暴 晶

（山西霍爾辛赫煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長治 046600）

當(dāng)前煤礦開采安全問題受到大眾關(guān)注，將煤礦作業(yè)人員從采煤一線提升到順槽或工作面端頭等相對安全位置，是保證工作面人員安全的唯一途徑。煤礦綜采工作面采煤工藝環(huán)節(jié)復(fù)雜、設(shè)備數(shù)量眾多，因此建設(shè)自動化綜采工作面，要整體考慮綜采工作面各個部件，將采煤機(jī)、液壓支架、運輸系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、供液系統(tǒng)等單機(jī)設(shè)備統(tǒng)一管控、協(xié)同調(diào)度，將綜采工作面采煤裝備看成是一個大機(jī)器，每個單機(jī)設(shè)備都是這個大機(jī)器的一個可控部件，通過為這個大機(jī)器配套集控中心，實現(xiàn)對工作面各個采煤部件的統(tǒng)一管控，實現(xiàn)煤礦開采的智能化。以霍爾辛赫煤業(yè)3105 大采高綜采工作面為研究對象，對其智能化綜采技術(shù)進(jìn)行了探索和實踐[1-2]。

1 工程概況

霍爾辛赫煤業(yè)位于山西省長治市長子縣丹朱鎮(zhèn)，井田面積71.39 km2，設(shè)計生產(chǎn)能力為4.0 Mt/a，主要開采3 號煤層，資源儲量537.34 Mt，可采儲量235.34 Mt。

辛赫煤業(yè)3105 大采高工作面主要開采3 號煤層，煤層厚度為5.0～5.9 m，平均煤厚5.6 m，煤層傾角為0～8°53′，平均傾角5°，工作面凈長度280 m。3105 工作面采用“兩進(jìn)一回”、“進(jìn)風(fēng)順槽沿空留巷”、“Y 型”通風(fēng)，即工作面布置有一條膠帶進(jìn)風(fēng)順槽（3105 沿空留巷巷道）、一條輔助進(jìn)風(fēng)巷 （3105 沿空留巷回風(fēng)巷）、一條回風(fēng)順槽。工作面采用6 m 一次性采全高工藝。根據(jù)集團(tuán)的要求，該礦將3105 大采高工作面建設(shè)成為大采高智能化綜采工作面。

2 智能化綜采工作面的設(shè)計思路

2.1 設(shè)計目標(biāo)

采用適用于大采高智能化綜采工作面自動化的集中控制系統(tǒng)成套裝備，實現(xiàn)對綜采工作面綜采設(shè)備可靠、實時的監(jiān)測和自動控制，將煤礦的采煤工作方式革新為計算機(jī)集中監(jiān)測控制結(jié)合機(jī)械化的自動化采煤工作方式，為煤礦高產(chǎn)、高效、安全、綠色開采提供基礎(chǔ)，實現(xiàn)“遠(yuǎn)程自動化采煤，就地巡視手動干預(yù)”的目標(biāo)。

項目實現(xiàn)綜采工作面自動化開采，將整個綜采工作面的操作人員減少至5 人，順槽集控中心操作人員1 人，采煤機(jī)巡檢人員1 人，順槽運輸系統(tǒng)巡檢員1 人，工作面機(jī)頭巡檢員1 人，工作面機(jī)尾巡檢員1 人，最終實現(xiàn)減員提效，實現(xiàn)安全、高效生產(chǎn)。

辛赫煤業(yè)作為集團(tuán)首個智能綜采工作面試點，希望起到引領(lǐng)先鋒的示范作用，為集團(tuán)其他礦井建設(shè)智能綜采工作面提供經(jīng)驗與實踐資料。

2.2 裝備配套情況

采煤機(jī)MG750/1815-GWD，1 臺；刮板輸送機(jī)SGZ-1000/2×1200/280，1 臺；轉(zhuǎn) 載 機(jī)SZZ-1200/700，1 臺；破碎機(jī)PLM3500，1 臺；自移機(jī)尾12PZY2700，1 臺；智能化系統(tǒng)，1 套；負(fù)荷中心KBSGZY-2500/10/3，3 套；智能乳化液泵站BRW400/31.5X，1 套；智能噴霧泵站BPW500/16，1 套；組合開關(guān)QJZ-2000/1140-8，2 個；支架電液控SAC，1 套；噴霧泵BPW500/16，3 套；移動變電站KBSGZY-1250，2 套；礦用隔爆兼本質(zhì)安全型變頻調(diào)速裝置ZJT-500/1140，3 套；礦用液壓自移無軌設(shè)備列車MZC20，31 套；順槽集控中心（三機(jī)協(xié)同控制中心），1 套 ；綜采移動管理平臺一體化軟件，1 套；工作面視頻監(jiān)控，1 套；綜采供配電系統(tǒng)集中控制監(jiān)測，1 套。

