宋國利

（北京天瑪智控科技股份有限公司，北京 101320）

榆家梁43207 工作面平均采高1.48 m，操作人員每天需要跟隨采煤機(jī)在工作面來回6 趟。工作面長200 多米，操作人員通常跑兩趟就精疲力盡，致使采煤效率較低。工人在生產(chǎn)時(shí)需要長期蹲行，對工人的身體健康很不利。榆家梁煤礦通過智能化技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)液壓支架自動(dòng)跟機(jī)、采煤機(jī)自動(dòng)截割、工人在順槽三崗合一借助巡檢機(jī)器人、電纜拖拽技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控[1]，將工人從低矮的勞動(dòng)空間、繁重的任務(wù)中解放出來，實(shí)現(xiàn)工作面少人、甚至無人。

1 概況

43207 工作面南北方向布置，由北向南推進(jìn)，工作面寬211.02 m，運(yùn)順推進(jìn)長度2 298.4 m，回順推進(jìn)長2 308.8 m?？刹蓞^(qū)范圍內(nèi)頂板以粉砂巖為主，次為中、細(xì)粒砂巖，大部屬較穩(wěn)定型（Ⅱ），局部屬不穩(wěn)定性（Ⅰ）。底板多為泥巖及粉砂巖，致密塊狀，抗壓強(qiáng)度413 kg/cm2，彈性模量7.02×104kg/cm2，穩(wěn)定性較好。煤層頂?shù)装逄卣饕姳?。

表1 煤層頂?shù)装逄卣鞅?/p>

43207 工作面平均采高1.48 m，采用傾斜長壁后退式綜合機(jī)械化采煤法，全部垮落法處理采空區(qū)。43207 工作面設(shè)備配套明細(xì)見表2。

表2 43207 工作面設(shè)備配套明細(xì)表

2 智能化工作面關(guān)鍵技術(shù)

43207 工作面主要由電液控制系統(tǒng)、工作面視頻系統(tǒng)、工作面千兆環(huán)網(wǎng)、巡檢機(jī)器人、采煤機(jī)控制系統(tǒng)、電纜拖拽系統(tǒng)、三機(jī)控制系統(tǒng)、泵站控制系統(tǒng)、語音通信控制系統(tǒng)、組合開關(guān)、移變、順槽皮帶控制系統(tǒng)、三崗合一、地面分控中心等14 個(gè)子系統(tǒng)組成[2]，如圖1。

圖1 工作面自動(dòng)化系統(tǒng)圖

2.1 液壓支架自動(dòng)跟機(jī)技術(shù)

43207工作面電液控制系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)型控制器，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)通信，解決了電控系統(tǒng)總線帶寬低、通信速率慢的問題。結(jié)合低頻感知、無線定位技術(shù)，與煤機(jī)牽引數(shù)據(jù)融合，實(shí)現(xiàn)中部無人、兩端頭輔助監(jiān)控的全工作面液壓支架自動(dòng)跟機(jī)技術(shù)[3]。

43207 工作面安裝電控支架125 架，采用端部割三角煤斜切進(jìn)刀方式，雙向割煤。采煤機(jī)下行向機(jī)頭割煤→滯后后滾筒3 架跟機(jī)移架（降柱、移架、升柱）→當(dāng)采煤機(jī)運(yùn)行至機(jī)頭6#架時(shí)，觸發(fā)補(bǔ)充移架從13#～11#架→移架后觸發(fā)14#～17#支架區(qū)間自動(dòng)推出蛇形段（分兩次推完）→采煤機(jī)割至機(jī)頭后，反向上行至10#架（掃底煤2 次）→采煤機(jī)割至機(jī)頭后反向上行斜切進(jìn)刀至15#架時(shí)，觸發(fā)6#～10#支架區(qū)間自動(dòng)移架（6 號(hào)支架先于7、8、9、10 號(hào)支架完成自動(dòng)移架）→采煤機(jī)上行到達(dá)17#架時(shí)，由1#向6#架執(zhí)行一次成組推溜（推溜方向?yàn)橛?#向6#）→采煤機(jī)繼續(xù)上行至20#架時(shí)，由1#架向17#架推溜，1#～5#架推溜結(jié)束后進(jìn)行自動(dòng)移架（移架順序1#→5#）→采煤機(jī)割至機(jī)頭后反向上行至10#架（掃底煤2 次）→采煤機(jī)割透三角煤完成掃煤后繼續(xù)上行正常割煤（正常中部跟機(jī)）→從6#架開始跟機(jī)移架→從機(jī)頭1#架向機(jī)尾跟機(jī)推溜→端頭架推溜結(jié)束后，1#～5#架補(bǔ)充移架（順序：1#→5#）。上行跟機(jī)工藝同理，下行跟機(jī)工藝如圖2。

