王 博，閆冬冬

(1.鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450000； 2.河南省新鄭煤電有限責(zé)任公司，河南 鄭州 450000)

1 14205綜采面基本概況

1.1 采面地質(zhì)概況

14205工作面位于新鄭煤電公司14采區(qū)中部，東鄰待掘的14206工作面，南鄰14運(yùn)輸上山保護(hù)煤柱，西鄰待掘的14203工作面，地面標(biāo)高+134.9～+137.2 m，工作面標(biāo)高-191.0～-161.5 m。采面設(shè)計(jì)可采走向660 m，傾斜長(zhǎng)187 m，開(kāi)采二1煤層，煤層傾角0°～11°，平均煤厚0.8～16.3 m，可采儲(chǔ)量為1 003 412 t。該采面地質(zhì)條件復(fù)雜，工作面里段位于滹沱背斜軸部附近，工作面煤層整體呈一單斜構(gòu)造(207°～254°∠0°～11°)，受滹沱背斜影響，斷裂構(gòu)造及煤層頂、底板裂隙較為發(fā)育；工作面回采過(guò)程中將過(guò)SF63-2正斷層，同時(shí)工作面周邊發(fā)育SF62-1、SF62-2、SF64、F聯(lián)1四條正斷層，受斷層影響，可能發(fā)育次生構(gòu)造，煤層松軟、頂板較破碎，同時(shí)可能出現(xiàn)頂板淋水、瓦斯異常等現(xiàn)象，為華中地區(qū)典型的“三軟”煤層。

1.2 采面回采工藝

采面回采工藝為綜合機(jī)械化放頂煤，采放平行作業(yè)，工作面采高為2.8 m(偏差≤0.1 m)，割2刀為1個(gè)循環(huán)，每循環(huán)進(jìn)度1.2 m。采用等量間隔多輪次順序放煤方式放煤，采放比為1∶1.2，全部垮落法管理頂板，端頭頂煤不進(jìn)行回收。采煤機(jī)進(jìn)刀方式為端部斜切進(jìn)刀，進(jìn)刀段長(zhǎng)度為30 m，進(jìn)刀深度0.6 m，采取雙向割煤，前滾筒割頂煤，后滾筒割底煤。采煤機(jī)割煤后及時(shí)伸出伸縮梁和護(hù)幫板護(hù)頂，及時(shí)跟機(jī)移架，后部刮板輸送機(jī)不隨支架前移，拉移方式與前部刮板輸送機(jī)相同。

1.3 采面綜機(jī)設(shè)備配套選型

參照集團(tuán)單位“三軟”煤層開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合原12213、11202綜采工作面設(shè)備使用情況，同時(shí)考慮礦區(qū)內(nèi)設(shè)備互換性要求和生產(chǎn)安全、可靠等原則，14205綜采工作面設(shè)備選型見(jiàn)表1。

表1 14205工作面綜機(jī)設(shè)備配套Tab.1 Fully-mechanized machine equipment for No.14205 working face

2 項(xiàng)目智能自動(dòng)化方案

為全面實(shí)現(xiàn)綜采面綜機(jī)設(shè)備智能自動(dòng)化，該項(xiàng)目對(duì)14205工作面配套的綜機(jī)設(shè)備進(jìn)行集成系統(tǒng)控制，通過(guò)井下光纖數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)地面主機(jī)遠(yuǎn)程控制井下綜機(jī)設(shè)備自動(dòng)化作業(yè)，結(jié)合傳感技術(shù)采集井下地質(zhì)條件動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)反饋控制器，使設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)中根據(jù)煤質(zhì)、負(fù)載、支撐壓力等狀況進(jìn)行智能化動(dòng)態(tài)調(diào)整，從而對(duì)采高、割煤速度、放煤間隔、推溜拉架、立柱補(bǔ)壓、液化液配比等工藝環(huán)節(jié)進(jìn)行智能化控制[1]。該系統(tǒng)共分為六大控制部分，各部分控制原理及功能如下。集成控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 集成控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of integrated control system

