郝躍飛

（山西焦煤汾西礦業(yè)賀西煤礦， 山西 柳林 033300）

0 引言

采煤工作面是煤炭主要開采場所，采面內(nèi)布置有支架、刮板輸送機(jī)、采煤機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、泵站以及帶式輸送機(jī)等各種設(shè)備[1-2]。采面內(nèi)各設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，盡管隨著自動化控制技術(shù)不斷發(fā)展，單機(jī)設(shè)備（如采煤機(jī)、液壓支架等）智能化、自動化控制水平有所發(fā)展，但是仍面臨各設(shè)備控制分散、無法精準(zhǔn)配合等問題，導(dǎo)致采面設(shè)備性能無法充分發(fā)揮、設(shè)備工作效率不高[3-5]。開采設(shè)備智能集成控制是煤炭開采重點(diǎn)研究方向，眾多的學(xué)者進(jìn)行了廣泛的研究，并取得一定的應(yīng)用成果[6-9]。因此，在借鑒以往智能集中控制研究成果基礎(chǔ)上，基于以太網(wǎng)、傳感器等對采面開采設(shè)備智能集成控制進(jìn)行研討，以期在一定程度增強(qiáng)采面煤炭開采效率。

1 13703 工作面概況

山西某礦13703 采煤工作面位于13 采區(qū)中部，東側(cè)為待回采的13705 采面，西側(cè)為回采完畢的13701 工作面采空區(qū)，南側(cè)為13 采區(qū)集中巷道，北側(cè)為采區(qū)邊界保護(hù)煤柱。13703 采煤工作面回采的7 號煤層埋深均值為408 m，采面設(shè)計走向長690 m、傾向長187 m，回采的7 號煤層厚度1.8～10.5 m，傾角3°～9°。13703 采煤工作面回采范圍內(nèi)地質(zhì)條件復(fù)雜，采面整體受區(qū)域褶曲構(gòu)造影響，煤層頂?shù)装辶严栋l(fā)育，同時在開采范圍內(nèi)會揭露SF305 斷層（落差H=0.8～3.2 m，105°∠53°），在該斷層附近煤層松軟、次生構(gòu)造發(fā)育。

13703 采煤工作面采用綜采放頂煤開采工藝，設(shè)計采高為2.8 m、采放比1∶1.2，1 個循環(huán)割2 刀煤，循環(huán)進(jìn)尺深度為1 200 mm。采煤機(jī)割煤后及時伸出伸縮梁、護(hù)幫板并及時前移支架，采面內(nèi)布置的主要開采設(shè)備數(shù)量及技術(shù)規(guī)格如表1 所示。

表1 開采設(shè)備技術(shù)參數(shù)

2 采煤設(shè)備智能集成控制

為提升13703 采煤工作面設(shè)備綜合智能化控制程度、提升煤炭生產(chǎn)效率，對開采設(shè)備進(jìn)行智能集中控制，具體舉措包括：通過井下光纖完成數(shù)據(jù)傳輸，地面主機(jī)可遠(yuǎn)程控制采面設(shè)備運(yùn)行；采用傳感器采集采面設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，使得開采設(shè)備可依據(jù)煤質(zhì)、支撐壓力以及負(fù)載等變化智能調(diào)整采高、立柱壓力、割煤速度、乳化液配比以及放煤間隔等，采面采用的智能集成控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1 所示。

圖1 智能集成控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

2.1 采面開采設(shè)備智能化集成控制系統(tǒng)

開采設(shè)備智能集成化控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)煤炭智能化、集成化及自動化開采的核心，用過監(jiān)控平臺、人機(jī)接口等構(gòu)建統(tǒng)一的通信及數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，實(shí)現(xiàn)各開采設(shè)備間數(shù)據(jù)交互，將采面采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)、破碎機(jī)、帶式輸送機(jī)、噴霧泵站以及供電系統(tǒng)等集中連接，并通過采面雙數(shù)據(jù)交換主機(jī)、以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備智能集成控制，具體智能化集成控制系統(tǒng)構(gòu)建方案如圖2 所示。

圖2 智能化集成控制系統(tǒng)構(gòu)建方案

智能化集成控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架、供電系統(tǒng)以及泵站系統(tǒng)等遠(yuǎn)程監(jiān)測、控制，實(shí)現(xiàn)煤炭開采、頂板管理、運(yùn)輸?shù)戎悄芑煽刂啤５孛嬲{(diào)度中心可通過光纖、工業(yè)以太網(wǎng)等實(shí)現(xiàn)獲取井下設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、狀態(tài)信號，智能集成控制系統(tǒng)依據(jù)地面調(diào)度中心發(fā)出的控制信號并按照內(nèi)置運(yùn)行程度控制采煤設(shè)備運(yùn)行，具體啟動程序為破碎機(jī)→帶式輸送機(jī)→轉(zhuǎn)載機(jī)→采面2 部刮板輸送機(jī)→采煤機(jī)，按照預(yù)先設(shè)定啟動程序可實(shí)現(xiàn)開采設(shè)備一鍵啟動；同時集成控制系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)庫可實(shí)現(xiàn)各設(shè)備單元運(yùn)行參數(shù)、故障參數(shù)等進(jìn)行存儲。

