王國鋒，沈 飛，程立嚴(yán)，謝楊華

(淮河能源控股集團煤業(yè)分公司，安徽省淮南市，232001)

0 引言

煤礦智能化建設(shè)是當(dāng)前煤炭行業(yè)發(fā)展的必然趨勢，采煤工作面的智能化是煤礦智能化的核心部分[1]。近年來，智能綜采實現(xiàn)了“可視化遠(yuǎn)程干預(yù)型”無人開采[2]，并逐步引入慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進行工作面直線度控制[3]；“十三五”期間，國家重點研發(fā)計劃項目“煤礦智能開采安全技術(shù)與裝備研發(fā)”對透明工作面智能開采技術(shù)進行了研究[4]，使得智能開采與回采環(huán)境的結(jié)合更加緊密。

相關(guān)學(xué)者圍繞國家能源集團智能綜采工作面建設(shè)提出了智能開采工作面初級、中級、高級智能化解決方案及其對應(yīng)功能[5]，提出了5種智能化采煤核心技術(shù)[6]以及智能控制程序與現(xiàn)場實際工序的匹配度[7]等問題，為智能綜采工作面建設(shè)提供了指導(dǎo)。

針對兩淮及其深部智能化開采問題，國內(nèi)學(xué)者進行了相關(guān)的研究與實踐。張建國等[8]對深部煤層智能化綜采工作面關(guān)鍵技術(shù)進行了研究，在平頂山天安煤業(yè)股份有限公司十礦實現(xiàn)了采煤機與支架的協(xié)調(diào)聯(lián)動采煤及“可視遠(yuǎn)程干預(yù)遙控，無人化操作”的智能化生產(chǎn)模式，形成“測量-計算-調(diào)直”的工作面智能化高精度調(diào)直方法；王國法等研究人員[9]對千米深井“三軟”煤層智能開采關(guān)鍵技術(shù)進行了研究，提出淮南礦區(qū)基于多參量監(jiān)測與融合分析的液壓支架智能自適應(yīng)控制策略、基于地質(zhì)信息模型和隨掘隨采探測動態(tài)修正的采煤機采高智能調(diào)控策略、基于刮板輸送機三向姿態(tài)智能監(jiān)測的異常工況預(yù)警與調(diào)控策略、綜采裝備群智能協(xié)同推進控制策略；任懷偉等[10]對煤礦千米深井智能開采關(guān)鍵技術(shù)進行了研究，研發(fā)了基于LORA的工作面液壓支架(圍巖)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，提出了基于大數(shù)據(jù)分析的礦壓分析預(yù)測方法，研發(fā)了基于Unity 3D的工作面三維仿真與運行態(tài)勢分析決策系統(tǒng)；唐永志[11]對淮南礦區(qū)煤炭深部開采技術(shù)問題與對策進行了研究，介紹了淮河能源控股集團張集煤礦(以下簡稱“張集煤礦”)1312(1)綜采工作面的智能化開采，形成“三軟”煤層復(fù)雜地質(zhì)條件下“以工作面自動控制為主，遠(yuǎn)程干預(yù)控制為輔”的自動化生產(chǎn)新模式；劉飛、張繼兵等[12-13]對張集煤礦1312(1)綜采工作面智能化開采實踐進行了介紹，實現(xiàn)了在地質(zhì)條件較好的情況下階段性記憶截割智能化生產(chǎn)，生產(chǎn)過程用工減少9人。

淮南礦區(qū)開采地質(zhì)條件復(fù)雜，在煤礦智能化建設(shè)及智能化綜采工作面建設(shè)方面需要克服一系列不利圍巖地質(zhì)條件，合理確定智能化開采系統(tǒng)與工藝，才能最終取得良好的應(yīng)用效果。顧橋煤礦是國家首批71處智能化示范煤礦之一，也是安徽省第一批6座智能化示范煤礦之一，筆者以顧橋煤礦1613(3)智能化綜采工作面為工程背景，介紹了1613(3)智能化綜采工作面建設(shè)效果和關(guān)鍵技術(shù)，并對智能化綜采工作面建設(shè)進行了展望，以期為淮南礦區(qū)及類似條件下的綜采工作面智能化建設(shè)提供借鑒。

