張培亭 孫建華 劉敬斌

摘要：趙樓煤礦位于巨野煤田中部，為山東省境內(nèi)沖擊地壓礦井之一。為響應國家沖擊地壓礦井“少人則安，無人則安”的號召，建設成為智能化礦井，該礦本著循序漸進、分步推進的原則，2019年在7301綜放工作面試點進行智能化改造工作，最終實現(xiàn)了工作面支架自動跟機、記憶截割、自動放煤、自動割三角煤等工序，將其建設成安全、高效的智能化采煤工作面。

關(guān)鍵詞：綜放工作面智能化安全高效應用實踐

7301綜放工作面是趙樓煤礦七采區(qū)首采工作面，面長230m，推進長度1407m，儲量343萬噸，工作面開采煤層為山西組3煤，平均厚度7.8m，煤層傾角平均3.5°，地質(zhì)條件相對簡單，屬于沖擊地壓工作面。該工作面為進行智能化改造，需要裝配全套智能化控制系統(tǒng)，包括支架電液控系統(tǒng)、采煤機記憶截割系統(tǒng)、三機遠程控制系統(tǒng)、工作面視頻監(jiān)控系統(tǒng)、智能泵站供液系統(tǒng)、井下集控中心和地面集控中心等幾個部分。

1 智能化改造內(nèi)容

7301工作面智能化系統(tǒng)是一套完整的工作面自動化解決方案，系統(tǒng)將各個獨立的子系統(tǒng)集成，通過工業(yè)視頻監(jiān)控、無線環(huán)網(wǎng)通信、電液控制、慣導導航等多種技術(shù)的應用，實現(xiàn)工作面集控中心對設備的整體集中自動化監(jiān)控，確保工作面各設備協(xié)調(diào)、連續(xù)、高效、安全運行[1]。工作面智能化系統(tǒng)主要包含電液控系統(tǒng)、三機通訊系統(tǒng)、采煤機控制系統(tǒng)、泵站控制系統(tǒng)和工作面監(jiān)控中心等5個子系統(tǒng)。

1.1 硬件安裝

首先為液壓支架安裝電液控系統(tǒng)，支架配備控制器、液壓主閥、壓力傳感器、紅外發(fā)射器、電液換向閥和帶行程傳感器的千斤頂?shù)纫幌盗须娨嚎卦O備，以實現(xiàn)無線遙控操作和自動跟機移架[2]。為采煤機安裝慣性導航系統(tǒng)及高精度傳感器，實現(xiàn)采煤機記憶截割和運行速度智能化控制。工作面三機及皮帶機安裝智能煤流運輸系統(tǒng)，配備控制器、本安電源、組合擴音電話、通訊拉力電纜、智能終端和監(jiān)控攝像頭等智能化設備，實現(xiàn)轉(zhuǎn)載點可視監(jiān)控、三機遠程操作和煤量智能化控制功能[3]。配置遠程供液、智能泵站控制系統(tǒng)，實現(xiàn)乳化液自動配比、液箱自動補液和流量智能化控制功能[4]。配備運輸巷道、工作面高清視頻監(jiān)控中心，實現(xiàn)轉(zhuǎn)載點遠程視頻監(jiān)控功能。

1.2 電液控系統(tǒng)融合

由于首次進行試點，7301工作面安裝了兩套電液控系統(tǒng)，安裝完成后為實現(xiàn)無縫對接，主要采取互發(fā)紅外位置的方式來進行測試和融合，然后再進行自動跟機程序的調(diào)試[5]。

1.3 工作面中部跟機程序調(diào)試

電液控系統(tǒng)融合、采煤機位置穩(wěn)定之后，開始調(diào)試采煤工作面中間段自動化參數(shù)程序，并全面觀察，發(fā)現(xiàn)問題予以解決排除，例如，放煤和自動推溜的連續(xù)性對接不斷持續(xù)改進，在頂板條件允許的情況下基本可以保證常態(tài)的全面自動化使用[6]。

1.4 端頭自動割三角煤調(diào)試

重點調(diào)試端頭割三角煤自動跟機和采煤機記憶截割，通過研討確定了割三角煤支架自動跟機的7個工序段和采煤機記憶截割的23個工序段，并據(jù)此編寫程序，現(xiàn)場予以實施[7]。