3 智能化綜采工作面系統(tǒng)實現(xiàn)及關(guān)鍵技術(shù)

3.1 自動化順槽集中控制系統(tǒng)

綜采工作面集中控制系統(tǒng)對煤礦各子系統(tǒng)進(jìn)行整合并協(xié)調(diào)聯(lián)動控制。3105 智能化工作面集控操作中心配置如圖1，主要有：（1）配置3 臺KJC127型礦用隔爆兼本安型服務(wù)器作為工作面集控系統(tǒng)上位機(jī)；其中2 臺用于處理自動化設(shè)備數(shù)據(jù)及自動化采煤工藝，1 臺用于處理視頻監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)。（2）配置2 臺KXJ127 型礦用隔爆型PLC 控制箱，作為順槽集控中心控制邏輯運算單元。（3）配置2 臺TH24 型本安操作臺，實現(xiàn)順槽遠(yuǎn)程對采煤機(jī)和液壓支架的遠(yuǎn)程控制。（4）配置2 臺KJJ127 隔爆兼本安型網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，作為集控中心設(shè)備之間以及井下與地面之間網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換。（5）配置6 臺PH12礦用本質(zhì)安全型顯示屏。

圖1 集控中心內(nèi)部設(shè)備配置圖

3.2 綜采工作面視頻監(jiān)控系統(tǒng)

綜采工作面無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)由KBA12C 礦用本安型除塵攝像儀、快速插拔電纜組成，如圖2。在綜采工作面順槽內(nèi)的設(shè)備列車上安放一套集中監(jiān)控平臺，可實現(xiàn)工作面可視系統(tǒng)的視頻圖像的井下實時顯示。視頻系統(tǒng)的工作面攝像頭具有防塵的功能。當(dāng)采煤機(jī)到達(dá)對應(yīng)的可視系統(tǒng)單元時，可視功能開啟，達(dá)到清晰流暢的視頻效果。當(dāng)安裝有視頻軟件的電腦通過MODBUS 協(xié)議接收到采煤機(jī)的位置會自動跟隨采煤機(jī)切換攝像儀監(jiān)控畫面。

圖2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)圖

3.3 供配電系統(tǒng)集中控制監(jiān)測系統(tǒng)

綜采工作面集控系統(tǒng)PLC 與各個供配電設(shè)備通過RJ45 或者RS485 總線進(jìn)行通訊，實現(xiàn)對各個供配電設(shè)備的遠(yuǎn)程分合閘、狀態(tài)監(jiān)測、故障告警、健康預(yù)判，為工作面自動化采煤提供動力保障。

3.4 泵站自動化集中控制系統(tǒng)

自動管控泵站控制流程：本系統(tǒng)按照操作權(quán)限由低到高有一鍵智能啟停、手動遠(yuǎn)程啟停、就地啟停三種操作方式。

一鍵智能啟停：將主控分站“自動、遠(yuǎn)程、就地”選擇開關(guān)打到自動檔位，按“一鍵啟動”按鈕，主控分站向磁力啟動器發(fā)送指令啟動1#主泵。主控分站根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)壓力自動判斷并調(diào)整泵站工作頻率。當(dāng)主控分站檢測到當(dāng)前壓力需求達(dá)到2#泵站的啟動需求，主控分站向組合開關(guān)發(fā)送指令啟動2#泵站，同時根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)壓力自動判斷并調(diào)整1#泵站工作頻率。按“一鍵停機(jī)”按鈕，主控分站自動停泵，停泵順序為先停備用泵，再停主泵。

手動遠(yuǎn)程啟停：將主控分站“自動、遠(yuǎn)程、就地”選擇開關(guān)打到遠(yuǎn)程檔位，可分別按“1#啟動”“1#停機(jī)”“2#啟動”“2#停機(jī)”。

就地啟停：就地啟停是指遠(yuǎn)程I/O 分站的啟動、停機(jī)、急停閉鎖按鈕操作，就地啟停操作權(quán)限高于自動啟停和遠(yuǎn)程手動啟停。就地啟?？稍谌我鈺r間進(jìn)行操作控制。

3.5 地面調(diào)度數(shù)據(jù)上傳及視頻監(jiān)控存儲

（1）支架電液控制系統(tǒng)本身信息及其他綜采設(shè)備信息通過以太網(wǎng)實現(xiàn)井上下數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)信息上傳到地面，并在井下和井上計算機(jī)上同時顯示；自動化系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)的OPC 協(xié)議對接入礦井自動化系統(tǒng)。