1 智能化綜采工作面建設(shè)工程概況

1.1 綜采工作面概述

2021年7月21日，顧橋煤礦首個2.0+5G智能化綜采工作面——1613(3)智能化綜采工作面開始回采，該智能化綜采工作面位于南三采區(qū)，回采標(biāo)高為-500.9～-608.0 m，走向長度1 460 m，傾斜長度230 m，煤層厚度3.6～4.9 m，采高4.3～4.7 m；直接頂為復(fù)合頂板，平均厚度9 m，由泥巖、砂質(zhì)泥巖、13-2煤層等組成，局部區(qū)域為頂板砂巖直覆區(qū)，巖性均為細(xì)砂巖，最厚6.5 m。直接底平均厚度4.9 m，由炭質(zhì)泥巖、泥巖、13-1下煤層、砂質(zhì)泥巖等組成。

1613(3)智能化綜采工作面支架由127臺ZZ13000/24/50D型中間支架、6臺ZZG13000/21/42D型過渡支架、1臺ZT14500/21/40Z型端頭支架組成，共計134架；運輸系統(tǒng)由SGZ1000/2×855型刮板輸送機、SZZ1000/400型轉(zhuǎn)載機、PCM250型破碎機、DSJ1200/200/3×355型帶式輸送機構(gòu)成；采煤設(shè)備采用MG750/1900-QWD型采煤機；泵站系統(tǒng)裝備3臺BRW400/31.5型工頻乳化泵、1臺BRW500-31.5F型變頻乳化泵及相關(guān)配套設(shè)備。

1.2 智能化系統(tǒng)基本情況

1613(3)智能化綜采工作面開采系統(tǒng)由集中控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信平臺構(gòu)成。集中控制系統(tǒng)以SAM型綜采自動化控制系統(tǒng)為樞紐，通過整合液壓支架電液控制系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、采煤機電控系統(tǒng)、泵站集控系統(tǒng)，構(gòu)建出綜采工作面智能化集中控制系統(tǒng)。負(fù)責(zé)監(jiān)測與遠(yuǎn)程控制的網(wǎng)絡(luò)通信平臺以礦井環(huán)網(wǎng)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)工作面設(shè)備、井下集控中心、地面調(diào)度室的信息互聯(lián)。SAM型綜采自動化控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 SAM型綜采自動化控制系統(tǒng)架構(gòu)

(1)1613(3)智能化綜采工作面每臺液壓支架配備1個推移桿行程傳感器，實現(xiàn)刮板槽推移量的監(jiān)測；支架前后立柱各配備1個壓力傳感器，把連續(xù)變化的壓力信號轉(zhuǎn)換成電信號，為升降柱過程控制提供依據(jù)；每臺液壓支架前布置1個紅外線接收器，通過接收采煤機機身上的紅外發(fā)射器信號，實現(xiàn)對采煤機的精準(zhǔn)定位，為支架的跟機作業(yè)提供信號；支架上安裝的姿態(tài)傳感器、采高傳感器，可實時監(jiān)測智能化綜采工作面支架工況。

(2)綜合接入器是智能化綜采工作面網(wǎng)絡(luò)核心節(jié)點，綜合接入器互相連接構(gòu)成智能化綜采工作面核心承載網(wǎng)絡(luò)。工作面每3臺支架配備1個攝像儀，視頻信號通過以太網(wǎng)光電接口傳輸至綜合接入器；液壓支架控制器信號通過CAN通信傳輸至綜合接入器；綜合接入器環(huán)網(wǎng)口之間通過專用護套連接器串聯(lián)，將工作面信號傳輸至端頭、端尾的光電轉(zhuǎn)換器，光電轉(zhuǎn)換器將電信號轉(zhuǎn)成光信號后再經(jīng)過光纜連接，分別傳輸至運輸巷控制中心信號轉(zhuǎn)換器，從而閉合成工作面工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)。