1.5 全面自動跟機常態(tài)化運行

自動割三角煤程序和采煤機記憶截割運行穩(wěn)定，實現(xiàn)了常態(tài)化使用，自動跟機率和記憶截割率均達到95%以上。

2采煤工作面智能化系統(tǒng)的主要組成部分及應用

2.1液壓支架及超前支架電液控制系統(tǒng)

電液控制系統(tǒng)重點是控制工作面液壓支架及超前支架，并且可以充當傳輸數(shù)據(jù)的工作面平臺。智能電液控制系統(tǒng)實施以太網(wǎng)場地總線控制模式，跟以往的CAN總線控制模式相比來講[8]，其顯著提升了執(zhí)行水平和傳輸數(shù)據(jù)速率，拓展了控制范圍。結(jié)合工控平臺控制，電液系統(tǒng)可以實時調(diào)整和優(yōu)化全部、局部工作面范圍的液壓支架的工作情況，確保支架成組或單架動作的高效精準完成，確保自適應控制液壓支架。其中，供電系統(tǒng)、傳感器、上位機、液壓主閥、控制器等5個組成部分構(gòu)成了液壓支架以及超前支架電液控制系統(tǒng)[9]。液壓主閥連接了傳感器和控制器，視頻攝像頭和LED照明等連接在控制器下，結(jié)合標準型電纜連接控制器，以使電液控制系統(tǒng)形成，且結(jié)合交換機向工控平臺接入。該系統(tǒng)應用了以分層技術(shù)在相同界面上統(tǒng)一呈現(xiàn)液壓支架的工作情況和數(shù)據(jù)分析報告[10]。此控制系統(tǒng)具備的作用有預警、采煤路徑規(guī)劃設計、無線遙控、呈現(xiàn)支架工作情況、急停閉鎖、支架運行管理等。其中，直觀呈現(xiàn)支架護幫板情況、采煤機推移位置和軌跡行程、煤機方向和位置、支架立柱壓力等是支架運行狀態(tài)顯示功能的作用;結(jié)合對隔架或鄰近支架的組合及單組動作進行控制，并且進行跟機自動化操作，確保自動截割三角煤，這是支架運行控制功能的作用;結(jié)合無線遙控質(zhì)量對工作面超前支架或支架的推進情況進行遠程指導，以使智能化的工作面支護工藝實現(xiàn)，這是無線遙控功能的作用;根據(jù)突發(fā)情況有效地控制設備的運行情況是急停閉鎖功能的作用，即在突發(fā)情況存在于工作面的時候，結(jié)合對急停按鈕的控制，暫停設備運行，保障工作面設備和人員的安全性;結(jié)合工控平臺的智能化控制功能建構(gòu)路徑運行規(guī)劃，確保智能化控制采煤機，這是采煤機路徑設計規(guī)劃功能的作用[11];結(jié)合工控平臺礦壓規(guī)劃指令的接收可以很好地探究工作面頂板周期來壓的強度及初期來壓的周期等，進而預測下次頂板來壓的狀態(tài)，從而更好地預防事故的形成，這是礦壓分析與預警功能的作用。

2.2三機控制系統(tǒng)

驗證煤礦高效安全生產(chǎn)及智能化工作面建設指標的是工作面設備的“三直兩平”。三機控制系統(tǒng)的基礎是采煤機的精準定位，其結(jié)合工控平臺處理和分析數(shù)據(jù)的功能、圖像識別技術(shù)、行程傳感器等生成刮板運輸機的軌跡曲線，且以此為前提條件及時調(diào)整工作面液壓支架的部位，確保采煤機、刮板運輸機、液壓支架的平直12]。并且，三機控制系統(tǒng)可以結(jié)合工控平臺對工作面端頭的視頻數(shù)據(jù)進行分析處理，以及很好地識別和處理大塊煤體，防范損壞轉(zhuǎn)載機。三機控制系統(tǒng)的組成部分是工控平臺、數(shù)據(jù)交換機、就地控制箱。其中，三機就地控制箱可以結(jié)合工作面?zhèn)鬏敂?shù)據(jù)的平臺連接工控平臺，從而實時傳輸或交換數(shù)據(jù)。5ACDBFB3-5564-42F5-BC02-264395F5F732

2.3采煤機控制系統(tǒng)

