陳 科

（晉能控股煤業(yè)集團燕子山礦，山西 大同 037007）

燕子山礦的各類裝備投入時間不同，在最初規(guī)劃時沒有考慮各設備之間的協同運行需求，導致在實際使用過程中各個設備均為獨立運行模式，各設備之間的協同主要是靠人工經驗調整，效率低、安全性差，限制井下綜采作業(yè)效率進一步提升。

結合井下提效需求，通過井下綜采面智能集成控制系統(tǒng)，將采煤機、刮板輸送機、液壓支架相互連接，對其運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，根據監(jiān)測結果實現了智能聯動控制運行。根據煤礦井下實際應用表明，新的控制系統(tǒng)能夠將井下綜采效率提升8.1%，將井下作業(yè)人員數量降低63.75%，對于提升井下綜采作業(yè)的效率和安全性具有十分重要的意義。

1 綜采面智能集成控制系統(tǒng)

煤礦井下智能化綜采作業(yè)的核心是實現對綜采面采煤機、刮板輸送機、液壓支架運行的智能集成控制，改變以往各類設備獨立運行的模式，實現各綜采設備之間的自主耦合聯動運行，因此需要建立智能化集成控制系統(tǒng)，實現對綜采面上各設備運行狀態(tài)的集中調整和控制。

該智能集成控制系統(tǒng)主要包括地面控制中心、井下集控中心和數據傳輸系統(tǒng)三個部分。地面控制中心主要是控制系統(tǒng)的監(jiān)控終端，對井下綜采面各設備的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控，當出現異常時進行遠程調節(jié)，確保井下綜采作業(yè)的安全性。井下集控中心主要包括采煤機遠程操作臺、支架遠程操作臺、集控操作臺等，主要控制采煤機、液壓支架、刮板輸送機的協同運行。數據傳輸系統(tǒng)作為“橋梁”溝通井下和地面控制中心，滿足數據傳輸安全性和快速性的需求，是確保系統(tǒng)正常運行的關鍵。

2 采煤機、液壓支架聯動控制

井下集控中心的主要作用是對采煤機、液壓支架、刮板輸送機的運行狀態(tài)進行監(jiān)測并控制各類設備的協同運行，特別是采煤機和液壓支架的協調聯動，對確保煤礦井下的綜采作業(yè)安全和效率具有十分重要的意義。

為了滿足智能協同控制的需求，根據井下綜采作業(yè)的實際情況，要求采煤機能夠自動識別井下巖層狀態(tài)并控制截割機構進行自適應截割作業(yè)，同時液壓支架需要根據采煤機的實際運行情況跟隨采煤機完成自主跟機移架作業(yè)。采煤機、液壓支架的聯動控制作用原理如圖1[1]。

圖1 采煤機、液壓支架聯動控制方案

采煤機采用了人工記憶截割控制模式[2]。在工作過程中，先由人工控制采煤機根據井下的實際情況進行一次全周期截割，系統(tǒng)自動對人工控制模式下采煤機的截割姿態(tài)、截割參數進行記錄，將數據存儲到控制中心內。當采煤機處于記憶截割的模式下時，系統(tǒng)自動調取對應的截割參數信息，控制采煤機的自動截割作業(yè)。

為了保證液壓支架和采煤機相對位置定位的準確性，在采煤機上設置了紅外線定位發(fā)射裝置[3]，在液壓支架上設置了紅外線定位接收裝置。采煤機在運行過程中連續(xù)發(fā)出紅外線信號，液壓支架接收到信號后即可判斷出和采煤機的相對位置，然后將相關信息傳遞到集控中心內，通過支架控制器來控制支架組的跟機、推移、護幫等動作，確保液壓支架和采煤機動作的協調性。

根據實際監(jiān)測，采用采煤機、液壓支架協同運行控制后，采煤的效率由最初的873 噸/工，提高到了目前的944 噸/工，效率提升了8.1%，有效地降低了井下綜采作業(yè)時的勞動強度和設備協同失效導致的停機事故。

3 綜采面智能支護控制

液壓支架在井下支護的過程中，不同階段的支護狀態(tài)需求不同，其支護的核心要求是支架支護強度需要和適應圍巖的變化狀態(tài)，從而降低巷道頂板的下沉量。但在實際使用過程中由于受泄漏或者其他因素影響，液壓支架支護時的支撐力會逐漸降低，影響支護安全性。目前主要通過人工排查的方法進行調整，保持支撐力，但由于支架數量多、地質環(huán)境復雜，人工調節(jié)方案存在效率低、調節(jié)精確性差的不足。

