秦曉東

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司唐安煤礦分公司，山西 晉城 048400）

隨著我國(guó)煤礦資源的不斷開發(fā)，煤炭資源的開采技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，以王國(guó)法為首的眾院士綜合我國(guó)的煤炭賦存形式多樣化展開了相關(guān)的針對(duì)性研究，并總結(jié)出了適合我國(guó)煤礦智能化發(fā)展現(xiàn)狀及突破方向的智能化煤礦總體構(gòu)架，同時(shí)通過超大采高綜采智能化成套裝備的成功研發(fā)制造，幫助我國(guó)在煤礦智能化水平方面達(dá)到領(lǐng)先地位；峰峰集團(tuán)在薛村礦的項(xiàng)目中利用液壓支架及采煤機(jī)等裝備的技術(shù)更新已經(jīng)達(dá)成了薄煤層無(wú)人自動(dòng)化開采的目標(biāo)，并且年產(chǎn)量能達(dá)到百萬(wàn)噸的級(jí)別。

1 智能礦山自動(dòng)化開采建設(shè)

山西某煤礦項(xiàng)目煤礦南北長(zhǎng)12.55km、東西長(zhǎng)12km，是一座規(guī)劃生產(chǎn)力達(dá)到10Mt/a 的礦井。礦井利用斜井、平硐、立井等多種開拓形式進(jìn)行聯(lián)合開拓，主要由集控化膠帶運(yùn)輸機(jī)輔助無(wú)軌膠輪構(gòu)成整個(gè)運(yùn)輸系統(tǒng)。

1.1 礦山自動(dòng)化建設(shè)原理

智能礦山自動(dòng)化開采技術(shù)主要是為了實(shí)現(xiàn)井下綜采、連掘工作面自動(dòng)化和運(yùn)輸作業(yè)一體化的發(fā)展目標(biāo)。通過改造升級(jí)采煤機(jī)和液壓支架的截割以及破碎機(jī)之間的協(xié)作模式，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備的自動(dòng)化遠(yuǎn)程操控，并完成智能平臺(tái)以及生產(chǎn)控制系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)的核心功能建設(shè)，構(gòu)建具備信息采集自動(dòng)化、數(shù)據(jù)高度共享、自動(dòng)統(tǒng)計(jì)分析、可視化業(yè)務(wù)進(jìn)度以及設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控的智能礦山自動(dòng)化開采體系，并全程記錄生產(chǎn)過程，為后續(xù)的相關(guān)工作提供經(jīng)驗(yàn)參考[1]。

1.2 礦山自動(dòng)化建設(shè)方案

該智能礦山的自動(dòng)化建設(shè)總共進(jìn)行了5 層的構(gòu)架規(guī)劃，具體管理構(gòu)架見圖1。

圖1 智能礦山自動(dòng)化管理架構(gòu)

智能礦山的改造建設(shè)重點(diǎn)方向在生產(chǎn)控制層和生產(chǎn)執(zhí)行層上，實(shí)際建設(shè)內(nèi)容見圖2。

圖2 智能礦山建設(shè)主要內(nèi)容

2 系統(tǒng)自動(dòng)化控制技術(shù)