（2）順槽控制中心實現(xiàn)與三機(jī)控制系統(tǒng)通信，獲取三機(jī)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

（3）順槽控制中心實現(xiàn)與負(fù)荷中心通信，獲取負(fù)荷中心數(shù)據(jù)，包括各個回路運行狀態(tài)、電流、電壓以及漏電、斷相、過載等故障狀態(tài)。

（4）順槽控制中心實現(xiàn)與泵站控制系統(tǒng)通訊，對泵站相關(guān)信息進(jìn)行集中顯示。

（5）順槽控制中心能夠?qū)⒐ぷ髅嬖O(shè)備工作狀態(tài)、運行參數(shù)等上傳到地面調(diào)度室。

（6）通過在地面配套1 套高性能服務(wù)器，一臺實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控工作面設(shè)備數(shù)據(jù)及遠(yuǎn)程權(quán)限操作，一臺實現(xiàn)視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)存儲及實時查看，一臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)備份。

（7）通過在地面配套一臺NVR，實現(xiàn)工作面視頻圖像數(shù)據(jù)存儲、實時監(jiān)控，NVR 具備HDMI和VGA 信號輸出，可接入大屏控制器，實現(xiàn)工作面視頻畫面上墻。

3.6 工作面無線5G 通信系統(tǒng)

綜采面無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要由：核心基站KT319-F3、礦用本安型手機(jī)KT319-S1 和KZC24 礦用本安型信號轉(zhuǎn)換器等組成。該方案主要覆蓋綜采采煤工作面區(qū)域、皮帶巷、材料巷區(qū)域。

（1）在設(shè)備列車上安裝一臺KJJ127 型礦用核心交換機(jī)，核心交換機(jī)與順槽集控中心天瑪電液交換機(jī)通過網(wǎng)線對接，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互通。

（2） 在 工 作 面 端 頭、 端 尾 各 安 裝 一 臺KT319-F3（RRU）基站，機(jī)頭基站，天線1 個朝向皮帶巷，1 個朝向機(jī)尾方向；機(jī)尾臺基站天線1 個朝向機(jī)頭方向，1 個朝向設(shè)備列車。通過阻燃光纜級聯(lián)到順槽核心交換機(jī)，實現(xiàn)綜采工作面無線通訊網(wǎng)絡(luò)覆蓋，負(fù)責(zé)接收工作面內(nèi)采煤機(jī)機(jī)身視頻、除塵攝像儀視頻、三機(jī)監(jiān)測裝置數(shù)據(jù)、采煤機(jī)數(shù)據(jù)。

3.7 順槽皮帶保護(hù)控制系統(tǒng)

在皮帶機(jī)頭安裝一臺控制器用于控制和信息采集，沿線實現(xiàn)運輸皮帶的控制、通話、拉線急停閉鎖、就地啟停和膠帶機(jī)跑偏、堆煤、煙霧、溫度、速度、撕裂、超溫灑水等保護(hù)功能。在運輸皮帶機(jī)尾安裝一臺智能電話，除撕裂、機(jī)尾跑偏和中驅(qū)跑偏外各種保護(hù)均放在皮帶機(jī)頭，沿線按照100 m 一個雙向拉繩開關(guān)，100 m 一個通話點鋪設(shè)。皮帶的各種保護(hù)示意圖如圖3。

圖3 皮帶的各種保護(hù)示意圖

4 實施效果分析

4.1 減員增效效果明顯

霍爾辛赫煤業(yè)3105 工作面實施大采高智能化綜采技術(shù)后，工作面減員增效效果顯著，對比以往傳統(tǒng)開采技術(shù)，整個工作面單班作業(yè)操作人員由15人減少至5 人，每年可節(jié)約人工成本約750 萬元/面。

4.2 生產(chǎn)效率大大提高

智能化綜采技術(shù)應(yīng)用后，3105 工作面的生產(chǎn)過程主要以設(shè)備自主感知運行和智能控制為主，開采過程自動化程度高，開采工序大幅度減少，工作人員勞動強(qiáng)度大大降低，生產(chǎn)效率大幅度提高。3105工作面回采工效達(dá)227 t/工，對比以往生產(chǎn)效率提高了20%左右。

4.3 生產(chǎn)的安全性大幅度提高

3105 工作面實施大采高智能化綜采技術(shù)后，工作面實現(xiàn)了少人、無人開采的路子，工作人員的工作環(huán)境得到了改善，勞動強(qiáng)度大幅度降低，有效地實現(xiàn)了煤礦的自動化、智能化開采，為其他礦井建設(shè)智能綜采工作面提供經(jīng)驗與實踐資料。