李夢(mèng)祺，武佐文

(山西汾西礦業(yè)集團(tuán) 正文煤業(yè)，山西 孝義 032300)

隨著工業(yè)化、信息化技術(shù)不斷發(fā)展，煤礦井下先進(jìn)的通信技術(shù)、控制技術(shù)等不斷應(yīng)用，在一定程度提升了礦井綜合智能化控制水平[1-2]。礦井生產(chǎn)過(guò)程中，綜采工作面是主要的煤炭開(kāi)采、運(yùn)輸場(chǎng)所，實(shí)現(xiàn)采面內(nèi)采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)以及液壓支架合理銜接、配套，是實(shí)現(xiàn)煤炭資源高效回采的重要保障[3]。為此，眾多的學(xué)者及工程技術(shù)人員對(duì)綜采工作面三機(jī)配套問(wèn)題展開(kāi)研究，其中宋燾等[4]基于智能感知技術(shù)構(gòu)建三機(jī)智能控制系統(tǒng)，并對(duì)控制系統(tǒng)執(zhí)行層、感知層、巷道集控和地面監(jiān)控等進(jìn)行詳細(xì)闡述，該智能控制系統(tǒng)綜合慣性導(dǎo)航、雷達(dá)、里程計(jì)以及先進(jìn)傳感器等實(shí)現(xiàn)智能協(xié)同控制，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐也取得較好效果；楊文明等[5]基于編程思維構(gòu)建“三機(jī)”設(shè)備選型與智能控制系統(tǒng)，便于選出適合采面現(xiàn)場(chǎng)情況的成套設(shè)備，為采面三機(jī)配套選型提供一定指導(dǎo)。文章結(jié)合以往研究成果，根據(jù)山西某礦3302綜采工作面現(xiàn)場(chǎng)情況，對(duì)三機(jī)智能化控制展開(kāi)研究，以期在一定程度上提升煤炭生產(chǎn)效率。

1 工程概況

3302綜采工作面回采的3號(hào)煤層厚度3.9 m，傾角5～10°，煤層賦存穩(wěn)定，埋深390 m.3號(hào)煤層直接頂為淺灰色砂質(zhì)泥巖、砂巖互層，厚度12.3～15.8 m；基本頂為石灰?guī)r，厚度7.5～12.1 m；直接底為灰黑色炭質(zhì)泥巖、泥巖，厚度3.2～7.3 m；基本底為粉砂巖，厚度3.5～6.2 m.3302綜采工作面位于一單斜構(gòu)造背面，采面設(shè)計(jì)走向推進(jìn)2 105 m、切眼斜長(zhǎng)298 m，主要綜采設(shè)備包括：SL900采煤機(jī)、型號(hào)ZYT12000/28/63D端頭支架、型號(hào)ZY12000/28/63D中間支架以及型號(hào)ZYGD12000/28/63D過(guò)渡支架，采面內(nèi)鋪設(shè)的刮板輸送機(jī)型號(hào)為SGZ1250/300、破碎機(jī)為SZZ1550/525，回采巷道采用ZYDC5150/27/47超前支架支護(hù)。

2 三機(jī)智能化控制

3302綜采工作面采煤機(jī)采用自動(dòng)割煤工藝，并依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況確定割煤工序、行走軌跡，采煤機(jī)、液壓支架及刮板輸送機(jī)根據(jù)割煤工藝智能協(xié)同控制，實(shí)現(xiàn)無(wú)人干預(yù)智能回采[7-8]。具體采面三機(jī)智能化協(xié)同控制示意如圖1所示。

圖1 采面三機(jī)智能化協(xié)同控制示意

采面內(nèi)構(gòu)建無(wú)線(xiàn)基站實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高效傳輸，通過(guò)光纖慣導(dǎo)模塊實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)定位及控制。液壓支架電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括驅(qū)動(dòng)器、耦合器、控制器以及紅外接收器等；姿態(tài)監(jiān)控及視頻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)備監(jiān)控、采面視頻監(jiān)控；集控中心實(shí)現(xiàn)采面設(shè)備控制以及信號(hào)傳輸。

