化系統(tǒng)接口配置。15211綜采工作面采煤機控制系統(tǒng)主要由采煤機主機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、遠程控制臺組件、軟件系統(tǒng)四大配置組成，其中采煤機主機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要負責(zé)自動化運行過程中的采高、位置、姿態(tài)等數(shù)據(jù)，保證自動化的正常運行。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主要負責(zé)采煤機整機的基本數(shù)據(jù)和自動化數(shù)據(jù)的實時傳輸，采用RS485和以太網(wǎng)接口，通過動力電纜控制芯線和光纖傳輸。遠程控制臺組件主要用于實現(xiàn)對采煤機的遠程控制和為第三方提供數(shù)據(jù)傳輸以及通訊接口的功能。軟件系統(tǒng)除了基本型采煤機包含的以外，還包含“22象限”記憶截割軟件、遠程數(shù)據(jù)傳輸軟件、第三方數(shù)據(jù)通訊軟件。

改造前，15211綜采工作面生產(chǎn)方式以采煤機司機的現(xiàn)場操控為主，作業(yè)人員根據(jù)現(xiàn)場情況對采煤機進行操作，同時支架工輔以人工拉架，經(jīng)常會導(dǎo)致三角煤切割不均勻、返刀頻繁、人工清煤等。改造后，增加采煤機控制系統(tǒng)實現(xiàn)智能化快速記憶截割自動運行及遠程干預(yù)控制，與此同時搭配工作面視頻系統(tǒng)和支架遠控系統(tǒng)，實現(xiàn)生產(chǎn)時液壓支架自動跟隨采煤機完成降移升及自動推溜功能，基本實現(xiàn)工作面“無人操作”。

2.5 刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機、破碎機控制改造

15211工作面采用了最新研發(fā)的KTC150通訊控制系統(tǒng)，兼有原KTC150系統(tǒng)所有功能并突破了原KTC150系統(tǒng)的限制，在井下多設(shè)備控制時可作為區(qū)域主機使用，并可根據(jù)客戶需求繪制個性化的人機界面，實現(xiàn)實時監(jiān)測和可靠控制。在原有控制基礎(chǔ)上，通過主控制器豐富的輸入輸出，實現(xiàn)刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機、破碎機的啟?？刂萍盃顟B(tài)檢測。

改造前，15211綜采工作面的刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機、破碎機控制主要依靠自帶的控制系統(tǒng)，不包含聯(lián)鎖功能，需要工作人員在預(yù)備生產(chǎn)時單獨啟動。為了使刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機、破碎機的控制更為便捷，對刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機、破碎機的控制進行改造。改造后，系統(tǒng)通過控制器配置實現(xiàn)了集中控制(由地面或其他主控計算機對KTC150系統(tǒng)進行遠程邏輯控制)、就地控制(由KTC150系統(tǒng)進行設(shè)備煤流聯(lián)鎖控制)、檢修控制(由KTC150系統(tǒng)進行單臺設(shè)備控制)、點動控制等多種方式(由KTC150系統(tǒng)進行單臺電機控制)，使得刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機、破碎機的控制更為便捷，生產(chǎn)效率更高。

2.6 泵站控制改造

為了提高控制效率，針對15211綜采工作面的泵站系統(tǒng)，自動化系統(tǒng)改造配置采用1臺主站、5臺分站、1臺網(wǎng)絡(luò)交換機以及連接器組成。分站與分站之間用連接器相連，連接方式采用快插的形式，最后安裝1臺多功能終端，作為整套控制系統(tǒng)的終結(jié)點[10]。從主控制器引出沿線，在每1臺乳化泵處放置1臺分站控制箱，用于實現(xiàn)泵站各傳感器信號(油壓，開關(guān)量；水壓，模擬量；油溫，開關(guān)量)的采集，同時實現(xiàn)各泵站的就地啟停、急停及運行狀態(tài)顯示。乳化液增壓泵和乳化液箱共用1臺分站控制箱，用于就近實現(xiàn)傳感器信號的接入及控制信號、急停信號的輸出。

改造前，泵站的控制主要由遠程供液巡檢工進行人為操作，通過工作面其他作業(yè)人員的喊話需求進行泵站的啟停。改造后，系統(tǒng)最終達成了所有泵的集中數(shù)據(jù)監(jiān)測，各泵站運行狀態(tài)圖形與動畫顯示，泵站急停顯示，沿線電纜斷路檢測及斷路位置顯示，各泵站的啟?？刂疲谜緣毫?、溫度、液位等保護，且各泵站的啟停控制邏輯關(guān)系可通過參數(shù)調(diào)整改變?，F(xiàn)在工作人員只需要在控制室便可進行泵站的相關(guān)控制，同時也可參考其他設(shè)備的運行情況對控制邏輯進行更改，大大提高了控制效率。

3 綜采工作面智能規(guī)劃協(xié)同控制改造

綜采工作面協(xié)同控制主要核心技術(shù)是采煤機、液壓支架和刮板輸送機之間的協(xié)作運行，從而安全、高效完成生產(chǎn)任務(wù)。15211綜采工作面采用采煤機自動割煤工藝，并根據(jù)三角煤割煤工藝協(xié)同控制采煤機割煤工序和軌跡[11]，采煤機與液壓支架電液控制系統(tǒng)和刮板運輸機根據(jù)三角煤工序智能協(xié)同控制，實現(xiàn)無人干預(yù)的全自動控制。15211綜采工作面協(xié)同控制示意圖見圖3。