2.1 乳化液泵站智能化供液配比系統(tǒng)

乳化液泵站智能化供液配比系統(tǒng)，由礦用乳化液自動(dòng)配液站、井下綜合供水凈化站、高壓過(guò)濾站、回液過(guò)濾站系統(tǒng)組成。供液循環(huán)路線為：井下供水管路供水→井下綜合供水凈化站→礦用乳化液自動(dòng)配液站→乳化液泵站→高壓過(guò)濾站→工作面進(jìn)液管路→工作面液壓元件→工作面回液管路→回液過(guò)濾站→乳化液泵站。

此系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)乳化液泵自動(dòng)配液、供液，當(dāng)乳化液在自動(dòng)配液時(shí)，液體的配比濃度5%，通過(guò)BRW400/31.5型乳化液泵站用隔爆兼本質(zhì)安全型配比電控箱，控制乳化液配比裝置中的電磁水閥和配比泵來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)乳化液箱中的液位降到設(shè)定的低液位時(shí)，液位傳感器發(fā)出補(bǔ)充液體信號(hào)給電控箱，在電控箱接收到后，將配比裝置中的進(jìn)水電磁閥開(kāi)啟，向乳化液箱補(bǔ)水，同時(shí)循環(huán)泵開(kāi)啟，實(shí)時(shí)檢測(cè)乳化液箱的濃度，電控箱接收到濃度信號(hào)后，如果濃度低于設(shè)定的低濃度值，就給配比泵發(fā)送啟動(dòng)信號(hào)，開(kāi)啟配比泵，往乳化液箱補(bǔ)油，一段時(shí)間后停止，然后繼續(xù)檢測(cè)濃度，直到乳化液箱的濃度達(dá)到設(shè)定的濃度值，完成了一次補(bǔ)液與配液的程序[2]。同時(shí)，系統(tǒng)配備自動(dòng)模式和手動(dòng)模式，自動(dòng)模式下系統(tǒng)按照程序和設(shè)定值自行運(yùn)行；手動(dòng)模式下可人工進(jìn)行補(bǔ)水和補(bǔ)油動(dòng)作。

2.2 工作面綜機(jī)智能化集成控制系統(tǒng)

綜采面智能化控制系統(tǒng)是綜采工作面自動(dòng)化采煤的核心，是整個(gè)工作面綜機(jī)設(shè)備協(xié)調(diào)機(jī)制的大腦，通過(guò)操作人員的人機(jī)接口與監(jiān)控平臺(tái)，通過(guò)建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳輸接口和通信規(guī)約[3]，實(shí)現(xiàn)與各個(gè)子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信，將綜放工作面液壓支架、采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、膠帶輸送機(jī)、乳化液泵站、噴霧泵站、供電系統(tǒng)等系統(tǒng)集成起來(lái)，建立工作面千兆級(jí)以太環(huán)網(wǎng)和井下雙數(shù)據(jù)交換主機(jī)實(shí)現(xiàn)工作面自動(dòng)化控制，利用礦井綜合自動(dòng)化系統(tǒng)向地面?zhèn)鬏敚诘孛嬷鳈C(jī)上進(jìn)行顯示，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)以及各種數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、監(jiān)控等。

