杜國凱

（山西焦煤汾西礦業(yè)（集團(tuán)）雙柳煤礦， 山西 柳林 033300）

引言

隨著煤炭開采設(shè)備及開采技術(shù)等的不斷提升，礦井采掘作業(yè)面機(jī)械化程度大幅提高，現(xiàn)階段回采工作面、掘進(jìn)巷道綜合機(jī)械化程度分別可達(dá)到90%、30%。隨著煤炭開采自動化、智能化技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用，煤炭開采效率得以進(jìn)一步提升，但是受到煤層賦存條件、機(jī)電設(shè)備可靠性及通風(fēng)等因素制約，煤炭資源開采時仍面臨作業(yè)環(huán)境惡劣、安全保障能力不足、煤炭回采效率不高等問題。智能化是提高煤炭開采效率及作業(yè)人員安全保障能力的重要舉措，通過智能化可實(shí)現(xiàn)回采工作面少人化甚至無人化[1-7]。

本文以山西某礦70302 回采工作面開采為工程背景，對回采工作面智能化技術(shù)建設(shè)及應(yīng)用情況進(jìn)行分析，以期為其他礦井智能化技術(shù)應(yīng)用提供經(jīng)驗(yàn)參考。

1 工程概況

山西某礦采用斜井+立井開拓方式，現(xiàn)開采第一水平，采深為360 m。70302 工作面設(shè)計(jì)推進(jìn)長度1 205 m、傾斜長度280 m，開采7 號煤層，煤厚平均為5.75 m，傾角3°～7°。7 號煤層頂板為泥巖、砂質(zhì)泥巖，底板為黏土巖。回采工作面采用綜合機(jī)械化放頂煤開采工藝，使用的主要設(shè)備型號見表1。為提升回采工作面煤炭開采效率、降低勞動強(qiáng)度并改善作業(yè)環(huán)境，70302 工作面擬采用智能化開采技術(shù)，本文就對回采工作面使用的智能化技術(shù)進(jìn)行分析探討。

表1 煤炭開采設(shè)備型號規(guī)格

2 回采工作面智能化控制方案

針對70302 工作面實(shí)際情況，對回采工作面智能化控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體如圖1 所示。在回采工作面采用的智能化控制系統(tǒng)中，采煤機(jī)、配套液壓支架及運(yùn)輸設(shè)備均以自動控制為主、人工干預(yù)為輔。

圖1 回采工作面智能化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 回采工作面通信系統(tǒng)構(gòu)建

在70302 工作面基于以太網(wǎng)構(gòu)建智能化信息通信平臺，該平臺具備流量優(yōu)先級100 Mbit/s 寬度管理、虛擬互聯(lián)網(wǎng)等功能。良好的通信系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)信息的實(shí)時傳遞，確保煤炭開采設(shè)備自主運(yùn)行。在回采工作面構(gòu)建的通信系統(tǒng)具體如下頁圖2 所示，系統(tǒng)可分井下、地面兩個部分，回采工作面采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)、乳化液泵站等設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)及控制信息等通過光電轉(zhuǎn)換器、交換機(jī)、綜合接入器、通信光纜等匯總到地面服務(wù)器，地面調(diào)度中心可實(shí)時掌握回采工作面開采情況并可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

圖2 智能化工作面通信系統(tǒng)

2.2 回采工作面可視化監(jiān)控

通過在回采工作面構(gòu)建可視化監(jiān)控系統(tǒng)，從而實(shí)時、直觀掌握采煤機(jī)、液壓支架等設(shè)備位置、姿態(tài)等。構(gòu)建的可視化監(jiān)控系統(tǒng)為基于數(shù)字網(wǎng)絡(luò)的高清視頻系統(tǒng)，具體可視化視頻監(jiān)控具備功能為：視頻監(jiān)測，當(dāng)采煤機(jī)、液壓支架或者刮板輸送機(jī)等遇到復(fù)雜工作環(huán)境需要調(diào)整時，可通過視頻監(jiān)測掌握直觀的設(shè)備情況，以便為后續(xù)遠(yuǎn)程操控提供可靠信息；目標(biāo)設(shè)備智能跟蹤、攝像頭自動清洗及補(bǔ)光；視頻監(jiān)控畫面自動拼接。