(3)運輸巷控制中心是整個智能化綜采工作面的協(xié)調(diào)和控制核心，硬件設(shè)備主要由3臺主控計算機、6臺礦用本質(zhì)安全型顯示器、1臺網(wǎng)絡(luò)交換機、3臺綜合接入器、2臺光電轉(zhuǎn)換器、1臺支架操作臺、1臺采煤機操作臺以及1臺監(jiān)控中心信號轉(zhuǎn)換器組成。運輸巷控制中心主控計算機以TM.LongWallMind自動化控制軟件為平臺，實現(xiàn)液壓支架、刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機、破碎機、泵站變頻器等設(shè)備工作狀態(tài)的實時監(jiān)測與數(shù)據(jù)上傳，能夠遠(yuǎn)程控制煤流系統(tǒng)設(shè)備的一鍵啟停；主控計算機通過光纜與地面調(diào)度室上位機設(shè)備連接，可實現(xiàn)地面對井下綜采工作面機電設(shè)備的監(jiān)測與控制。

2 智能化綜采工作面建設(shè)效果

2021年5月，《安徽省煤礦智能化建設(shè)驗收辦法(試行)》(以下簡稱《驗收辦法》)對智能化采掘部分給出了詳細(xì)的驗收要求及打分標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)地規(guī)定了采煤機、液壓支架、運輸系統(tǒng)、供液系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)的建設(shè)項目，此次智能化綜采工作面建設(shè)以《驗收辦法》要求為對標(biāo)出發(fā)點，確保智能化采掘部分總體得分80分以上，并爭取一次性達(dá)到90分以上，為煤礦智能化建設(shè)評定一級打下良好的基礎(chǔ)。

根據(jù)《驗收辦法》，智能化采煤是應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、云計算等先進技術(shù)，使綜采工作面采煤機、液壓支架、運輸系統(tǒng)等形成智能控制、協(xié)同運行的作業(yè)過程，其主要功能要求如下。

(1)采煤機具有記憶截割、姿態(tài)感知、就地/遠(yuǎn)程控制、精確定位、工況數(shù)據(jù)實時傳輸、故障診斷等功能。

(2)液壓支架配備電液控制系統(tǒng)，具有姿態(tài)自主感知、工況數(shù)據(jù)傳輸、故障自診斷、遠(yuǎn)程控制等功能，能夠自動完成伸收護幫、單架/成組移架、推移刮板輸送機、噴霧除塵等動作。

(3)刮板輸送機具有運行狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、就地/遠(yuǎn)程控制等功能。

(4)帶式輸送機實現(xiàn)集中控制和無人值守，具有綜合保護與運行工況監(jiān)控功能，可以自移機尾。

(5)設(shè)備列車具有自移功能。

(6)供液系統(tǒng)具有泵站運行狀態(tài)監(jiān)測、就地/遠(yuǎn)程控制、恒壓供液、乳化液自動配比和補液、乳化液液位/濃度及流量監(jiān)測、清水泵自動補水、故障診斷、超限保護等功能，實現(xiàn)高壓自動反沖洗。

(7)地面和井下集控中心具備以下功能：一是實現(xiàn)井上下即時語音通信功能；二是實現(xiàn)工作面視頻圖像的顯示，并能夠跟隨采煤機拍攝及對主要綜采設(shè)備的實時監(jiān)控；三是實現(xiàn)對綜采工作面設(shè)備的運行參數(shù)及運行狀態(tài)進行監(jiān)測、集中顯示及報警；四是實現(xiàn)對綜采工作面刮板輸送機及轉(zhuǎn)載機煤流量的連續(xù)監(jiān)測，并通過其負(fù)荷的大小自動調(diào)控采煤機作業(yè)強度；五是實現(xiàn)采煤機、液壓支架、刮板輸送機、破碎機、轉(zhuǎn)載機、帶式輸送機、乳化液泵站等的協(xié)同控制。