智能化集成系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)在集控中心對(duì)綜采工作面采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、泵站系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制，工作狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)監(jiān)控、故障告警、故障記錄；實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸系統(tǒng)、泵站系統(tǒng)設(shè)備的一鍵啟停，故障聯(lián)鎖急停、語(yǔ)音告警；實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)記憶截割采煤；實(shí)現(xiàn)工作面液壓支架自動(dòng)跟機(jī)移架、推溜；實(shí)現(xiàn)工作面采煤機(jī)、液壓支架、運(yùn)輸系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)、泵站系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)閉鎖控制[4]。當(dāng)平地調(diào)度室控制主機(jī)和工作面各安設(shè)集控操作控制平臺(tái)得到遠(yuǎn)程操作指令時(shí)，會(huì)按照預(yù)設(shè)的啟動(dòng)順序，如膠帶輸送機(jī)機(jī)頭破碎機(jī)→膠帶輸送機(jī)→轉(zhuǎn)載機(jī)→前部刮板輸送機(jī)(后部刮板輸送機(jī))→采煤機(jī)啟動(dòng)順序，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能一鍵啟動(dòng)化生產(chǎn)。同時(shí)，集中控制系統(tǒng)具有后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)功能，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)各單機(jī)的參數(shù)、故障記錄等進(jìn)行存儲(chǔ)。

圖2 系統(tǒng)集成控制方案Fig.2 System integrated control scheme

2.3 電液控液壓支架自動(dòng)化系統(tǒng)

14205工作面液壓支架采用ZE0704型電液控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由支架控制器、電磁閥驅(qū)動(dòng)器、隔爆兼本安型穩(wěn)壓電源、中繼器、隔離耦合器、電液換向閥組、驅(qū)動(dòng)器、壓力傳感器、位移傳感器、傾角傳感器、紅外線發(fā)射器、紅外線接收器等組成[5]。支架控制器可對(duì)支架進(jìn)行各種動(dòng)作的控制，完成支架單架和成組手動(dòng)、自動(dòng)動(dòng)作。該系統(tǒng)利用電磁繼電器上電磁閥動(dòng)作控制液壓閥進(jìn)回液原理，實(shí)現(xiàn)液壓支架自動(dòng)動(dòng)作，它具有監(jiān)測(cè)支架狀態(tài)、執(zhí)行各種指令、編輯運(yùn)行程序、液晶顯示屏顯示系統(tǒng)各種狀態(tài)等功能[6]。支架控制器操作具有點(diǎn)動(dòng)模式、功能保持模式、功能切換模式、自動(dòng)動(dòng)作及遠(yuǎn)程控制模式。

電液控制系統(tǒng)將液壓支架每7架分為1組，串聯(lián)至1臺(tái)控制器中?？蓪?shí)現(xiàn)液壓支架單架手動(dòng)、單架自動(dòng)、成組手動(dòng)、成組自動(dòng)、急停閉鎖等功能。在推移運(yùn)輸機(jī)工序時(shí)，通過(guò)安裝在支架千斤頂行程處的傳感器，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)推移千斤頂活塞桿的行程值，并將位移信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)輸送給支架控制器進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)推溜距離的檢測(cè)和控制[6]。壓力傳感器用來(lái)實(shí)時(shí)檢測(cè)支架立柱下腔壓力，并將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)輸送給控制器進(jìn)行分析，測(cè)量范圍0～60 MPa[7]。當(dāng)壓力低于預(yù)定壓力時(shí)，電液閥芯自動(dòng)開(kāi)啟對(duì)立柱進(jìn)行補(bǔ)壓，保障支架有效初撐力。同時(shí)通過(guò)遠(yuǎn)程控制，可在平地電腦主機(jī)中操作井下任何單架或成組液壓支架進(jìn)行作業(yè)動(dòng)作。

2.4 液壓支架自動(dòng)跟機(jī)系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)割煤后，液壓支架及時(shí)推移運(yùn)輸機(jī)并移架，該系統(tǒng)利用紅外線接收器和紅外線發(fā)射器構(gòu)成采煤機(jī)位置檢測(cè)裝置，紅外線發(fā)射器安裝在采煤機(jī)上，隨采煤機(jī)往復(fù)運(yùn)行，并不斷地向外發(fā)射紅外線信號(hào)[8]；紅外線接收器安裝在液壓支架上，當(dāng)采煤機(jī)割煤運(yùn)行過(guò)去后，接收器可以將接收到的紅外線信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)傳輸至支架控制器，支架控制器根據(jù)接收到的信號(hào)判斷采煤機(jī)的位置及運(yùn)行方向，從而進(jìn)行自動(dòng)作業(yè)，如推移運(yùn)輸機(jī)、移架、隨架噴霧、自動(dòng)分組震動(dòng)放煤等工藝流程。

