陳拓其，趙祥岍，鐘 凱，高振國

(1.榆林職業(yè)技術(shù)學院 礦業(yè)工程系，山西 榆林 719000； 2.中國礦業(yè)大學 礦業(yè)工程學院，江蘇 徐州 221116；3.神東錦界煤礦，山西 榆林 719001)

伴隨國民經(jīng)濟的發(fā)展，能源與環(huán)境問題愈發(fā)突出。當前我國對能源需求量空前提高，而作為新能源代表的水能、風能、核聚變能及地熱能等受限于現(xiàn)階段開發(fā)技術(shù)，無法支撐我國經(jīng)濟、科技等發(fā)展[1]。雖然，近年來，煤炭在我國能源結(jié)構(gòu)中占比不斷降低，但緩慢下降趨勢表明，煤炭短期內(nèi)仍是無法被取代的資源。研究安全、經(jīng)濟、高效的煤炭開采技術(shù)，是實現(xiàn)我國能源可持續(xù)發(fā)展的有效途徑和必由之路[2]。綜合機械化裝備于上世紀70年代引入我國，經(jīng)過40多年發(fā)展，我國綜合機械化裝備發(fā)展從消化吸收到完成創(chuàng)新趕超、引領(lǐng)發(fā)展的巨大突破[3-8]。煤炭產(chǎn)能大幅提升，煤礦百萬噸死亡率大幅下降[9-11]，但井下以人工操作為主要生產(chǎn)手段的狀況并未改變，只有將工人從生產(chǎn)崗位解放出來，僅需少量人員巡檢，才是實現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)的發(fā)展方向[12-15]。根據(jù)國家提出“中國制造2025”的發(fā)展目標及工業(yè)智能化發(fā)展的方向，建立“機器替代人工”、工作面少人化、無人化的智慧礦山、煤礦向智能化轉(zhuǎn)型發(fā)展是必然趨勢，是順應當代工業(yè)發(fā)展的必然結(jié)果。

近些年，國內(nèi)專家根據(jù)我國煤炭賦存形式多樣的條件，針對性展開了系統(tǒng)研究，王國法院士等人分析了我國煤礦智能化初級階段發(fā)展的任務、目標以及研究難點，提出了智能化煤礦總體架構(gòu)，并完成超大采高綜采智能化成套裝備研發(fā)，使我國裝備智能化水平走在世界前列[6-8]；峰峰集團薛村礦通過改進液壓支架、采煤機等裝備實現(xiàn)薄煤層無人自動化開采，年產(chǎn)量提高至百萬噸[11]。十九大以來，我國進入偉大復興高速發(fā)展時期，國家能源集團作為我國能源領(lǐng)軍企業(yè)，在黨中央領(lǐng)導下，正努力建設(shè)具有全球競爭力的世界一流能源集團，選擇了神東錦界煤礦作為智能礦山自動化開采項目試點，共包括1個平臺(智能礦山平臺)，2個系統(tǒng)建設(shè)(生產(chǎn)控制系統(tǒng)、生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng))和采掘設(shè)備、主運系統(tǒng)等21個子系統(tǒng)自動化改造及井上下IT基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。

1 智能礦山自動化開采建設(shè)

榆神礦區(qū)位于陜西榆林市北部神木縣以西，錦界煤礦是該礦區(qū)二期規(guī)劃重點建設(shè)的礦井。錦界煤礦東西長12 km，南北長12.55 km，原設(shè)計生產(chǎn)能力10 Mt/a。礦井采用斜井、平硐、立井聯(lián)合開拓，主運輸系統(tǒng)均采用集控化膠帶輸送機，輔助運輸任務由無軌膠輪車完成。

1.1 礦山自動化建設(shè)原理

智能礦山自動化開采技術(shù)以實現(xiàn)井下綜采、連掘工作面自動化作業(yè)和運輸、通風、排水、輔助運輸自動一體化操作為目標，以采煤機和液壓支架的截割、跟進相互配合與破碎機和靈敏感知的遠程監(jiān)控操作為手段，以建設(shè)智能平臺、生產(chǎn)控制、執(zhí)行系統(tǒng)為核心，實現(xiàn)信息采集全覆蓋、數(shù)據(jù)資源全共享、統(tǒng)計分析全自動、業(yè)務管理全透明、人機狀態(tài)全監(jiān)控、生產(chǎn)過程全記錄。