2.1 工作面設(shè)備控制技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)集中控制器對(duì)采煤機(jī)、支架和輸送機(jī)的遠(yuǎn)程控制功能，需要在工作面完成無(wú)線通訊設(shè)備的安設(shè)。采煤機(jī)的割煤一般由開切眼的記憶軌跡確定，而集控器可以控制記憶軌跡。同時(shí)，采煤機(jī)的電控系統(tǒng)得到了改造，也進(jìn)行了定位、傾角、采高傳感器和煤巖識(shí)別設(shè)備的硬件升級(jí)，使采煤機(jī)可以利用數(shù)據(jù)集控系統(tǒng)對(duì)支架電控系統(tǒng)的信號(hào)傳輸順利完成跟機(jī)移架操作。采煤機(jī)根據(jù)D齒輪脈沖的數(shù)據(jù)檢測(cè)實(shí)現(xiàn)工作面的行走，通過支架編號(hào)可以將采煤機(jī)的位置定位到0.1cm支架的精度。在左右牽引部進(jìn)行復(fù)位系統(tǒng)的建設(shè)，通過機(jī)頭尾過渡槽幫的復(fù)位磁鐵配合牽引部的復(fù)位傳感器感知實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的位置修正功能，保障采煤機(jī)在兩端極限位置停機(jī)的穩(wěn)定。液壓支架安裝紅外發(fā)射器后配合煤機(jī)的定位傳感器輔助集控系統(tǒng)完成采煤機(jī)的精確定位，確保護(hù)幫板的正確操作，采煤機(jī)的具體定位修正原理如圖3所示。轉(zhuǎn)載機(jī)進(jìn)行了負(fù)荷傳感器的加裝，對(duì)轉(zhuǎn)載機(jī)的載荷量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)集控系統(tǒng)對(duì)刮板輸送機(jī)的自動(dòng)化控制[2]。

圖3 采煤機(jī)定位修正原理

2.2 泵站控制技術(shù)

泵站通過溫度和壓力傳感器的增設(shè)可以實(shí)現(xiàn)泵站各管路的運(yùn)行溫度及運(yùn)行壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，利用集控系統(tǒng)對(duì)溫度及壓力的數(shù)據(jù)反饋控制電磁閥的工作狀態(tài)，從而完成泵站的相關(guān)工作。

2.3 無(wú)線通信技術(shù)

在綜采工作面和兩側(cè)巷道完成無(wú)線通訊綜合分站的等距安裝，可以幫助調(diào)度中心實(shí)現(xiàn)與工作面之間的數(shù)據(jù)高速傳輸，再利用集控系統(tǒng)將各分站串聯(lián)起來實(shí)現(xiàn)工作面巷道的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)全面覆蓋功能，另外再通過井下萬(wàn)兆工業(yè)環(huán)網(wǎng)的建設(shè)，完善IT 基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)需求。

2.4 視頻監(jiān)控技術(shù)

在液壓支架及采煤機(jī)機(jī)身和搖臂、刮板輸送機(jī)等設(shè)備上進(jìn)行可轉(zhuǎn)動(dòng)監(jiān)控?cái)z像頭的全面安裝可以有效促進(jìn)設(shè)備實(shí)現(xiàn)無(wú)人操作作業(yè)。實(shí)際安裝技術(shù)可以從以下幾個(gè)方面著手：首先，在液壓支架方面可以按間隔4個(gè)支架安裝1個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)監(jiān)控?cái)z像頭的配置進(jìn)行安裝，紅外傳感器則安裝10個(gè)支架的間隔進(jìn)行配置，從而實(shí)現(xiàn)工作面的全面監(jiān)控以及采煤機(jī)的紅外輔助功能；其次，采煤機(jī)的機(jī)身核心部位以及搖臂的攝像頭隨集控系統(tǒng)根據(jù)視野需求進(jìn)行調(diào)整，起到采煤機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和機(jī)身前方工作面工作現(xiàn)狀視頻影像的多種作用；最后，通過輸送機(jī)的攝像頭完成煤流狀態(tài)和煤塊實(shí)際運(yùn)輸狀況的監(jiān)控工作[3]。