圖2 采煤機(jī)下行支架自動(dòng)跟機(jī)工藝圖

2.2 采煤機(jī)規(guī)劃截割技術(shù)

43207 工作面采煤機(jī)采用MG2X250/1200-WD型大功率薄煤層采煤機(jī)，按照示范刀所記錄的工作方向與位置參數(shù)、速度參數(shù)、姿態(tài)參數(shù)、滾筒高度軌跡，進(jìn)行智能化運(yùn)算，形成記憶截割模板，在自動(dòng)截割過程中不斷修正誤差，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)對應(yīng)精確位置的自動(dòng)調(diào)高、臥底、加速和減速、急停等功能，滿足工作面的斜切進(jìn)刀、割三角煤、倒退掃底等工藝。自動(dòng)運(yùn)行的采煤機(jī)在長度為300 m 的工作面上，其行走位置控制精度小于±5 cm，滾筒截割高度的穩(wěn)態(tài)重復(fù)誤差小于±1.5%[4]。

采煤機(jī)規(guī)劃截割分為兩部分：一是生成采煤機(jī)截割模板，且截割模板隨時(shí)可修正。采煤機(jī)與自動(dòng)化主機(jī)通信獲取規(guī)劃截割模型、工藝數(shù)據(jù)，并執(zhí)行相應(yīng)的截割模型規(guī)劃控制。二是采煤機(jī)具有智能調(diào)高控制功能，采煤機(jī)控制系統(tǒng)通過接收上位機(jī)下發(fā)的采高規(guī)劃截割模板，在采煤機(jī)自動(dòng)截割運(yùn)行過程中，對采煤機(jī)左右滾筒采高沿煤層分布自動(dòng)調(diào)節(jié)，進(jìn)行自適應(yīng)精準(zhǔn)控制下的自動(dòng)割煤。在自動(dòng)規(guī)劃截割的運(yùn)行過程中，上位機(jī)可同時(shí)通過自動(dòng)化通信接口對采煤機(jī)采高及行走進(jìn)行人工干預(yù)[5]。

2.3 工作面巡檢機(jī)器人技術(shù)

43207 工作面配置有工作面巡檢機(jī)器人，在刮板輸送機(jī)電纜槽外側(cè)布置有雙軌巡檢軌道。通過在巡檢軌道之間加裝壓縮彈簧，保證在刮板輸送機(jī)推溜過程中始終保持軌道平穩(wěn)過渡，實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人無障礙全工作面行走。在巡檢機(jī)器人內(nèi)安裝有視頻、音頻、環(huán)境監(jiān)測等各種傳感器，實(shí)現(xiàn)對工作面復(fù)雜環(huán)境下設(shè)備、采場空間狀況的實(shí)時(shí)感知。

1）巡檢機(jī)器人具有WiFi 技術(shù)與5G 技術(shù)雙通信組合技術(shù)，具備強(qiáng)實(shí)時(shí)可控性和多維信息獲取能力，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)綜采工作面生產(chǎn)過程中存在的問題。

2）巡檢機(jī)器人搭載兩個(gè)微型攝像儀、一個(gè)云臺(tái)攝像儀和一個(gè)紅外熱成像、瓦斯傳感器等實(shí)現(xiàn)圖像、瓦斯采集功能，能夠?qū)⒐ぷ髅娆F(xiàn)場環(huán)境狀態(tài)上傳到地面分控中心。

3）巡檢機(jī)器人在巡檢模式下對工作面采煤機(jī)位置、采煤機(jī)滾筒溫度和環(huán)境數(shù)據(jù)等實(shí)時(shí)感知，解決了薄煤層工作面采高受限、勞動(dòng)強(qiáng)度大、視頻覆蓋不全等難題，可替代人工實(shí)現(xiàn)跟機(jī)巡檢、快速巡檢和自主巡檢。

2.4 采煤機(jī)電纜拖拽技術(shù)

