仝亞華

(西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司鎮(zhèn)城底礦，山西 太原 030000)

0 引 言

煤炭作為我國的基礎(chǔ)能源，是支撐我國工業(yè)化發(fā)展的重要保證。傳統(tǒng)機械化采煤使得工作面環(huán)境差，作業(yè)人員多、礦井生產(chǎn)安全難以保障，極大地限制了煤礦開采效率及綜采設(shè)備效能，自動化工作面的應(yīng)用是目前發(fā)展重點方向 ?，F(xiàn)階段國內(nèi)外許多大型煤礦均已轉(zhuǎn)型為自動化采煤，且未來煤礦開采的趨勢向智能化、自動化的方向發(fā)展，實現(xiàn)工作面“人少則安，無人則安”安全理念更是煤炭行業(yè)發(fā)展的目標(biāo)[3-4]。筆者以鎮(zhèn)城底礦為研究背景，結(jié)合實際需求，對綜采工作面自動化系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)用進(jìn)行分析總結(jié)，為綜采自動化技術(shù)的應(yīng)用及推廣提供一定的參考[1]。

1 礦井概況及現(xiàn)狀

鎮(zhèn)城底礦位于山西省古交市西北處，礦井田占地面積約 16.63 km2，礦井西北走向 6.6 km，南北走向平均寬度約為3.6 km，鎮(zhèn)城底礦年設(shè)計生產(chǎn)能力為 190 萬噸，現(xiàn)主要開采太原組8#、10#煤層，局部簡單偏中等，煤層平均厚度分別為3.95、3.62 m。22618工作面位于該礦南五盤區(qū)。傳統(tǒng)工作面工作效率低、安全保障性差。目前我國許多大型礦山均已經(jīng)轉(zhuǎn)型成為自動化礦井，為順應(yīng)時代的進(jìn)步及提升礦井開采效率，鎮(zhèn)城底礦需利用科技創(chuàng)新提升綜采面的自動化程度，從而保證企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。此設(shè)計將進(jìn)風(fēng)順槽、輔運大巷布置在同一水平，同時作為進(jìn)風(fēng)、行人通道和運輸，破碎機、轉(zhuǎn)載機、皮帶機布置于進(jìn)風(fēng)順槽，在輔助進(jìn)風(fēng)布置設(shè)備列車，回風(fēng)順槽同樣與輔運大巷處于同一水平，承擔(dān)運料、回風(fēng)、行人任務(wù)。

2 自動化工作面系統(tǒng)設(shè)計方案

綜采工作面自動化系統(tǒng)是一種綜合計算機、機電一體、自動控制等機械化技術(shù)于一身的綜合機械化運行系統(tǒng)，加強自動化綜采工作面的設(shè)計分析研究，通過采煤機實時定位、視頻監(jiān)控及供配液等提升工作面集約化管理，在保障安全的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)降低勞動強度及成本管控目標(biāo)。

2.1 電液控制系統(tǒng)組成

鎮(zhèn)城底礦22618工作面采用SAC電液控制系統(tǒng)對工作面液壓支架進(jìn)行控制，電液系統(tǒng)主要由壓力傳感器、行程傳感器、支架控制器、電液換向閥、電源箱等組成，通過監(jiān)控系統(tǒng)與顯示裝置進(jìn)行連接，實時反應(yīng)液壓支架整體工作情況。在每臺液壓支架上配合支架控制器，通過順序連接形成液壓支架將整體信號網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)，通過數(shù)據(jù)信號傳輸，將工作面整體礦壓信息進(jìn)行集中匯總，進(jìn)行集中監(jiān)控。工作面電液控制系統(tǒng)配置連接圖如圖1所示。

圖1 工作面電液控制系統(tǒng)配置連接圖

設(shè)定的SAC液壓控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)工作面的液壓支架參數(shù)修改，支架立柱與推移行程的顯示與監(jiān)測，同時對采煤機的行走位置進(jìn)行監(jiān)測，計算工作面推進(jìn)距離等工作，最為重要的是實現(xiàn)液壓支架數(shù)據(jù)與采煤機數(shù)據(jù)的交互，從而實現(xiàn)綜采面自動化控制。

2.2 采煤機自動化控制

綜采面選用新型CAN總線系統(tǒng)采煤機，采煤機支持多種外接接口如485現(xiàn)場總線、CAN現(xiàn)場總線等，同時通過多線協(xié)議達(dá)到控制精度。通過采用CAN總線可以有效的提升采煤機的實時性及運行穩(wěn)定性，提升采煤機數(shù)據(jù)的傳輸速度及數(shù)據(jù)處理速度，通過ifix組態(tài)編程對其進(jìn)行集中控制。CAN總線系統(tǒng)具有可以避免由于工作面與順槽位置較遠(yuǎn)及工作面環(huán)境惡劣等特點，通過載波通訊提升通訊穩(wěn)定性，同時總線系統(tǒng)包含自動割煤及回采三角煤功能，通過對不同運行程序的切換，達(dá)到中部、兩端端頭的全自動化割煤任務(wù)。