根據(jù)《驗收辦法》，顧橋煤礦1613(3)智能化綜采工作面建設(shè)效果及評分情況見表1。

表1 顧橋煤礦1613(3)智能化綜采工作面建設(shè)效果及評分情況

續(xù)表1

3 智能化綜采工作面建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 采煤機通信及行走精準(zhǔn)控制技術(shù)

為了提高采煤機通信及控制信號傳輸?shù)目煽啃裕?613(3)智能化綜采工作面設(shè)備配套之初就為采煤機配套了專用光纖復(fù)合電纜，除了為采煤機提供電力傳輸外，內(nèi)置光纖提供了通信的數(shù)據(jù)容量，保障了采煤機自身信號以及慣導(dǎo)系統(tǒng)信號的正常傳輸，為1613(3)智能化綜采工作面建設(shè)提供了重要技術(shù)保障。

采煤機遠(yuǎn)程控制信號及數(shù)據(jù)傳輸信號主要采用煤機電纜內(nèi)置光纖進行通信，將采煤機機身內(nèi)部主控制器的RS485信號接入串口光貓，信號通過采煤機電纜中布置的光纖傳輸至運輸巷控制箱內(nèi)的串口光貓，光纖信號轉(zhuǎn)換回RS485信號并傳輸至控制臺SAM控制主機。 當(dāng)光纖通信出現(xiàn)故障時，采煤機可切換采用5G信號進行通信，采煤機主控制器RS485信號傳輸至5G信號終端，轉(zhuǎn)換為無線信號后通過運輸巷內(nèi)布置的5G基站，將無線信號傳輸至運輸巷控制箱處的5G信號終端設(shè)備，無線信號轉(zhuǎn)換回RS485信號并傳輸至控制臺SAM控制主機。

為了消除采煤機行走編碼器由于長期使用產(chǎn)生的累積誤差，特增設(shè)了編碼器自動校正功能，為液壓支架、采煤機的自動協(xié)同作業(yè)提供精確定位保障，可有效防止采煤機滾筒與液壓支架護幫板、伸縮梁產(chǎn)生碰撞以及采煤機到兩端頭發(fā)生越位造成的事故。

采用磁簧開關(guān)接入采煤機主控器，稀土永磁復(fù)位裝置固定在刮板輸送機兩端相應(yīng)位置的電纜槽夾板上，磁簧開關(guān)常開時不校準(zhǔn)，常閉時校準(zhǔn)為當(dāng)前架號，主控制器程序內(nèi)部識別磁簧開關(guān)通斷狀態(tài)。采煤機正常運行時，當(dāng)采煤機磁簧開關(guān)靠近固定在電纜槽上的稀土永磁裝置時，磁簧開關(guān)由常開變常閉并觸發(fā)程序發(fā)出指令，實現(xiàn)采煤機編碼器的自動校準(zhǔn)；通過程序識別編碼器發(fā)出對應(yīng)限位參數(shù)實現(xiàn)采煤機的牽引自動停止，采煤機行程誤差為50 mm，實現(xiàn)采煤機在刮板輸送機兩端頭的限位保護。

3.2 綜采工作面中部回采工藝技術(shù)

1613(3)智能化綜采工作面地質(zhì)條件復(fù)雜，大部分區(qū)域頂板為復(fù)合頂板，且存在頂板破碎、煤壁易片幫、局部易掉頂?shù)葐栴}，地質(zhì)條件與淮南礦區(qū)其他煤礦類似。當(dāng)頂板條件較好時，采用正常支護管理模式，采煤機割煤后進行移架，整個綜采工作面液壓支架端面距增加一刀距離；當(dāng)頂板條件較差時，該回采工藝作業(yè)程序無法滿足安全生產(chǎn)要求，為了保證支護質(zhì)量，綜采工作面部分液壓支架需要超前拉移，總體回采工藝流程為：割煤→伸出伸縮梁→一次移架→推移刮板輸送機→二次移架。