3 綜采工作面生產(chǎn)應(yīng)用

3.1 “十二工步”自動(dòng)割煤工藝

綜采工作面自動(dòng)化采煤技術(shù)在該煤礦的集控系統(tǒng)得到了相關(guān)的成功應(yīng)用，并在該技術(shù)的“十二工步”綜合機(jī)械化自動(dòng)割煤工藝的技術(shù)創(chuàng)新下實(shí)現(xiàn)了割煤動(dòng)作的自動(dòng)化控制目標(biāo)。具體的“十二工步”自動(dòng)割煤工藝流程見圖4。具體操作步驟解析如下：①在機(jī)頭到機(jī)尾的作業(yè)過程中左右滾筒的高度通過記憶采高來調(diào)整；②在采煤機(jī)到達(dá)機(jī)尾的極限位置時(shí)要及時(shí)進(jìn)行牽引作業(yè)和返刀及滾筒換向等操作；③機(jī)尾在極限位置到三角煤的折返點(diǎn)的過程中，采煤機(jī)系統(tǒng)的左滾筒高度應(yīng)根據(jù)設(shè)定高度來調(diào)整；④機(jī)尾到達(dá)三角煤折返點(diǎn)位置時(shí)應(yīng)參照機(jī)尾達(dá)到極限位置進(jìn)行相同操作；⑤在機(jī)尾三角煤折返點(diǎn)到機(jī)尾極限位置的過程中，左右滾筒的高度要根據(jù)記憶采高需要進(jìn)行對(duì)應(yīng)調(diào)整；⑥當(dāng)采煤機(jī)再次來到機(jī)尾極限位置，重復(fù)停牽引和反向牽引及滾筒換向和自動(dòng)返刀等操作；⑦機(jī)尾到機(jī)頭過程的滾筒調(diào)節(jié)參照機(jī)頭到機(jī)尾的相同步驟執(zhí)行；⑧到達(dá)機(jī)頭極限位置時(shí)，相關(guān)操作參照機(jī)尾極限位置執(zhí)行；⑨當(dāng)采煤機(jī)從機(jī)頭極限位置到機(jī)頭三角煤折返點(diǎn)時(shí)滾筒調(diào)節(jié)參照機(jī)尾三角煤折返點(diǎn)到機(jī)尾極限位置操作；⑩機(jī)頭三角煤折返點(diǎn)的操作參照機(jī)尾三角煤折返點(diǎn)執(zhí)行；割煤機(jī)機(jī)頭工作到相同位置時(shí)執(zhí)行的操作也是一樣的[4]。

圖4 “十二工步”自動(dòng)割煤工藝流程

3.2 實(shí)施效果

（1）幫助采煤機(jī)首次實(shí)現(xiàn)了雙向雙軌跡的自動(dòng)記憶割煤作業(yè)；對(duì)采煤機(jī)的機(jī)頭機(jī)尾在割透情況下的不自動(dòng)返刀或誤抬刀問題得到了有效解決；有效提高割煤工藝的效率的同時(shí)還節(jié)約了人力成本，并加強(qiáng)了自動(dòng)割煤加甩刀的記憶數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；使記憶割煤過程的控制欠缺方面得到了有效加強(qiáng)。

（2）降低了傳統(tǒng)生產(chǎn)時(shí)對(duì)人力資源的大量需求，同時(shí)，采煤機(jī)司機(jī)通過先進(jìn)的監(jiān)控技術(shù)進(jìn)行觀察和干預(yù)實(shí)現(xiàn)原有的工作職能，大幅度降低了工作人員的工作強(qiáng)度和安全隱患；對(duì)操作系統(tǒng)和控制臺(tái)的3個(gè)崗位進(jìn)行了合并優(yōu)化，通過操作系統(tǒng)的集控系統(tǒng)安裝，實(shí)現(xiàn)1個(gè)工作人員完成原來需要3個(gè)工作人員才能完成的人員效率提升，全面降低綜采工作面的人力資源成本[5]。