采煤機實時監(jiān)控系統(tǒng)，采用快速通訊網(wǎng)絡(luò)及穩(wěn)定工作環(huán)網(wǎng)進(jìn)行傳輸，通過編寫遠(yuǎn)程監(jiān)控程序及組態(tài)化畫面設(shè)計，達(dá)到工作面設(shè)備的在線遠(yuǎn)程監(jiān)控。通過對現(xiàn)場環(huán)境、作業(yè)環(huán)境、運行狀態(tài)等進(jìn)行實時顯示，為管理人員提供決策依據(jù)。通過動力載波技術(shù)將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)地面及順槽的遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)由隔爆計算機、視頻客戶端、組態(tài)客戶端及操作臺等組成，達(dá)到實時監(jiān)控液壓支架、采煤機運行視頻畫面的操作[2]。為了保證采煤機運行安全性，在采煤機的機尾布置瓦斯傳感器，將瓦斯傳感器的數(shù)據(jù)傳輸至順槽監(jiān)控主機，達(dá)到采煤機運行及瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測的聯(lián)動，采煤機牽引雙速度及瓦斯?jié)舛嚷?lián)動系統(tǒng)圖如圖2所示。

在綜采工作面輔助運輸巷布置列車設(shè)備，系統(tǒng)采用KTC101控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)為雙系統(tǒng)控制，其中一套為皮帶控制系統(tǒng)，另一套為工作面控制系統(tǒng)，兩套系統(tǒng)通過KFD101-A智能終端進(jìn)行耦合連接，雙系統(tǒng)通過工業(yè)環(huán)網(wǎng)將系統(tǒng)數(shù)據(jù)實時傳輸至地面數(shù)據(jù)服務(wù)器上，通過ifix進(jìn)行組態(tài)編程，實現(xiàn)一鍵啟?？刂?。工作面控制系統(tǒng)在轉(zhuǎn)載機機頭位置布置KTC101-IC擴(kuò)音器，用于控制破碎機及轉(zhuǎn)載機，同時每沿工作面走向15 m間隔位置布置KTK101-1電話，電話間用25 m的電纜進(jìn)行連接，在末端電話位置安裝終端。皮帶控制系統(tǒng)在沿線位置布置本質(zhì)安全型閉鎖開關(guān)及KTK101-2-HA組合擴(kuò)音器，同時在皮帶機頭布置KJS101-8(12)下機位，保護(hù)機頭檢測。

圖2 采煤機牽引雙速度及瓦斯?jié)舛嚷?lián)動系統(tǒng)圖

2.3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

視頻系統(tǒng)是管理人員清楚檢測采煤現(xiàn)場及運行設(shè)備管理的重要保證，通過在液壓支架上部安裝視頻監(jiān)控儀，將連接器與綜合接入器進(jìn)行相連，實時將工作面視頻信號基于太網(wǎng)傳輸至順槽監(jiān)測中心計算機端，達(dá)到工作面工況的監(jiān)測，同時濃度傳感器同樣將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至順槽監(jiān)控中心端，完成數(shù)據(jù)的集中控制。工作面視頻監(jiān)控系統(tǒng)單元配置如圖3所示。

圖3 工作面視頻監(jiān)控系統(tǒng)單元配置如圖

在實際工作工程中，發(fā)現(xiàn)工作面壓力機流量不足，需要調(diào)節(jié)乳化液泵的數(shù)量，為滿足生產(chǎn)需求，最終確定，通過供液泵直接輸送至液箱，通過加壓后輸送至工作面，泵站裝有乳化箱、水箱、軟化水凈化裝置，泵站設(shè)備通過PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，實現(xiàn)自動化控制。

在完成分部設(shè)計后，設(shè)計一款語音通訊系統(tǒng)，用于覆蓋整個工作現(xiàn)場，通過語音播報功能，對任何操作信息和報警信息進(jìn)行反饋，并由機載顯示屏進(jìn)行顯示，通過工業(yè)環(huán)網(wǎng)與各區(qū)域間的通信連接，實現(xiàn)集中控制，統(tǒng)一調(diào)度的目的。如圖4所示。

圖4 語音通訊系統(tǒng)

3 應(yīng)用分析

對綜采面自動化控制系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用研究，發(fā)現(xiàn)設(shè)計的自動化控制系統(tǒng)達(dá)到如下成果：①液壓支架支護(hù)質(zhì)量明顯提升，瓦斯及滾幫現(xiàn)象得到有效控制；②液壓支架實現(xiàn)電液控制，監(jiān)控系統(tǒng)可實時顯示液壓支架支撐力，保證了支護(hù)質(zhì)量；③實現(xiàn)運輸系統(tǒng)、支架及工作面的三集中控制，提升工作效率；④頂板壓力實時顯示，為礦壓控制提供一定的依據(jù)；⑤提升了工作面自動化程度，減少工作面人員，提升了工作面人員安全程度，同時優(yōu)化了工藝環(huán)節(jié)。在三個月的使用過程中，未有設(shè)備出現(xiàn)故障及大型零件更換，提升了設(shè)備運行效率[3]。自動化控制系統(tǒng)如圖5所示。

自2020年10月1日至2021年3月底,22618工作面的產(chǎn)量為76.85萬噸，其中材料費433.79萬元，噸煤成本為5.93元/噸，比原工作面噸煤成本降低 4.08元/噸。同時經(jīng)過設(shè)計的自動化綜采面比普通綜采面在此時間段內(nèi)多生產(chǎn)22萬噸煤，降低成本380余萬元，自動化改造方案可行。

圖5 自動化控制系統(tǒng)

4 結(jié) 語

以鎮(zhèn)城底礦22618自動化工作面為研究背景，對工作面自動化進(jìn)行設(shè)計應(yīng)用實踐，重點對工組面液壓支架電液控制、采煤機自動化控制、運輸系統(tǒng)集中控制、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等進(jìn)行應(yīng)用分析，給出了綜采工作面自動化控制設(shè)計方案，通過實踐應(yīng)用，可有效提升工作面自動化程度，減少工作面人員，提升了工作面人員安全性，為礦井自動化開采提供一定的參考。