時小軍

（山西古縣蘭花寶欣煤業(yè)有限公司， 山西 臨汾 042405）

引言

煤礦井下綜采面平均煤層厚度為5.7 m，最薄處的煤層厚度約為3.2 m，巷道基本頂為粉砂巖，平均厚度約為3.2 m，直接頂為泥巖和砂巖的混合結構，平均厚度約5.4 m，直接底為砂質(zhì)泥巖，平均厚度約為11.77 m，基本底為泥巖，平均厚度約為8.32 m。工作面采用走向長壁綜合機械化放頂煤開采，采空區(qū)處理采用頂板全部垮落法。由于煤層的強度相對較低，因此煤機截深確定為800 mm，采高確定為3.1 m，放煤高度確定為2.5 m。采放比為1.24∶1，放煤步距為800 mm。

煤礦井下作業(yè)面采煤機在綜采作業(yè)時采用了人工截割控制，而且采煤機和液壓支架的配合需要人工去判斷調(diào)整時機并做出調(diào)整，效率極低而且安全性極差，已經(jīng)無法滿足高效綜采的作業(yè)需求，因此提出了新的自動化綜采技術方案，對采煤機和液壓支架控制系統(tǒng)進行改造，實現(xiàn)井下的自動化綜采作業(yè)及采煤機和液壓支架的聯(lián)動運行控制，有效提升了井下綜采的效率和安全性，根據(jù)實際應用表明，新的自動化控制技術能夠?qū)⒕伦鳂I(yè)人員數(shù)量降低47%，將綜采效率提升38.5%，對提升煤礦井下作業(yè)安全和效率具有十分重要的意義。

1 采煤機自動截割控制

為了滿足井下采煤機自動截割以及和液壓支架聯(lián)動運行的作業(yè)需求，首先對煤礦井下的綜采作業(yè)流程進行了優(yōu)化，優(yōu)化后的流程為端部斜切進刀→割煤→拉架→放頂煤→拉后部輸送機→推前部輸送機→進入下一循環(huán)。

根據(jù)井下掘進機的實際情況，考慮改造難度和可行性，本文所提出的采煤機自動截割控制系統(tǒng)整體結構如圖1 所示。

由圖1 可知，該自動截割控制系統(tǒng)主要包括了電控系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、傳感器監(jiān)測系統(tǒng)，以及視頻監(jiān)控系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)5 個部分。

圖1 采煤機自動截割控制系統(tǒng)

傳感器監(jiān)測模塊是系統(tǒng)的基礎，主要由布置在采煤機上的各類傳感器組成，用于識別采煤機截割作業(yè)時的位置、采煤機截割姿態(tài)等，確保截割作業(yè)的精確性。電控系統(tǒng)主要由上位機和下位機構成，分別用于人機交互顯示、數(shù)據(jù)信息輸入等，實現(xiàn)對監(jiān)測數(shù)據(jù)的顯示和分析。電控系統(tǒng)的核心為PLC 控制器，主要用于對監(jiān)測傳感器的監(jiān)測結果進行數(shù)據(jù)分析和處理，判斷出采煤機目前的位置和截割作業(yè)狀態(tài)，進而決定接下來的調(diào)整信息，實現(xiàn)對采煤機運行狀態(tài)的精確調(diào)整。

執(zhí)行單元主要是接收控制系統(tǒng)發(fā)送的指令信息，然后經(jīng)過比例放大閥和運動放大卡的放大后將其傳輸給比例電磁閥和電控系統(tǒng)，控制采煤機的執(zhí)行油缸進行動作，調(diào)整截割高度、截割轉(zhuǎn)速等，滿足自動截割控制需求。顯示系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)，主要通過高清攝像設備對井下采煤機的運行狀態(tài)進行監(jiān)控，實現(xiàn)對采煤機運行狀態(tài)的遠距離控制，便于監(jiān)控人員對井下采煤機作業(yè)狀態(tài)的及時調(diào)控[1-2]。