作為智能化采煤工作面的關(guān)鍵組成部分，采煤機控制系統(tǒng)也屬于高效回采煤炭資源的中心環(huán)節(jié)。采煤機控制系統(tǒng)的兩大組成部分是工控平臺和就地控制，其功能是環(huán)境和綜采聯(lián)動、安全防護、采煤路徑規(guī)劃等。采煤機應用雙向傳輸?shù)姆绞絺鬏敂?shù)據(jù)，不但能夠結(jié)合本身具備的數(shù)據(jù)線交換數(shù)據(jù)，而且可以通過工作面?zhèn)鬏敂?shù)據(jù)的平臺接收與傳輸數(shù)據(jù)，其環(huán)境適應能力和抗干擾性非常強。采煤機控制系統(tǒng)的主要組成部分是數(shù)據(jù)交換機、工控平臺、上位機[13]。在順槽控制室當中安裝了控制系統(tǒng)，經(jīng)由交換機跟工控平臺連接著采煤機，結(jié)合工作面?zhèn)鬏敂?shù)據(jù)的平臺向工控平臺接入生產(chǎn)數(shù)據(jù)，以使雙向傳輸數(shù)據(jù)的通信作用實現(xiàn)?？傊?，采煤機控制系統(tǒng)旨在控制和規(guī)劃采煤機路徑。當今，針對賦存構(gòu)造不存在顯著改變和巷道頂?shù)装宸€(wěn)定的條件下，智能化采煤工作面應用記憶截割方式業(yè)已實現(xiàn)了相應的效果，然而，針對工作面存在較大改變和結(jié)構(gòu)復雜的巷道頂?shù)装鍡l件，智能化工作面采煤生產(chǎn)依舊面臨相應的缺陷。為了完善這種不足之處、確保采煤生產(chǎn)的穩(wěn)定進行，采煤機智能控制系統(tǒng)結(jié)合工控平臺可以分析和處理數(shù)據(jù)，從而有效規(guī)劃采煤機下六刀的路徑，并且結(jié)合順槽控制室采煤機上位機將工作面高度修正值輸入這種手段，確保取得有關(guān)的工作面地質(zhì)結(jié)構(gòu)截割曲線，從而智能化、高效化截割煤層。跟以往的采煤機記憶截割工藝技術(shù)相比，此系統(tǒng)顯著提升了適應性與精確度。

2.4工作面視頻控制系統(tǒng)

作為智能化采煤工作面的“眼睛”，工作面視頻控制系統(tǒng)擔負著記錄和監(jiān)控工作面整體的任務。工作面視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合工控平臺分析、識別視頻圖像信息，可以明確工作面頂板賦存、巷道圍巖、工作面煤壁等現(xiàn)狀，并且可以實時追蹤工作面液壓支架底座前面部位、刮板運輸機、液壓支架內(nèi)護幫板。根據(jù)視頻分析結(jié)論，能夠適度調(diào)整和優(yōu)化三機的部位，保障設備平直度，實現(xiàn)巷道、工作面支護強度和質(zhì)量的提升?？傊ぷ髅嬉曨l控制系統(tǒng)重點主要實現(xiàn)監(jiān)測工作面設備運行情況、視頻跟機自動切換、追蹤井下定位人員、通過紅外補光生成高清晰度礦井生產(chǎn)現(xiàn)場視頻資料，并通過對視頻數(shù)據(jù)的有效分析，生成對工作面智能化控制指令等功能。

3 實現(xiàn)的功能及取得的成效

3.1 實現(xiàn)的功能

經(jīng)過調(diào)試，7301智能化主要實現(xiàn)了以下功能。

液壓支架采用ZF17000/22/42型高阻力放頂煤支架，配套電液控系統(tǒng)和壓力、行程、紅外、聲光報警等各類傳感器，能夠?qū)χЪ茏藨B(tài)進行自主感知、自動控制。目前，工作面支架全部實現(xiàn)了自動跟機，自動跟機率保持在90%以上。

采煤機采用MG900/2395-WD型大功率采煤機，配備記憶截割組件和慣導系統(tǒng)，具備就地/遠程控制、自主定位、采高精確控制功能。現(xiàn)已實現(xiàn)工作面生產(chǎn)全程記憶截割，記憶截割率保持在90%以上。

運輸皮帶采用DSJ140/260/4×500型膠帶輸送機，配備變頻驅(qū)動和自動張緊裝置，實現(xiàn)了驅(qū)動工況監(jiān)測、自動調(diào)速、自動張緊。同時，轉(zhuǎn)載機身和溜煤眼上口各安裝一臺破碎機，實現(xiàn)了大塊煤矸的分級破碎。皮帶機頭和轉(zhuǎn)載機頭通過設置可視化監(jiān)控，取消了崗點司機，實現(xiàn)了工作面強沖擊危險區(qū)域無人作業(yè)，大幅提升了礦井安全生產(chǎn)水平。