1.2 礦山自動化建設(shè)方案

錦界智能礦山建設(shè)總體規(guī)劃為5層架構(gòu)，智能礦山自動化管理架構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能礦山自動化管理架構(gòu)Fig.1 Intelligent mine automation management architecture

重點針對生產(chǎn)控制層和生產(chǎn)執(zhí)行層內(nèi)容進行改造建設(shè)，智能礦山建設(shè)主要內(nèi)容如圖2所示。

圖2 智能礦山建設(shè)主要內(nèi)容Fig.2 Main contents of intelligent mine construction

2 系統(tǒng)自動化控制技術(shù)

2.1 工作面設(shè)備控制技術(shù)

通過在工作面安設(shè)無線通訊設(shè)備，實現(xiàn)集中控制器對采煤機、支架和輸送機遠程控制。采煤機根據(jù)開切眼記憶軌跡進行割煤，記憶軌跡可由集控器重新設(shè)置。同時，改造了采煤機電控系統(tǒng)，加裝了定位、傾角、采高傳感器和煤巖識別設(shè)備，數(shù)據(jù)經(jīng)集控系統(tǒng)處理后傳至支架電控系統(tǒng)，完成跟機移架作業(yè)。采煤機在工作面行走時根據(jù)監(jiān)測D齒輪脈沖來確認煤機位置，以支架編號來確認煤機位置，精確到0.1支架。在左右牽引部上安裝有復位傳感器，在機頭尾過渡槽幫上焊接有復位磁鐵，當煤機行走靠近磁鐵時系統(tǒng)監(jiān)測到復位信號，自動修正采煤機位置，為兩端極限位置停機提供保障。液壓支架均安裝了紅外發(fā)射器，配合煤機定位傳感器，使集控系統(tǒng)對采煤機精確定位并控制直接提前收起或追擊伸出護幫板，采煤機定位修正原理如圖3所示。轉(zhuǎn)載機設(shè)有負荷傳感器，當載荷量過大時，集控系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)，對刮板輸送機發(fā)出停機命令。

圖3 采煤機定位修正原理Fig.3 Schematic diagram of coal machine positioning correction

2.2 泵站控制技術(shù)

通過在泵站安設(shè)溫度、壓力傳感器實現(xiàn)對泵站運行時溫度、油壓、水壓、各管路壓力進行實時監(jiān)測，集控系統(tǒng)根據(jù)反饋壓力和溫度控制電磁閥，實現(xiàn)泵站加載、卸載及停泵的操作。

2.3 無線通信技術(shù)

為實現(xiàn)工作面與調(diào)度中心數(shù)據(jù)的高速傳輸，通過在綜采工作面和兩側(cè)巷道等距安裝無線通訊綜合分站，由集控系統(tǒng)各分站經(jīng)連接，實現(xiàn)工作面巷道無線網(wǎng)絡全覆蓋，同時，通過搭建井下萬兆工業(yè)環(huán)網(wǎng)，完成IT基礎(chǔ)建設(shè)。

2.4 視頻監(jiān)控技術(shù)

為實現(xiàn)無人操作設(shè)備作業(yè)，分別在液壓支架、采煤機機身和搖臂、刮板輸送機機和機尾以及馬蒂兒安裝可轉(zhuǎn)動監(jiān)控攝像頭。具體技術(shù)如下：①每隔4架液壓支架安裝1個可轉(zhuǎn)動監(jiān)控攝像頭完成對工作面無死角監(jiān)控，同時，每隔10架液壓支架安裝一個紅外傳感器，在攝像清晰度差時，完成采煤機紅外輔助成形；②采煤機上攝像頭用于對機身核心部位、搖臂實時監(jiān)控以及補充機身前方工作面視頻影像，攝像頭由集控系統(tǒng)控制隨采煤機運行轉(zhuǎn)動；③輸送機和攝像頭主要用于監(jiān)控煤流狀態(tài)和是否有無法運輸?shù)拇髩K煤。

3 綜采工作面生產(chǎn)應用

3.1 “十二工步”自動割煤工藝

錦界煤礦由集控系統(tǒng)控制進行的綜采工作面自動化采煤技術(shù)已在31115、31214、31410工作面成功應用，并形成了該技術(shù)下的“十二工步”綜合機械化自動割煤工藝，主要通過設(shè)置自動化割煤區(qū)間和兩端三角煤折返點可以控制采煤機在指定點執(zhí)行規(guī)定割煤動作?！笆げ健弊詣痈蠲汗に嚵鞒倘鐖D4所示。