2.5 高壓反沖洗過(guò)濾系統(tǒng)

考慮井下工作環(huán)境復(fù)雜，為有效阻礙雜物進(jìn)入液壓管路，從而影響采面液壓支架運(yùn)動(dòng)，對(duì)液壓支架泵站排出的高壓液進(jìn)入反沖洗過(guò)濾器的進(jìn)液管，分別經(jīng)過(guò)反沖換向閥進(jìn)入過(guò)濾芯的外部，再經(jīng)濾芯過(guò)濾后與出液管路相連，并經(jīng)排出管的出口接頭而輸送到工作面的液壓支架[9]。在進(jìn)液管與出液管上，分別裝有壓力表與壓力傳感器。當(dāng)進(jìn)液與出液管上的2個(gè)壓力表上壓力有明顯的壓差時(shí)，表示臟物已將濾芯的過(guò)濾孔堵塞了一部分，此時(shí)通過(guò)控制器參數(shù)設(shè)備，自動(dòng)啟動(dòng)高壓過(guò)濾器進(jìn)行反沖洗，從而克服閥件堵塞現(xiàn)象。

2.6 工作面視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)

工作面視頻系統(tǒng)為綜放自動(dòng)化系統(tǒng)提供對(duì)工作面開(kāi)采現(xiàn)場(chǎng)、關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行狀況的視頻輔助監(jiān)測(cè)，工作面每6架安裝1臺(tái)云臺(tái)攝像儀用于動(dòng)態(tài)跟蹤采煤機(jī)割煤，輸送機(jī)機(jī)頭機(jī)尾、轉(zhuǎn)載點(diǎn)、膠帶機(jī)機(jī)頭等關(guān)鍵區(qū)域配置共計(jì)10臺(tái)云臺(tái)攝像儀，攝像儀具備低照度、寬動(dòng)態(tài)、強(qiáng)光抑制、水霧及煤塵穿透功能，同時(shí)每6架配置1臺(tái)礦用交換機(jī)，工作面形成千兆級(jí)工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)傳輸，對(duì)工作面煤壁的無(wú)死角覆蓋監(jiān)控，自動(dòng)跟隨采煤機(jī)切換前后滾筒近景與前后遠(yuǎn)景實(shí)時(shí)視頻，通過(guò)數(shù)據(jù)傳送，將井下監(jiān)視畫(huà)面實(shí)時(shí)上傳平底地面控制室，播放在地面大屏幕監(jiān)視器上，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)視頻調(diào)用、視頻存儲(chǔ)及監(jiān)視功能[10-11]。

3 結(jié)論

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能化集成控制模式已經(jīng)被應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，使智能化集成控制在礦山井下復(fù)雜的工作條件下得以應(yīng)用實(shí)現(xiàn)。文中基于井下采面綜機(jī)設(shè)備智能自動(dòng)化集成控制系統(tǒng)的研究，通過(guò)14205工作面回采9個(gè)月的實(shí)踐驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了以液壓支架跟機(jī)自動(dòng)化技術(shù)、采煤機(jī)記憶截割技術(shù)、工作面視頻監(jiān)控技術(shù)、遠(yuǎn)程集中監(jiān)控技術(shù)、自動(dòng)放頂煤技術(shù)、乳化液自動(dòng)配比技術(shù)為核心的六大綜放工作面智能化開(kāi)采技術(shù)。有效提高了綜采面綜機(jī)設(shè)備的工作效率、降低人工經(jīng)濟(jì)成本，推動(dòng)了礦山井下生產(chǎn)智能自動(dòng)化建設(shè)，可為今后綜采工作面智能化推廣與應(yīng)用提供參考。