43207 工作面平均采高1.48 m，采煤機(jī)在機(jī)頭割三角煤時(shí)電纜鎧甲會(huì)出現(xiàn)來回層疊加，最多時(shí)能達(dá)到三層，電纜容易滑出電纜槽，造成安全生產(chǎn)事故。為解決此問題，配套了電纜拖拽系統(tǒng)。采煤機(jī)電纜拖拽系統(tǒng)由機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣控制系統(tǒng)組成，機(jī)械部分包括驅(qū)動(dòng)部、中間軌道、牽引小車、回轉(zhuǎn)部、鏈條等。電纜拖拽系統(tǒng)通過在刮板運(yùn)輸機(jī)機(jī)尾安裝驅(qū)動(dòng)部，使用鏈牽引的方式帶動(dòng)拖攬小車與采煤機(jī)電纜同步運(yùn)行。所有設(shè)備均布置于電纜槽內(nèi)，通過鏈條形成閉環(huán)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，鏈條拖動(dòng)拖攬小車在刮板運(yùn)輸機(jī)電纜槽中往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過與采煤機(jī)行走同步控制實(shí)現(xiàn)電纜的同步拖拽，保證采煤機(jī)電纜在折返時(shí)沒有疊層。

采煤機(jī)電纜拖拽系統(tǒng)電氣部分由PLC、變頻器、編碼器、拉力傳感器等組成。PLC 通過實(shí)時(shí)采集煤機(jī)速度、方向和拉力傳感器等數(shù)據(jù)，控制變頻器輸出，對牽引電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，以達(dá)到跟機(jī)運(yùn)行的目的。正向運(yùn)行時(shí)，PLC 根據(jù)拉力大小調(diào)整速度，小車牽引電纜主動(dòng)運(yùn)行。反向運(yùn)行時(shí)，煤機(jī)牽引電纜行走，小車在PLC 控制下從動(dòng)跟機(jī)運(yùn)行。PLC 數(shù)據(jù)通過工作面環(huán)網(wǎng)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，或通過礦井環(huán)網(wǎng)傳輸?shù)降孛娣挚攸c(diǎn)的上位機(jī)，對系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測監(jiān)控。

2.5 三崗合一

43207 工作面在機(jī)頭馬蒂爾處安裝三崗合一監(jiān)控中心，經(jīng)過工作面千兆環(huán)網(wǎng)和井上下萬兆專網(wǎng)與地面服務(wù)器通信，實(shí)現(xiàn)對工作面各設(shè)備的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制，從而達(dá)到控制臺(tái)電工、馬蒂爾司機(jī)、機(jī)頭看護(hù)工三崗合一，每班可減少兩名崗位工，提高了生產(chǎn)效率。三崗合一可實(shí)現(xiàn)以下功能：

1）實(shí)現(xiàn)工作面設(shè)備（采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、泵站、移變、組合開關(guān)）數(shù)據(jù)的集成，在三崗合一監(jiān)控中心對綜采設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)測、顯示。

2）實(shí)現(xiàn)在三崗合一監(jiān)控中心對刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)按照煤流順序“一鍵”啟停功能，具有單設(shè)備遠(yuǎn)程啟停功能和集中控制功能。

3）實(shí)現(xiàn)在三崗合一監(jiān)控中心對采煤機(jī)、液壓支架、泵站遠(yuǎn)程控制功能。

4）實(shí)現(xiàn)工作面視頻集中顯示功能。

3 效果

43207 工作面采用智能化開采技術(shù)實(shí)現(xiàn)了全工作面液壓支架自動(dòng)跟機(jī)，采用煤機(jī)滾筒智能調(diào)高、數(shù)字化割煤，輔助遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)自主割煤。配合刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)聯(lián)鎖啟?？刂萍夹g(shù)以及乳化泵的單泵、多泵聯(lián)動(dòng)控制功能，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)期間工作面無人的常態(tài)化生產(chǎn)模式。

借助巡檢機(jī)器人跟機(jī)巡檢、采煤機(jī)電纜拖拽自動(dòng)拖纜以及三崗合一監(jiān)控中集中控制，生產(chǎn)班工作面作業(yè)人員由原來的3 人減為無人，由原來的單班12 刀提升到13.5 刀，生產(chǎn)效率提升了10%，達(dá)到了減人增效的目的。