2.1 采煤機(jī)智能化控制

將慣導(dǎo)系統(tǒng)應(yīng)用到采煤機(jī)智能化控制中，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)工業(yè)以太網(wǎng)傳輸?shù)郊刂行?，?jīng)中央處理器處理、轉(zhuǎn)換成綜采設(shè)備可識(shí)別的控制指令，實(shí)現(xiàn)一鍵啟停、推移支架以及精準(zhǔn)推溜等功能，提升采面設(shè)備精細(xì)化管理水平。通過(guò)慣導(dǎo)系統(tǒng)、傳感器(傾角、振動(dòng)傳感器)及電控參數(shù)確定采煤機(jī)姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)記憶截割，并通過(guò)瓦斯?jié)舛?、采煤機(jī)及運(yùn)輸系統(tǒng)負(fù)載等調(diào)整采煤機(jī)牽引、截割速度，具體控制流程如圖2所示。采煤機(jī)割煤時(shí)以記憶截割為主、人工干預(yù)為輔，采煤機(jī)割煤遇特殊情況時(shí)需人工干預(yù)，采用的割煤方式可明顯降低采煤司機(jī)工作強(qiáng)度。

圖2 采煤機(jī)智能控制示意

2.2 液壓支架智能化控制

在采面液壓支架上增設(shè)多種感應(yīng)探頭，通過(guò)探頭可實(shí)現(xiàn)頂板壓力、刮板輸送機(jī)推移力以及護(hù)幫推力等監(jiān)測(cè)。在液壓支架上配備雙速控制閥，完成自動(dòng)移架后，通過(guò)雙速控制閥控制推移千斤頂運(yùn)動(dòng)，確保移架千斤頂與刮板輸送機(jī)溜槽充分接觸，避免多次移架后出現(xiàn)推移誤差過(guò)大引起的刮板輸送機(jī)彎曲問(wèn)題。通過(guò)紅外發(fā)射及接收裝置實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)定位，定位數(shù)據(jù)傳輸至集控中心進(jìn)行分析后，支架控制模塊接收反饋信息，實(shí)現(xiàn)液壓支架自動(dòng)跟機(jī)、護(hù)幫、推溜、移架以及噴霧等操作。

智能控制系統(tǒng)依據(jù)采面地質(zhì)條件變化、采面生產(chǎn)情況自動(dòng)補(bǔ)壓升架，實(shí)現(xiàn)液壓支架升降、調(diào)整自動(dòng)控制，期間以自動(dòng)控制為主、人工干預(yù)為輔，從而提升支架智能化控制水平，減少支架工數(shù)量以及勞動(dòng)強(qiáng)度。

2.3 刮板輸送機(jī)智能化控制

刮板輸送機(jī)直線(xiàn)度檢測(cè)及智能化控制綜合使用慣導(dǎo)與里程計(jì)融合技術(shù)、多信息融合技術(shù)。慣導(dǎo)與里程計(jì)融合技術(shù)主要實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)直線(xiàn)度檢測(cè)，而多信息融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)液壓支架跟機(jī)運(yùn)行及自動(dòng)調(diào)直。

1) 慣導(dǎo)與里程計(jì)融合技術(shù)。具體慣導(dǎo)與里程計(jì)融合技術(shù)架構(gòu)如圖3所示，主要包括慣導(dǎo)測(cè)量組件、集控中心、任務(wù)計(jì)算機(jī)以及里程計(jì)等。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、里程計(jì)均置于采煤機(jī)上，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)運(yùn)行姿態(tài)(包括航向角、橫滾角以及仰俯角等)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并通過(guò)里程計(jì)實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)位置精準(zhǔn)定位，通過(guò)獲取到的采煤機(jī)運(yùn)行軌跡掌握刮板輸送機(jī)直線(xiàn)度，為后續(xù)調(diào)直提供支持；同時(shí)采用的慣導(dǎo)系統(tǒng)由于能反映采煤機(jī)姿態(tài)，也可為采煤機(jī)采高調(diào)節(jié)、液壓支架跟機(jī)運(yùn)行等提供支撐。

圖3 慣導(dǎo)與里程計(jì)融合技術(shù)架構(gòu)

2) 多信息融合技術(shù)。跟機(jī)運(yùn)行及調(diào)直控制是實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)的關(guān)鍵之一，基于多信息融合的自動(dòng)跟機(jī)與調(diào)直控制原理如圖4所示。將慣導(dǎo)系統(tǒng)、里程計(jì)、液壓支架傳感器參數(shù)以及雷達(dá)傳感器參數(shù)等傳輸至巷道集控中心進(jìn)行融合分析；依據(jù)刮板輸送機(jī)直線(xiàn)度檢測(cè)結(jié)果、液壓支架行程參數(shù)等得到采煤機(jī)割煤后液壓支架推移量偏差，具體偏差量計(jì)算原理如圖5所示。