（3）該煤礦在A、B、C5 綜采工作面成功運(yùn)用了“十二工步”自動(dòng)割煤工法并取得了一定的成效。

3.3 存在問題

首先，該煤礦雖然實(shí)現(xiàn)了綜采工作面的自動(dòng)化作業(yè)基礎(chǔ)，但是仍舊離不開巡視人員的支持，想要實(shí)現(xiàn)真正的自動(dòng)化無(wú)人開采和智能化開采還有很長(zhǎng)的路要走，在今后的研發(fā)方向應(yīng)圍繞集控系統(tǒng)以及煤巖識(shí)別等核心技術(shù)方向開展。其次，集控系統(tǒng)在穩(wěn)定性上還需要進(jìn)一步加強(qiáng)，在特殊地質(zhì)構(gòu)造和工作面割三角煤進(jìn)刀的實(shí)際作業(yè)中，集控系統(tǒng)操作誤差范圍還是不能滿足技術(shù)需求的，往往需要人工干預(yù)來彌補(bǔ)遠(yuǎn)程操作效果不理想所造成的影響。最后，監(jiān)控系統(tǒng)在工作面的復(fù)雜工作環(huán)境中清晰度受到的影響還是比較大的，井下監(jiān)測(cè)設(shè)備的配置以及抗干擾性能還需要得到進(jìn)一步的加強(qiáng)。

4 煤礦自動(dòng)化發(fā)展趨勢(shì)

4.1 現(xiàn)場(chǎng)信息自動(dòng)化控制

過程控制系統(tǒng)中的遠(yuǎn)程控制一般需要得到高度集成本地信息的支持。過程控制的運(yùn)行基礎(chǔ)主要靠工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)以及智能儀表提供保障。具體方案主要在創(chuàng)建本地及遠(yuǎn)程和移動(dòng)固定方式相結(jié)合的3D數(shù)字化信息配合各種自動(dòng)化工具來實(shí)現(xiàn)機(jī)械控制以及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的生產(chǎn)自動(dòng)化技術(shù)，從而保障礦山的安全運(yùn)營(yíng)以及經(jīng)濟(jì)效益。利用傳感器采集到的現(xiàn)場(chǎng)信息數(shù)據(jù)，為現(xiàn)場(chǎng)的控制設(shè)備實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制作用，并依托信息網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)支撐各種現(xiàn)場(chǎng)的控制職能。系統(tǒng)將采集到的信息傳輸?shù)降孛婕锌刂浦行倪M(jìn)行匯總，并由監(jiān)控軟件和監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化子系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)管理作用。

4.2 集中控制的全礦井過程自動(dòng)化

在工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，落實(shí)好礦山的集中監(jiān)控和自動(dòng)化礦山設(shè)備的更新升級(jí)，對(duì)礦山自動(dòng)化控制轉(zhuǎn)變?yōu)榧械V山自動(dòng)化控制中心，從而加快企業(yè)集中管理目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。在遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的管理工作中，通過采煤控制技術(shù)的改革與創(chuàng)新與采礦設(shè)備操作配置參數(shù)的優(yōu)化改進(jìn)，并借助地面支持中心的診斷及控制作用實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控工作的順利實(shí)時(shí)，有效解決自動(dòng)化采礦過程中出現(xiàn)的各種問題。礦山自動(dòng)化集中管理應(yīng)對(duì)煤礦自動(dòng)化的發(fā)展方向進(jìn)行科學(xué)合理的評(píng)估，并加快企業(yè)自動(dòng)化集中控制中心的構(gòu)建，全面保障企業(yè)的自動(dòng)化控制成效。對(duì)礦山的集中控制中心進(jìn)行弱化和替換，使過程控制以及設(shè)備控制和工廠管理實(shí)現(xiàn)高度集中管理，通過企業(yè)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的安裝來保障原始量得到有效統(tǒng)計(jì)。煤礦安全生產(chǎn)模式是目前礦山綜合管控過程的常用開采模式，是煤礦開采工作安全高效進(jìn)行的重要保障。

