李國強(qiáng)

（山西寧武大運(yùn)華盛老窯溝煤業(yè)有限公司， 山西 寧武 036700）

引言

煤炭是我國的基礎(chǔ)性能源資源，占據(jù)了我國一次性能源消耗總量的55%以上[1]，煤炭的開采主要包括了回采作業(yè)面開采以及掘進(jìn)作業(yè)面開采，掘進(jìn)作業(yè)面開采的機(jī)械化和自動化程度均不足，主要是依靠人工進(jìn)行綜采。由于井下高濕、高塵、高噪聲的作業(yè)環(huán)境再加上冒頂片幫、瓦斯突出、底板突水等異常，給井下綜采作業(yè)帶來了極大的危險(xiǎn)，嚴(yán)重限制了井下綜采作業(yè)效率和安全性的進(jìn)一步提升。

結(jié)合煤礦井下綜采作業(yè)的實(shí)際情況，提出了一種新的井下綜采面智慧綜采技術(shù)方案，首先對井下綜采面的綜采作業(yè)流程進(jìn)行優(yōu)化，使其滿足機(jī)械化自動綜采需求，然后建立機(jī)械化自動綜采聯(lián)動控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對整個(gè)綜采面作業(yè)流程的“一個(gè)流”控制，能夠根據(jù)井下地質(zhì)情況自動調(diào)整綜采作業(yè)狀態(tài)。根據(jù)驗(yàn)證，該智慧化綜采作業(yè)系統(tǒng)能夠?qū)⒕戮C采作業(yè)效率提升24.3%，將綜采面作業(yè)人員數(shù)量降低44.7%，初步實(shí)現(xiàn)了井下智能化控制作業(yè)，具有較大的應(yīng)用推廣價(jià)值。

1 綜采面作業(yè)工序優(yōu)化

煤礦井下綜采面的綜采作業(yè)主要是利用采煤機(jī)將煤炭從煤壁上截割下來，然后通過刮板輸送機(jī)運(yùn)輸?shù)街付ǖ攸c(diǎn)的過程，在綜采作業(yè)時(shí)還需要根據(jù)綜采的實(shí)際進(jìn)度支護(hù)巷道，保持巷道在綜采作業(yè)過程中的穩(wěn)定性。目前由于采用以人工為主的綜采作業(yè)方案，因此截割、支護(hù)、運(yùn)輸、環(huán)境監(jiān)測等均為獨(dú)立運(yùn)行模式，相互之間存在著較大非關(guān)聯(lián)性。為了滿足智慧綜采作業(yè)的需求，首先對井下綜采作業(yè)及監(jiān)測需求進(jìn)行分類，在綜采作業(yè)方面嚴(yán)格規(guī)定作業(yè)按照煤巖狀態(tài)探測→綜采→支護(hù)→運(yùn)輸?shù)捻樞蜻M(jìn)行，在綜采安全監(jiān)測方面則根據(jù)監(jiān)測對象的不同分別采用視頻監(jiān)測及傳感器探測控制的方式，確保了對井下各監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)

確性，綜采面各開采工序分配如圖1 所示[2]。

圖1 作業(yè)面綜采工序分布圖

由圖1 可知，通過對作業(yè)工序和綜采作業(yè)環(huán)境狀態(tài)的分類優(yōu)化，能夠?yàn)閷?shí)現(xiàn)對井下綜采及工作環(huán)境的可靠監(jiān)測和預(yù)警，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)智慧化控制奠定了基礎(chǔ)。

2 智慧化綜采控制系統(tǒng)

煤礦井下智慧化綜采的核心，是建立一套聯(lián)動控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對井下綜采、環(huán)境監(jiān)測、排水、供電、通風(fēng)系統(tǒng)的一體化運(yùn)行控制，為了適應(yīng)不同礦井的需求，該智慧化綜采控制系統(tǒng)采用了模塊化的控制邏輯，包括圍巖探測系統(tǒng)、生產(chǎn)控制系統(tǒng)及視頻監(jiān)控系統(tǒng)三個(gè)部分，滿足從井下圍巖狀態(tài)探測、智能掘進(jìn)、智能支護(hù)、智能運(yùn)輸及井下綜采作業(yè)狀態(tài)安全監(jiān)控和調(diào)整的需求，該智慧化綜采控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如下頁圖2 所示[3]。

由圖2 可知，該綜采控制系統(tǒng)中，圍巖探測系統(tǒng)主要是對井下圍巖的狀態(tài)進(jìn)行探測，提供圍巖的硬度分布、圍巖穩(wěn)定性信息，作為采煤機(jī)智能化掘進(jìn)控制調(diào)整的依據(jù)，其關(guān)鍵難點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)對井下圍巖的快速判斷和分析，滿足智能化綜采控制中隨探、隨掘的連續(xù)綜采作業(yè)需求。

圖2 智慧化綜采控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

生產(chǎn)控制系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)井下采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)的“一個(gè)流”連續(xù)運(yùn)行控制，包括采煤機(jī)的自動截割控制、液壓支架的跟機(jī)自動支護(hù)控制及刮板輸送機(jī)、采煤機(jī)的運(yùn)量- 綜采速度聯(lián)動運(yùn)行控制技術(shù)，保證在綜采作業(yè)過程中綜采- 支護(hù)- 運(yùn)輸?shù)膭討B(tài)平衡性。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)，主要是實(shí)現(xiàn)對井下通風(fēng)除塵、瓦斯?fàn)顟B(tài)監(jiān)測及巷道變化情況的監(jiān)控，當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)及時(shí)進(jìn)行報(bào)警和調(diào)整，確保整個(gè)井下綜采作業(yè)環(huán)境的穩(wěn)定性。