圖4 自動(dòng)跟機(jī)與調(diào)直控制原理

圖5 偏差量計(jì)算原理

巷道集控中心依據(jù)采煤機(jī)截割深度、液壓支架推移量偏差參數(shù)等，向液壓支架控制器發(fā)送推移量控制指令，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)直控制。

2.4 三機(jī)智能化控制

將采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)以及液壓支架智能控制系統(tǒng)整合，實(shí)現(xiàn)三機(jī)智能化控制。同時(shí)控制數(shù)據(jù)均可通過(guò)手機(jī)移動(dòng)端APP、Web端等查看，便于工作人員快速掌握井下設(shè)備運(yùn)行情況。

三機(jī)智能化可實(shí)現(xiàn)煤流負(fù)載均衡控制，采面負(fù)載均衡控制是采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)以及帶式輸送機(jī)等聯(lián)動(dòng)控制，系統(tǒng)具備煤流負(fù)荷平衡功能，通過(guò)分析開(kāi)采設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)備間均衡關(guān)系構(gòu)建負(fù)荷平衡控制模型，并依托該模型實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)、采煤機(jī)間負(fù)載平衡，實(shí)現(xiàn)煤炭高效回采。具體采面負(fù)載均衡控制如圖6所示。

圖6 煤流負(fù)載均衡控制示意

主控制中心根據(jù)自身數(shù)據(jù)以及負(fù)載數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，實(shí)現(xiàn)下述功能：

1) 實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)智能化控制、均衡生產(chǎn)，依據(jù)監(jiān)測(cè)獲取得到的采煤機(jī)牽引電機(jī)、截割電機(jī)溫度、電流以及刮板輸送機(jī)電機(jī)溫度、電流等參數(shù)，結(jié)合泵站參數(shù)分析煤流負(fù)載，并依據(jù)負(fù)載變化調(diào)整采煤機(jī)牽引速度或者刮板輸送機(jī)鏈速等；

2) 刮板輸送機(jī)斷鏈、斷電等故障時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)停止割煤；

3) 實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)、破碎機(jī)以及刮板輸送機(jī)等設(shè)備聯(lián)動(dòng)控制。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

1) 在3302綜采工作面采用三機(jī)智能化控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用平穩(wěn)，在協(xié)調(diào)性、有序性以及整體性等方面表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。3302綜采工作面當(dāng)班工作生產(chǎn)人員有26人、整體配套(包括運(yùn)輸、檢修等)人員130人。采用三機(jī)智能化控制系統(tǒng)后，當(dāng)班生產(chǎn)人員減少至12人、整體配套(包括運(yùn)輸、檢修等)人員減少至55人，減人增效成果顯著。

2) 3302綜采工作面三機(jī)實(shí)現(xiàn)智能化控制，采煤機(jī)推進(jìn)速度由3.6 m/d提升至4.8 m/d，回采效率提升約33%.同時(shí)通過(guò)各監(jiān)控平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)三機(jī)運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，設(shè)備故障發(fā)生率明顯降低、減少了故障停采時(shí)間，單班設(shè)備開(kāi)機(jī)時(shí)間在7.5 h以上、開(kāi)機(jī)率超過(guò)93%.

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 構(gòu)建智能化礦井是實(shí)現(xiàn)煤炭高效開(kāi)采、減少井下工作人員數(shù)量的主要途徑之一，而綜采工作面是礦井主要生產(chǎn)場(chǎng)所，實(shí)現(xiàn)綜采工作面三機(jī)智能化控制是智能化礦井建設(shè)的主要內(nèi)容。由于傳統(tǒng)的綜采工作面各設(shè)備受控制方式、通信方式等因素制約，無(wú)法實(shí)現(xiàn)集中智能化控制，為此文中構(gòu)建的三機(jī)智能化控制系統(tǒng)采用無(wú)線(xiàn)基站、光纖通信等方式實(shí)現(xiàn)信息交互，通過(guò)采用先進(jìn)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、傳感器檢測(cè)技術(shù)等實(shí)現(xiàn)三機(jī)設(shè)備智能化控制。

2) 對(duì)三機(jī)智能化控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析探討，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果進(jìn)行分析。三機(jī)智能化控制系統(tǒng)在3302綜采工作面應(yīng)用實(shí)踐表明，該智能化控制系統(tǒng)可在一定程度提升煤炭開(kāi)采效率、減少井下工作人員數(shù)量，在減少增效以及提升礦井生產(chǎn)效益方面表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)。