為了保證信息采集的準確性，在液壓支架的一級護幫板上設置了行程傳感器和壓力傳感器。工作時壓力傳感器將數據信息傳遞給智能控制系統(tǒng)，系統(tǒng)同步對圍巖的變形情況和礦壓情況進行監(jiān)測，若系統(tǒng)判定需要對液壓支架進行補壓，則控制液壓系統(tǒng)工作，為指定的液壓支架進行補壓。補壓控制模式如圖2。

圖2 智能補壓控制邏輯

以常用的GYZ4 型液壓支架為例，其工作時的設定壓力為30 MPa，在井下支護過程中所設定的補壓下限值P1=26 MPa，P0=20 MPa。在補壓時為了確保支護的穩(wěn)定性，可根據實際情況設定補壓延時時間T0、T1和T2。支架工作過程中，當由于頂板松動或者其他原因導致液壓支架的支撐壓力小于設定值后，系統(tǒng)會自動識別并進行補壓，保持液壓支架在整個支護過程中壓力的穩(wěn)定性，提高對不同地質條件支護的靈活性。

根據在井下的實際應用，該液壓支架智能支護調節(jié)模塊能夠實現對井下液壓支架組的集中控制，對支護壓力的調節(jié)精度可達0.01 MPa，能夠有效地確保井下支架的支護可靠性。

4 刮板輸送機調直控制

刮板輸送機不僅是井下物料運輸的核心設備，還是采煤機和液壓支架進行移動的支點。由于井下地質條件較為復雜，采煤機、液壓支架在運行過程中需要保持一定的運行直線度，否則會影響井下的綜采作業(yè)。目前主要采用人工校正調直的方案，效率低且精度差，難以滿足井下自動化綜采作業(yè)的控制需求。因此本文提出了一種新的刮板輸送機自動調直控制方案，通過對采煤機運行軌跡的監(jiān)測，判斷出刮板輸送機的偏移量，然后通過控制液壓支架每次調整時的位移量，來實現對刮板輸送機直線度的調整。

由于井下綜采面較長，因此為了保證監(jiān)測信號傳輸的精確性，沿著綜采面設置了無線傳輸基站。基站的距離根據井下實際情況確定，一般不超過100 m。各個基站和集控中心之間采用高速光纖網絡相連接，確保井下數據傳輸的可靠性。

在實際工作過程中，在采煤機上設置慣性導航定位裝置[4]，對采煤機在井下的運行軌跡進行精確監(jiān)測，然后自動解算出對應的刮板輸送機的軌跡，進而判斷出刮板輸送機的彎曲度。由于采用了組合式導航模式，因此在系統(tǒng)內只需要確定采煤機的行走距離，導航定位系統(tǒng)將會自動對物體的運動坐標進行測算，將測算結果和理論坐標對比，即可判斷出運行軌跡的精度。當出現偏差后系統(tǒng)進行慣性導航修正，滿足運行精確性的需求。實際應用表明，該自動定位裝置的監(jiān)測精度達到了±0.1 m，完全滿足對采煤機運行軌跡的精確監(jiān)測需求。其監(jiān)測原理如圖3。

圖3 采煤機運行軌跡監(jiān)測原理圖

根據在燕子山煤礦井下的實際應用表明，該智能綜采集控系統(tǒng)能夠將井下綜采作業(yè)人員數量由160 人降低到58 人，人員減少了63.75%，極大地提升了煤礦井下綜采作業(yè)的自動化程度和安全性。

5 結論

針對煤礦井下綜采面智能化程度低、綜采作業(yè)人員多、效率低的不足，針對性地對智能化綜采的關鍵技術進行了研究，提出一種新的綜采面智能集成控制系統(tǒng)，對該系統(tǒng)的結構和應用情況進行了分析，結果表明：

（1）智能集成控制系統(tǒng)主要包括地面控制中心、井下集控中心和數據傳輸系統(tǒng)三個部分，能夠實現對綜采面上各設備運行狀態(tài)的集中調整和控制。

（2）采用采煤機、液壓支架協同運行控制后，采煤效率提升了8.1%，有效地降低了井下綜采作業(yè)時的勞動強度和設備協同失效導致的停機事故。

（3）井下液壓支架支護智能調節(jié)模塊能夠將液壓支架工作時的支護壓力維持在0.01 MPa 范圍內，能夠有效提升液壓支架的支護穩(wěn)定性。

（4）新的智能綜采集控系統(tǒng)能夠將井下綜采作業(yè)人員數量減少63.75%，極大地提升了煤礦井下綜采作業(yè)的自動化程度和安全性。