3 圍巖探測系統(tǒng)

在傳統(tǒng)的井下綜采作業(yè)中，對井下圍巖狀態(tài)的勘探主要是通過鉆井取樣分析的方案進(jìn)行，雖然精度較高，但效率低，無法滿足井下隨探隨掘的需求，而且由于采用了人工截割控制，因此對井下地質(zhì)狀態(tài)的判斷主要是由人工識別，要滿足自動綜采的作業(yè)需求就需要建立井下地質(zhì)狀態(tài)快速探測及圍巖狀態(tài)快速判斷系統(tǒng)，其整體結(jié)構(gòu)如圖3 所示[4]。

圖3 圍巖狀態(tài)快速探測系統(tǒng)

由圖3 可知，該系統(tǒng)主要采用了三維激光掃描及地圖構(gòu)建系統(tǒng)，通過激光掃描點(diǎn)云圖，實(shí)現(xiàn)對井下圍巖地質(zhì)情況及巷道狀態(tài)的快速判斷并繪制三維地質(zhì)模型，通過UWB[5]測煤厚雷達(dá)實(shí)現(xiàn)對井下煤巖厚度的快速探測。對圍巖狀態(tài)的判斷則采用了物探和超聲波探測相結(jié)合的模式，解決了物探精度高、速度慢，超聲波探測速度快、精度不足的缺陷。同時(shí)系統(tǒng)內(nèi)加入了視頻增強(qiáng)與識別技術(shù)，作為輔助探測工具，實(shí)現(xiàn)對井下巷道及綜采面地質(zhì)狀況的快速確定。

該圍巖探測系統(tǒng)，充分考慮了自動化綜采作業(yè)的需求，采用多種判別方式相結(jié)合的模式，避免了井下惡劣環(huán)境中圍巖狀態(tài)識別率不足的問題，保證了對井下圍巖狀態(tài)判斷的準(zhǔn)確性。

4 采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)聯(lián)動運(yùn)行控制

由于采煤機(jī)的普遍投入使用，因此井下的綜采作業(yè)效率已經(jīng)有了顯著的提升，單純依靠對采煤機(jī)的改善已經(jīng)無法進(jìn)一步提升綜采作業(yè)效率和經(jīng)濟(jì)性，通過對井下綜采作業(yè)過程的分析，目前影響綜采作業(yè)效率進(jìn)一步提升的瓶頸在于采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架間無法實(shí)現(xiàn)聯(lián)動運(yùn)行控制。因此為了滿足智慧化綜采作業(yè)的需求，提出建立采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)的“三機(jī)”聯(lián)動運(yùn)行控制系統(tǒng)，其整體結(jié)構(gòu)如圖4 所示[6]。

圖4 “三機(jī)”聯(lián)動運(yùn)行控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

由圖4 可知，在該控制系統(tǒng)中以工況監(jiān)測中心和“三機(jī)”聯(lián)動控制器為核心，工況監(jiān)測中心接收圍巖探測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息，為采煤機(jī)的記憶截割自動控制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，保證采煤機(jī)的自動截割控制系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。設(shè)置在采煤機(jī)和液壓支架上的紅外傳感器、圍巖傳感器等對采煤機(jī)和液壓支架的相對位置進(jìn)行判斷，通過支架跟機(jī)自動控制邏輯實(shí)現(xiàn)各液壓支架的跟機(jī)自動運(yùn)行控制。刮板輸送機(jī)則通過電流傳感器對運(yùn)行電流進(jìn)行監(jiān)控，判斷輸送機(jī)的負(fù)載狀態(tài)，跟機(jī)負(fù)載狀態(tài)對采煤機(jī)的截割速度進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)- 采煤機(jī)的動態(tài)平衡控制。

5 應(yīng)用情況分析

為了對該智能綜采控制系統(tǒng)的應(yīng)用效果進(jìn)行分析，對優(yōu)化前后的應(yīng)用情況進(jìn)行了匯總，優(yōu)化后的井下綜采作業(yè)效率由最初的4.8 m/d 提升到了目前的5.97 m/d，效率提升了24.3%，井下綜采面同時(shí)作業(yè)的人員數(shù)量由最初的43 人降低到了目前的24 人，人員數(shù)量降低了44.2%，表明該綜采系統(tǒng)能夠顯著提升井下綜采作業(yè)的效率和安全性，為實(shí)現(xiàn)智慧化煤礦及綜采奠定了基礎(chǔ)。

6 結(jié)語

為了解決煤礦井下綜采智能化程度不足、效率低、安全性差的不足，提出了一種新的煤礦井下綜采面支智慧綜采技術(shù)方案，對智慧化綜采控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明：

1）智慧化綜采控制系統(tǒng)采用了模塊化的控制邏輯，包括圍巖探測系統(tǒng)、生產(chǎn)控制系統(tǒng)及視頻監(jiān)控系統(tǒng)三個(gè)部分，滿足井下智慧化聯(lián)動運(yùn)行控制的需求；

2）圍巖探測系統(tǒng)，采用多種判別方式相結(jié)合的模式，避免了井下惡劣環(huán)境中圍巖狀態(tài)識別率不足的問題，保證了對井下圍巖狀態(tài)判斷的準(zhǔn)確性。

3）“三機(jī)”聯(lián)動運(yùn)行控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)的聯(lián)動運(yùn)行控制；

4）該智慧化綜采作業(yè)系統(tǒng)能夠?qū)⒕戮C采作業(yè)效率提升24.3%，將綜采面作業(yè)人員數(shù)量降低44.2%，初步實(shí)現(xiàn)了井下智能化控制作業(yè)。