此外，需要根據(jù)現(xiàn)場實際工序?qū)χ悄堋袄堋笨刂瞥绦蜻M行調(diào)整，提高綜采智能化的適應(yīng)性。液壓支架根據(jù)現(xiàn)場條件通常處于3種狀態(tài)：一是片幫步距較小，已超前拉移，伸縮梁無行程；二是片幫步距較大，已超前拉移，伸縮梁有行程；三是幫頂相對較為完好，不片幫，未超前拉移，伸縮梁沒行程(未超前拉移，伸縮梁有行程，可以將其歸為第1或第2種狀態(tài))。以上液壓支架狀態(tài)根據(jù)綜采工作面煤壁片幫程度決定，不能按理想狀態(tài)進行先移架再推移刮板輸送機或先推移刮板輸送機再移架。

優(yōu)化后的控制程序方案為：采煤機正常割煤(前滾筒在上、后滾筒在下)后，采煤機前滾筒后方第2臺液壓支架開始伸出伸縮梁，此時默認(rèn)伸縮梁有行程(若無行程，由人工干預(yù))；采煤機后滾筒后方第3臺液壓支架處是否進行補超前拉移，通過接收到的伸縮梁千斤頂行程傳感器數(shù)值來判定(若伸縮梁行程大于800 mm則補超前拉移)；從采煤機前進方向后方第15臺液壓支架開始推移刮板輸送機，采煤機前進方向后方第25臺液壓支架處是否進行超前拉移，通過接收到的推移千斤頂行程傳感器數(shù)值來判定(推移行程大于800 mm則超前拉移，推移行程不大于800 mm則在下一循環(huán)中補超前拉移)。

為保證液壓支架底座不過度破壞底板，跟機移架具體動作為：降柱移架前抬底動作持續(xù)至移架結(jié)束進行升柱時，同時側(cè)護板持續(xù)伸出6 s；抬底動作1 s后降柱5 s，伸縮梁護幫板在降柱同時收回；抬底動作6 s后側(cè)護板收回；抬底動作4 s后移架，推移行程達(dá)到100 mm結(jié)束移架；結(jié)束移架后側(cè)護板伸出1 s同時升柱6 s；結(jié)束移架后4 s，護幫板、伸縮梁伸出15 s；升柱結(jié)束后推移刮板輸送機2 s方可進行鄰架移架；為保證移架效率，可設(shè)置為隔架(相隔架數(shù)根據(jù)現(xiàn)場條件具體可設(shè)置)移架。

3.3 綜采工作面端頭回采工藝技術(shù)

綜采工作面端頭采煤機斜切進刀( “三角煤”部分)相對復(fù)雜，智能化控制難度較大，結(jié)合1613(3)智能化綜采工作面具體設(shè)備的布置和動作，細(xì)化了采煤機和液壓支架在“三角煤”部分的具體動作，有力地保障了智能化綜采工作面的運行效果。

優(yōu)化后采煤機端頭部分運行策略為：采煤機自動記憶截割運行至機頭20號液壓支架時，集控發(fā)出“三角煤”動作信號，采煤機運行至折返點1(端頭第7～9號支架)時，將機頭煤體割松動后退至13號支架，人工進行端頭幫部上部支護錨桿拆除作業(yè)，完成后集控發(fā)出取錨完成信號；采煤機自動運行至折返點2(端頭第2～3號液壓支架)，將機頭煤體割透，采煤機再次退至13號液壓支架，人工進行端頭幫部底錨桿拆除作業(yè)，作業(yè)完成后集控發(fā)出取錨完成信號；采煤機自動在折返點2與10號液壓支架之間進行清浮煤作業(yè)2次(次數(shù)可根據(jù)實際情況修改)，清浮煤作業(yè)完成后采煤機自動進入20號液壓支架位置；待支架推移刮板輸送機作業(yè)完成后集控發(fā)出完成信號，采煤機自動進行下一循環(huán)作業(yè)。