4.3 煤礦遠(yuǎn)程集控中心

在遠(yuǎn)程采煤過程中，高速數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)和高效的自動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)是重要的執(zhí)行基礎(chǔ)。許多公司為了加強(qiáng)對(duì)礦井設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，都在不同程度上安裝實(shí)施了遠(yuǎn)程監(jiān)控和在線監(jiān)控系統(tǒng)。同時(shí)，設(shè)備的技術(shù)人員會(huì)根據(jù)設(shè)備的常見故障類型和系統(tǒng)特點(diǎn)對(duì)礦山的相應(yīng)崗位職工進(jìn)行指導(dǎo)培訓(xùn)。在生產(chǎn)控制系統(tǒng)的支持下完成監(jiān)控設(shè)備和生產(chǎn)計(jì)劃的布置，并科學(xué)合理地分析各項(xiàng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)。另外，要加強(qiáng)動(dòng)態(tài)過程圖像與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的融合效率，有效反饋?zhàn)鳂I(yè)現(xiàn)場(chǎng)各設(shè)備及崗位的工作情況，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的工作進(jìn)度實(shí)現(xiàn)全時(shí)管控，在安全生產(chǎn)的前提下，確保機(jī)械設(shè)備得到自由運(yùn)作。

5 未來煤礦自動(dòng)化重點(diǎn)研究方向

5.1 高度集成的現(xiàn)場(chǎng)信息

煤礦的井下作業(yè)具有地質(zhì)條件復(fù)雜及環(huán)境惡劣的特點(diǎn)，并且生產(chǎn)過程中的突發(fā)事件可能性也比較高。煤礦的開采作業(yè)在簡(jiǎn)單的自動(dòng)控制技術(shù)支持下不能得到完全滿足。設(shè)備自動(dòng)化的高度集成信息在傳感器的收集反饋過程中可以很好地促進(jìn)遠(yuǎn)程控制的實(shí)施。因此，高精尖的高科技傳感器以及無(wú)線通信技術(shù)和光纖通信對(duì)未來煤礦自動(dòng)化發(fā)展的影響是比較重要的。

5.2 煤礦瓦斯、突水、火災(zāi)等重大災(zāi)害預(yù)警技術(shù)

現(xiàn)階段的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)氣體的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及一些大規(guī)模的災(zāi)害具有一定的預(yù)警能力。但是，這些監(jiān)控技術(shù)都是基于原有的監(jiān)控技術(shù)發(fā)展得來的，隨著技術(shù)的更新?lián)Q代，準(zhǔn)確率會(huì)逐漸降低。所以，企業(yè)進(jìn)一步研究大規(guī)模災(zāi)害的預(yù)警技術(shù)，使預(yù)警機(jī)制的準(zhǔn)確性得到有效保障。

5.3 應(yīng)急救援和精確定位技術(shù)

在井下突發(fā)安全事故及地下災(zāi)害時(shí)必須采取緊急行動(dòng)來阻止事態(tài)的進(jìn)一步惡化，以免造成更大的損失。雖然現(xiàn)行的人員定位技術(shù)還能滿足一般的救災(zāi)需求，但是隨著井下開采技術(shù)的不斷進(jìn)步，更多的環(huán)境因素會(huì)影響搜救信號(hào)的搜集，所以要針對(duì)性地研究更加先進(jìn)抗干擾能力更強(qiáng)的應(yīng)急救援和定位系統(tǒng)。

6 結(jié)論

（1）本文主要以該煤礦的集控系統(tǒng)設(shè)計(jì)和各子系統(tǒng)控制技術(shù)為探討對(duì)象，對(duì)集控系統(tǒng)控制三機(jī)配合割煤的應(yīng)用以及轉(zhuǎn)載機(jī)和刮板運(yùn)輸機(jī)的監(jiān)控協(xié)作模式以及工作面數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行了深入研究。

（2）根據(jù)礦機(jī)的自動(dòng)化割煤作業(yè)進(jìn)行了采煤機(jī)的12工步循環(huán)自動(dòng)化割煤探討。

（3）“十二工步”自動(dòng)割煤工藝為遠(yuǎn)程操控采煤以及作業(yè)人員的安全健康和采煤設(shè)備的工作效率均體現(xiàn)出了巨大的貢獻(xiàn)，是煤礦企業(yè)實(shí)現(xiàn)解放人工勞動(dòng)力向技術(shù)密集型行業(yè)轉(zhuǎn)變的重要基礎(chǔ)，全面保障了企業(yè)的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益，并為保護(hù)社會(huì)的安全穩(wěn)定起到了重要的積極意義。