2.3 采煤機(jī)記憶截割及遠(yuǎn)程控制

在采煤機(jī)上隨機(jī)布置位置傳感器、采高傳感器，通過獲取到的信息來實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)位置自主定位，并利用記憶截割功能實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)智能化控制。依據(jù)70302 工作面開采的7 號煤層實(shí)際情況，使用采煤機(jī)前、后滾筒分別截割底煤、頂煤開采工藝。通過獲取采煤機(jī)行走數(shù)據(jù)參數(shù)，可自動獲取采煤機(jī)割煤刀數(shù)、運(yùn)行軌跡、割煤時間及跟機(jī)狀態(tài)等信息。采煤機(jī)運(yùn)行參數(shù)也會通過構(gòu)建的智能通信系統(tǒng)傳輸給地面監(jiān)控中心，地面監(jiān)控中心可對采煤機(jī)運(yùn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

70302 工作面采煤機(jī)截割高度為3.0 m，采煤機(jī)在推進(jìn)過程中采高基本不變。通過分析采煤機(jī)以往運(yùn)行參數(shù)、煤層頂?shù)装鍘r性及回采工作面前方地質(zhì)參數(shù)，確定采煤機(jī)在不同推進(jìn)距離時的截割深度、推進(jìn)速度。在采煤機(jī)上布置的紅外傳感器可探測液壓支架頂梁、支撐擋板位置，避免采煤機(jī)截割部與液壓支架出現(xiàn)干涉問題。采煤機(jī)記憶截割控制流程，如圖3所示。

圖3 采煤機(jī)記憶截割控制流程

2.4 液壓支架自動跟機(jī)運(yùn)行

對采煤機(jī)、液壓支架上布置的紅外發(fā)射器、接收器信息進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)液壓支架全自動跟機(jī)控制。具體液壓支架自動運(yùn)行控制包括液壓支架跟機(jī)噴霧、跟機(jī)推溜、跟機(jī)移架等功能，并可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)載機(jī)機(jī)尾自動移動，實(shí)現(xiàn)液壓支架運(yùn)行自動控制。同時液壓支架運(yùn)行參數(shù)可通過通信系統(tǒng)傳輸給地面監(jiān)控中心、設(shè)備列車，當(dāng)發(fā)現(xiàn)液壓支架運(yùn)行參數(shù)出現(xiàn)故障或者支架運(yùn)行動作不到位時，可通過人工干預(yù)調(diào)整液壓支架運(yùn)行。

2.5 煤矸智能識別

以往7 號煤層開采時采用人工識別煤矸，自動化程度低且作業(yè)人員工作環(huán)境差。為實(shí)現(xiàn)自動化放煤，在70302 工作面智能化控制系統(tǒng)中采用煤矸智能識別系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對放煤過程中煤矸進(jìn)行智能識別感知，基于識別結(jié)果對放煤過程進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動放煤。

3 應(yīng)用效果分析

通過在70302 工作面采用智能化開采技術(shù)后，采煤機(jī)割煤、液壓支架移架等自動化控制，煤矸智能識別可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動放煤，從而達(dá)到提高煤炭開采效率、降低開采原煤中矸石量，為回采工作面煤炭安全高效開采創(chuàng)造良好條件。

70302 工作面采用智能化開采技術(shù)后，單個開采循環(huán)耗時由135 min 縮短至65 min，每班開采循環(huán)由3 次提升至6 次，回采工作面煤炭日產(chǎn)量已顯著提升，推進(jìn)速度達(dá)到4.8 m/d。采用智能化開采技術(shù)后，回采工作面作業(yè)人員減少18 人，減少人力資源成本投入約900 萬元/年。同時由于采用智能識矸技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)回采工作面放煤遠(yuǎn)程控制，回采工作面回采時放煤率提高1%、原煤中矸石含量降低約2%，預(yù)計(jì)年可產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益約750 萬元。

4 結(jié)語

以山西某礦70302 工作面煤炭回采為工程研究對象，對回采工作面智能化開采技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐進(jìn)行分析。回采工作面采用智能化開采技術(shù)后，采煤設(shè)備自動化程度得以提升，提升煤炭開采設(shè)備工作效率并減少作業(yè)人員數(shù)量。在70302 工作面現(xiàn)場應(yīng)用后，回采工作面推進(jìn)速度由3.2 m/d 提升至4.8 m/d，回采工作面作業(yè)人員數(shù)量減少18 人、可節(jié)約人力資源投入約900 萬元/年；同時回采工作面放煤率較以往提升1%、原煤含矸率降低2%，年可直接創(chuàng)造效益約750 萬元。