2 液壓支架跟機自動控制

由于井下采煤機和液壓支架的配合要求高、穩(wěn)定性高，因此本文提出了一種新的液壓支架跟機自動控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)同樣具有遠程監(jiān)測和控制功能，包括地面控制中心和井下監(jiān)測執(zhí)行單元2 個部分，具體又分為電液控制子系統(tǒng)、順槽監(jiān)控子系統(tǒng)以及地面監(jiān)控子系統(tǒng)3 個部分，整體結構如圖2 所示。

圖2 液壓支架跟機自動控制系統(tǒng)

由圖2 可知，電液控制系統(tǒng)是該控制系統(tǒng)的核心，主要由各類傳感器、換向閥及支架電液控制部分構成，利用三軸陀螺儀傳感器實現(xiàn)對液壓支架支護姿態(tài)和位置的監(jiān)測，為了避免采煤機進給作業(yè)過程中和支架的護幫板產(chǎn)生干涉，系統(tǒng)內(nèi)設置了視覺監(jiān)測系統(tǒng)，用于獲取采煤機和支架的相對位姿信息，滿足精確監(jiān)控的需求。當系統(tǒng)收到控制單元傳輸?shù)恼{(diào)整指令后，由電液控制器來實現(xiàn)對各個支架支護狀態(tài)的調(diào)整。該子單元內(nèi)的數(shù)據(jù)信息采用了Ethernet（以太網(wǎng)）與Powerlink（實時通信技術）通信模塊，滿足大數(shù)據(jù)傳輸快速性和安全性的需求。

支架順槽監(jiān)控子系統(tǒng)設置在井下的設備列車上，主要包括了液壓支架的遠程控制模塊、通信模塊、數(shù)據(jù)交互模塊等，各類傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸?shù)街Ъ艿谋O(jiān)控中心，而各類數(shù)據(jù)控制指令的傳輸則是通過實時通信技術來實現(xiàn)的，滿足快速、精確的數(shù)據(jù)傳輸需求。

地面監(jiān)控子系統(tǒng)主要用于顯示井下采煤機和液壓支架的聯(lián)動運行狀態(tài)，能夠使監(jiān)控人員實時地對液壓支架的支護狀態(tài)數(shù)據(jù)進行監(jiān)測[3-4]。

3 綜采自動化應用效果

井下綜采自動化控制系統(tǒng)建立以后，對優(yōu)化前后的綜采面狀況進行分析，新系統(tǒng)投入應用后顯著提升了井下綜采面的自動化程度，將井下綜采面作業(yè)人員的數(shù)量降低了47%，將綜采效率提升了38.5%，顯著提升了井下綜采面的綜采效率和安全性，為進一步實現(xiàn)井下綜采作業(yè)的“無人化”奠定了基礎，目前已經(jīng)在多個綜采面投入應用，其井下布置如圖3 所示。

圖3 井下自動化綜采面結構

4 結論

針對煤礦井下綜采自動化低、綜采經(jīng)濟性差的不足，對現(xiàn)有的綜采控制系統(tǒng)進行了改造升級，實現(xiàn)了采煤機的自動截割作業(yè)和液壓支架的跟機自動控制，有效的提升了井下綜采的效率和安全性，根據(jù)實際應用表明：

1）自動截割控制系統(tǒng)主要包括了電控系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、傳感器監(jiān)測系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)五個部分，能夠?qū)崿F(xiàn)對采煤機運行狀態(tài)的遠距離控制，便于監(jiān)控人員對井下采煤機作業(yè)狀態(tài)的及時調(diào)控。

2）液壓支架跟機自動控制系統(tǒng)包括了電液控制子系統(tǒng)、順槽監(jiān)控子系統(tǒng)以及地面監(jiān)控子系統(tǒng)3 個部分，能夠?qū)崿F(xiàn)液壓支架的跟機自動控制。

3）新的綜采面自動控制系統(tǒng)，能夠?qū)⒕戮C采面作業(yè)人員的數(shù)量降低了47%，將綜采效率提升了38.5%，顯著提升了井下綜采面的綜采效率和安全性，為進一步實現(xiàn)井下綜采作業(yè)的“無人化”奠定了基礎。