圖4 “十二工步”自動割煤工藝流程Fig.4 "Twelve Steps" automatic coal cutting process flow

具體操作步驟如下:①機頭到機尾區(qū)間，根據(jù)記憶采高臥底調(diào)整左右滾筒高度；②機尾極限位置，停牽引、滾筒換向、自動返刀，反向牽引；③機尾極限位置到機尾三角煤折返點，采煤機進煤窩，根據(jù)設(shè)定高度值調(diào)整前滾筒(左滾筒)高度；④機尾三角煤折返點，停牽引、滾筒換向、自動返刀，反向牽引；⑤機尾三角煤折返點到機尾極限位置，根據(jù)記憶采高臥底調(diào)整左右滾筒高度；⑥機尾極限位置，停牽引、滾筒換向、自動返刀，反向牽引；⑦機尾到機頭區(qū)間，根據(jù)記憶采高臥底調(diào)整左右滾筒高度；⑧機頭極限位置，停牽引、滾筒換向、自動返刀，反向牽引；⑨機頭極限位置到機頭三角煤折返點，采煤機進煤窩，根據(jù)設(shè)定高度值調(diào)整前滾筒(右滾筒)高度；⑩機頭三角煤折返點，停牽引、滾筒換向、自動返刀，反向牽引；機頭三角煤折返點到機頭極限位置，根據(jù)記憶采高臥底調(diào)整左右滾筒高度；機頭極限位置，停牽引、滾筒換向、自動返刀，反向牽引。

3.2 實施效果

(1)首次實現(xiàn)了采煤機的雙向雙軌跡自動記憶割煤功能；成功解決了采煤機機頭機尾割透不自動返刀或誤抬刀等問題；杜絕記憶割煤過程中煤機滾筒誤割轉(zhuǎn)載機的現(xiàn)象；減少了采煤機自動割煤工藝過程中人工干預工作量和自動割煤加甩刀對記憶數(shù)據(jù)的準確性的影響；有效補充了記憶割煤過程中控制不足。

(2)減少了正常生產(chǎn)時工作面作業(yè)人員，同時采煤機司機主要由實際操作變?yōu)橛^察和干預，大大降低工作強度，減少員工職業(yè)健康危害；將控制臺，馬蒂兒及機頭工3個崗位合并，在馬蒂兒處安裝集控系統(tǒng)，只需1人即可完成3個崗位工作，實現(xiàn)綜采工作面自動化后可極大程度上節(jié)約人工成本。

(3)“十二工步”自動割煤工法在神東錦界煤礦31115、31214、31410綜采工作面成功使用。

3.3 存在問題

(1)錦界煤礦已實現(xiàn)綜采工作面自動化作業(yè)，但仍需要人員巡視，距離自動無人化開采和智能化開采需要繼續(xù)突破集控、煤巖識別等核心技術(shù)。

(2)系統(tǒng)穩(wěn)定程度不足，遇到特殊地質(zhì)構(gòu)造和工作面割三角煤進刀時，集控系統(tǒng)操作誤差大，遠程操作效果不理想，需要人工干預作業(yè)。

(3)監(jiān)控清晰度有限。工作面生產(chǎn)時煤巖粉塵以及降塵水霧會對影像采集清晰度有很大影響，需要進一步精化井下監(jiān)測設(shè)備布置和提高設(shè)備除塵能力。

4 結(jié)論

(1)介紹了錦界煤礦集控系統(tǒng)設(shè)計和各子系統(tǒng)控制技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)集控系統(tǒng)控制下三機配合割煤，轉(zhuǎn)載機超載停刮板輸送機以及工作面無死角監(jiān)控，為進一步透明工作面數(shù)字化的建立奠定了基礎(chǔ)。

(2)通過設(shè)置自動化割煤區(qū)間和兩端三角煤折返點可以控制采煤機在指定點執(zhí)行規(guī)定割煤動作，將自動化割煤循環(huán)細分為12工步。

(3)“十二工步”自動割煤工藝實現(xiàn)了遠程操控采煤，保護從業(yè)人員安全健康，提高了設(shè)備作業(yè)效率，實現(xiàn)煤礦由勞動密集型向技術(shù)密集型轉(zhuǎn)變；通過“機械化換人、自動化減人”保障礦井安全生產(chǎn)，社會效益顯著。