4 智能化綜采工作面建設(shè)改進方向

顧橋煤礦1613(3)智能化綜采工作面建設(shè)為煤礦智能化驗收奠定了良好的基礎(chǔ)，但在建設(shè)及運行過程中仍存在一些亟需解決的問題，需要持續(xù)進行研發(fā)投入，以進一步提升綜采工作面智能化程度。

(1)在兩端頭自動化割煤時，采出的錨桿、鋼帶回收作業(yè)目前仍停留在半機械化甚至手工作業(yè)的階段，需要采煤機將端頭割松動后，人員進入煤壁用鏈條捆綁舊錨桿和鋼帶，利用護幫板或千斤頂拉移進行拆除，作業(yè)現(xiàn)場存在安全隱患且施工時間較長。為了解決上述問題，擬在綜采工作面兩端頭各安設(shè)1套以乳化泵提供液壓動力，以電液控制+紅外遙控方式進行操作的機械抓手替代現(xiàn)有作業(yè)方式，目前機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計工作已經(jīng)完成，正處于委外研制階段。

(2)受礦區(qū)地質(zhì)條件影響，大多數(shù)煤壁片幫程度可以超前拉移液壓支架，并且必須超前拉移液壓支架管理頂板和幫部，也有部分煤壁片幫較少或不片幫，這就需要伸縮梁先伸出探明片幫深度，此行程傳感數(shù)據(jù)可作為是否超前拉移液壓支架的依據(jù)，而目前國內(nèi)液壓支架伸縮梁行程傳感方式、行程數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性正在積極探索之中，亟需加強研究，以增強回采工藝與圍巖的耦合程度。

(3)目前液壓支架護幫板伸收動作位置采用視頻抓拍，用于警示、控制采煤機行走時滾筒與護幫板之間的距離，避免滾筒與護幫板碰撞產(chǎn)生事故，但受現(xiàn)場多種因素影響，其準(zhǔn)確性還需進一步提高。

(4)移架過程中當(dāng)?shù)装逅绍?、起伏以及頂梁前端局部漏冒、架縫漏碎矸等導(dǎo)致支架頂上巖石位移產(chǎn)生不同方向的推力，引起自動移架后支架歪斜、間隙不均勻，由于未安裝側(cè)護千斤頂壓力和行程傳感器以及調(diào)試機構(gòu)，現(xiàn)場需要人工調(diào)整，后續(xù)應(yīng)加強支架調(diào)控與圍巖耦合程度研發(fā)，增強支架姿態(tài)調(diào)整的適應(yīng)性。

5 結(jié)語

基于“自動化減人、智能化無人、少人則安、無人則安”的智能綜采工作面建設(shè)理念，顧橋煤礦在智能化綜采工作面建設(shè)和應(yīng)用過程中，立足1613(3)綜采工作面的實際條件，在引入成熟的SAM型綜采自動化系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采煤機采用光纖復(fù)合電纜與5G相結(jié)合的通信方式，實現(xiàn)了綜采工作面慣導(dǎo)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝Х€(wěn)定，為自動找直創(chuàng)造了條件?；诂F(xiàn)場地質(zhì)條件較為復(fù)雜的實際情況，優(yōu)化了綜采工作面中部回采工藝流程，實現(xiàn)了綜采工作面液壓支架自動跟機移架?；诂F(xiàn)場設(shè)備布置及具體動作，優(yōu)化了采煤機在端頭部分的運行策略，實現(xiàn)端頭“三角煤”區(qū)域采煤機自動運行和液壓支架自動跟機。顧橋煤礦智能化綜采工作面的建設(shè)能夠為淮南礦區(qū)以及類似條件下的綜采工作面智能化建設(shè)提供借鑒。