圖3 15211綜采工作面協(xié)同控制示意圖

改造前，15211綜采工作面不能實現(xiàn)協(xié)同控制功能與規(guī)劃功能。改造后，實現(xiàn)了采煤機滾筒自適應(yīng)調(diào)高、液壓支架順序控制和刮板輸送機自動精準配合、煤流負荷平衡協(xié)調(diào)控制，同時實現(xiàn)了開采過程中的自適應(yīng)煤機規(guī)劃截割功能，達到工作面各設(shè)備規(guī)劃開采和精準協(xié)同自主割煤的少人化技術(shù)提升。

4 煤流負荷平衡控制改造

綜采工作面負載平衡控制包括采煤機聯(lián)動控制、支架聯(lián)動控制、泵站聯(lián)動控制、刮板輸送機聯(lián)動控制、轉(zhuǎn)載機聯(lián)動控制、破碎機聯(lián)動控制、帶式輸送機聯(lián)動控制及工作面聯(lián)動總控制。智能化控制系統(tǒng)具備智能煤流負荷平衡控制功能，通過分析綜采設(shè)備之間的制約關(guān)系，建立了綜采設(shè)備負荷平衡控制模型，依據(jù)該模型優(yōu)化刮板輸送機的負荷以節(jié)能運行，也可以優(yōu)化采煤機的速度以實現(xiàn)高產(chǎn)運行[12]。15211綜采工作面負載平衡控制示意圖見圖4。

圖4 15211綜采工作面負載平衡控制示意圖

改造前，15211綜采工作面不具有智能煤流負荷平衡控制功能，改造后，通過接收煤量負載信息，由主控中心根據(jù)負載及自身數(shù)據(jù)分析運算，一是實現(xiàn)刮板輸送機智能控制功能及生產(chǎn)均衡控制，根據(jù)采煤機滾筒電機、牽引電機的電流和溫度等數(shù)據(jù)、刮板輸送機電機電流溫度數(shù)據(jù)以及泵站等其他相關(guān)數(shù)據(jù)，智能分析煤流負荷，根據(jù)負荷情況調(diào)節(jié)牽引速度和轉(zhuǎn)速等；二是實現(xiàn)刮板輸送機斷鏈、斷電自動停止割煤；三是實現(xiàn)采煤機、刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機、破碎機和運輸巷帶式輸送機的聯(lián)動控制。

5 開采效益

張家峁煤礦15211綜采工作面實施智能化開采技術(shù)后，礦井實現(xiàn)了以下五大目標。

(1)實現(xiàn)了少人作業(yè)。15211綜采工作面在本次智能化改造之后，工作面生產(chǎn)班勞動班組人數(shù)大幅度下降，與原來手動拉架推溜對比，本次智能化改造在生產(chǎn)過程中極大地降低了支架工現(xiàn)場工作量和支架工的現(xiàn)場人數(shù)，同時采煤機在自動化割煤程序的應(yīng)用下，也大大減少了采煤機操作工人的工作量，控制臺的全方位遠程控制方便了檢修班組與生產(chǎn)班組開啟各類設(shè)備，與此同時工作面的全方位視頻覆蓋也大大增加了井上工作人員對井下情況的觀察和操作，進一步降低井下工作人員數(shù)量。本次改造使得采煤工作面生產(chǎn)班人數(shù)由原18～22人/班減少到8～12人/班。

(2)提高了生產(chǎn)效率。經(jīng)過此次改造，張家峁15211綜采工作面實現(xiàn)了工作面數(shù)字化和自動化開采，改造后工作面回采效率由原來11～13刀/d提高至13～15刀/d，回采工效提高20%～30%。

(3)實現(xiàn)了設(shè)備集中控制。通過“傳感、視頻、虛擬現(xiàn)實”的控制模式，實現(xiàn)了工作面所有生產(chǎn)設(shè)備集中控制+人工干預(yù)的協(xié)調(diào)聯(lián)動控制；同時實現(xiàn)了采煤機記憶割煤，液壓支架、刮板輸送機自動跟機作業(yè)，地面、井下“一鍵啟停”等功能，使采面設(shè)備的啟停、檢修工作效率提高了30%。

(4)實現(xiàn)了井上隨時查看井下設(shè)備狀態(tài)。本次智能化改造對井下設(shè)備的問題做到“早知、早覺、早處理”，大大提高了生產(chǎn)的安全性與危險的預(yù)警性。同時建立了井下綜采工作面生產(chǎn)調(diào)度監(jiān)控指揮中心，實現(xiàn)工作面集中自動化控制，降低了工作面的管理難度與生產(chǎn)工作的指揮難度。

(5)提高了對工作面開采的預(yù)判性。本次智能化改造包含礦壓分析周期來壓預(yù)警、規(guī)劃開采等系統(tǒng)，便于綜采隊及時根據(jù)情況更改采煤工藝、人員安排等開采計劃，使后續(xù)生產(chǎn)效率提高25%。

6 結(jié)語

本次張家峁煤礦15211綜采工作面智能化開采技術(shù)的順利實施和智能化裝備的成功運用，標志著智能化開采工藝在安全、高產(chǎn)、高效等多方面取得了顯著成效，響應(yīng)了陜煤集團“全面推進兩化融合、建設(shè)智慧礦井”的號召，同時也提高了張家峁煤礦自身的效益。