泵站采用BRW630/37.5型乳化液泵和BPW500/16型噴霧泵，配備智能流量控制系統(tǒng)、凈化水裝置、乳化液自動配比裝置、高壓反沖洗過濾器和蓄能器，具備多泵聯(lián)機啟停、恒壓供液、乳化液自動配比、狀態(tài)監(jiān)測、液位顯示、自動反沖洗和流量自動控制等功能，實現(xiàn)了遠程集中控制、無人值守。

工作面和地面分別配備一套集控中心，能夠?qū)ぷ髅娓髟O備、各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行匯集、處理、顯示和控制，現(xiàn)已實現(xiàn)工作面各設備的遠程/就地和遠程控制，煤機、支架、三機協(xié)同控制和流程啟停。

3.2 取得的成效

目前，7301智能化采煤工作面每班生產(chǎn)人員只需7人，與傳統(tǒng)開采相比減少9人，降幅達56%;同時通過轉(zhuǎn)載點視頻監(jiān)控，取消了轉(zhuǎn)載機司機，實現(xiàn)了工作面強沖擊危險區(qū)域無人作業(yè)，大幅提升了礦井安全生產(chǎn)水平。

智能化控制系統(tǒng)的成功應用，克服了高溫、高濕、強腐蝕性水質(zhì)等惡劣環(huán)境的影響，檢驗了智能化設備的可靠性，驗證了智能化系統(tǒng)在千米埋深復雜地質(zhì)條件沖擊地壓礦井應用的可行性。

4 結(jié)語

實踐證明，通過采煤工作面智能化改造，可以達到減人增效的效果，符合“人少則安”的指導思想，同時，智能化建設需從自動化調(diào)試轉(zhuǎn)變到自動化常態(tài)化使用上來，不能曇花一現(xiàn)，這是個任重道遠的任務，需要及時暴露和發(fā)現(xiàn)存在的問題，持續(xù)改進、不斷進步。

參考文獻

[1]? 王國法，龐義輝，任懷偉.煤礦智能化開采模式與技術(shù)路徑[J].采礦與巖層控制工程學報，2020（1）：1-15.

[2]? 王國法，劉峰，龐義輝，等.煤礦智能化——煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的核心技術(shù)支撐[J].煤炭學報，2019（2）：349-357.

[3]? 劉峰，曹文君，張建明.持續(xù)推進煤礦智能化促進我國煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展[J].中國煤炭，2019（12）：32-36.

[4]? 王國法，杜毅博.智慧煤礦與智能化開采技術(shù)的發(fā)展方向[J].煤炭科學技術(shù)，2019（1）：1-10.

[5]? 王國法，劉峰，孟祥軍，等.煤礦智能化（初級階段）研究與實踐[J].煤炭科學技術(shù)，2019（8）：1-36.

[6]? 李首濱.智能化開采研究進展與發(fā)展趨勢[J].煤炭科學技術(shù)，2019（10）：102-110.

[7]? 唐恩賢，張玉良，馬騁.煤礦智能化開采技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望[J].煤炭科學技術(shù)，2019（10）：111-115.

[8]? 李森.基于慣性導航的工作面直線度測控與定位技術(shù)[J].煤炭科學技術(shù)，2019（8）：169-174.

[9]? 王國法，趙國瑞，任懷偉.智慧煤礦與智能化開采關(guān)鍵核心技術(shù)分析[J].煤炭學報，2019（1）：34-41.

[10]????? 呂鵬飛，何敏，陳曉晶，等.智慧礦山發(fā)展與展望[J].工礦自動化，2018（9）：84-88.

[11]????? 周俊.智能化綜采工作面技術(shù)在鎮(zhèn)城底礦的應用[J].機械管理開發(fā)，2019（12）：232-233.

[12]????? 趙朋，白建軍，呂懷寶.智能化綜采工作面機電設備管理研究[J].山東煤炭科技，2019（12）：180-182.

[13]????? 我國煤礦綜采智能化取得重大突破[J].設備監(jiān)理，2019（12）：14.5ACDBFB3-5564-42F5-BC02-264395F5F732