2.2 乳化液泵站智能控制

乳化液泵站組成包括有供水凈化站、乳化液自動配液站、高壓過濾站以及回液過濾站等，具體設(shè)計的供液路線為供水管路→供水凈化站→乳化液自動配液站→乳化液泵站→高壓過濾站→采面供液管路→采面液壓設(shè)備（綜放支架等）→回液管路→回液過濾站→乳化液泵站。

采用的控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)乳化液自動配液、供液，設(shè)計的乳化液配比濃度為5%（質(zhì)量比），通過乳化液配比電控箱控制電磁水閥、配比泵等實(shí)現(xiàn)乳化液供液濃度調(diào)節(jié)。當(dāng)乳化液箱中液位低于設(shè)定液位下限時，液位傳感器向電控箱發(fā)出補(bǔ)液信號，電控箱開啟進(jìn)水電磁閥、循環(huán)泵及配比泵，向乳化液箱補(bǔ)充乳化液并將乳化液控制在一定濃度范圍。同時系統(tǒng)具備有自動、手動兩種控制模式，自動模式時系統(tǒng)按照預(yù)先設(shè)定程序自動運(yùn)行；手動模式時人工控制補(bǔ)液。

2.3 綜放支架自動化控制

13703 采煤工作面綜放液壓支架采用ZE0704 電液控制系統(tǒng)控制，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括電磁閥驅(qū)動器、支架控制器、中繼器、電液換向閥組、傳感器（壓力、傾角及位移等）、紅外發(fā)射及接收設(shè)備等構(gòu)成。支架控制器可實(shí)現(xiàn)支架各動作控制，具備單架、成組自動、手動控制。該控制系統(tǒng)通過控制電磁閥動作進(jìn)而控制乳化液供液，實(shí)現(xiàn)液壓支架自動化動作控制，同時具備有液壓支架動作監(jiān)測、控制指令執(zhí)行、運(yùn)行程序編輯、支架狀態(tài)顯示等功能。綜放支架控制器具備有功能保持、點(diǎn)動、功能切換、遠(yuǎn)程控制以及自動控制模式等。

將7 架綜放支架設(shè)為1 組并串聯(lián)至1 臺控制器中，實(shí)現(xiàn)成組（單架）手動、自動及急停閉鎖等操作。在推移刮板輸送機(jī)時，通過支架千斤頂行程處傳感器監(jiān)測千斤頂活塞行程，實(shí)現(xiàn)推溜距離控制及檢測。壓力傳感器（測量范圍0～60 MPa）檢測綜放支架立柱腔體壓力；當(dāng)檢測壓力小于設(shè)計壓力時，電液閥芯開啟實(shí)現(xiàn)自動補(bǔ)壓，保障支架初撐力在合理范圍內(nèi)。

2.4 綜放支架自動跟機(jī)控制系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)割煤后綜放支架及時推移刮板輸送機(jī)、前移支架等操作，采用紅外發(fā)射及接收裝置持續(xù)檢測采煤機(jī)位置。紅外發(fā)射裝置、紅外接收裝置分別安裝在采煤機(jī)、綜放支架上，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)位置及割煤方向判定，從而實(shí)現(xiàn)后續(xù)的自動化控制，如隨機(jī)噴霧、推移刮板輸送機(jī)、分組放煤以及移架等。

2.5 高壓反沖洗

采煤工作面工作環(huán)境復(fù)雜、惡劣，為避免雜物混入到供液管路中影響綜放支架動作，采用反沖洗過濾器清除雜物。在進(jìn)液管、出液管上均安裝壓力傳感器，當(dāng)進(jìn)液管及出液管上壓力傳感器數(shù)據(jù)存在有明顯壓差時，表明雜物堵塞部分過濾孔，通過調(diào)整控制器參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)高壓過濾器反沖洗，避免出現(xiàn)堵塞情況。

2.6 視頻監(jiān)控

通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)可直觀地掌握采面開采情況、關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行情況。在采面間隔6 架綜放支架布置1 臺攝像機(jī)，用以動態(tài)跟蹤采煤機(jī)割煤，并在刮板輸送機(jī)機(jī)頭及機(jī)尾、帶式輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載點(diǎn)等關(guān)鍵位置布置攝像機(jī)。采面采用的攝像機(jī)具備有強(qiáng)光抑制、低照度、水霧及煤塵穿透等功能，并通過礦用交換機(jī)、工業(yè)以太網(wǎng)等實(shí)現(xiàn)對采面開采設(shè)備、煤壁等全覆蓋監(jiān)控。

3 現(xiàn)場應(yīng)用效果

智能集成控制系統(tǒng)在13703 采煤工作面進(jìn)行工業(yè)試驗，實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)、綜放支架、刮板輸送機(jī)、泵站等設(shè)備的智能集成控制。開采設(shè)備可實(shí)現(xiàn)一鍵啟動，采煤機(jī)實(shí)現(xiàn)記憶截割、綜放支架跟機(jī)移架及推溜，同時采面各設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、視頻監(jiān)控畫面等通過光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控中心，便于地面人員及時掌握采煤現(xiàn)場情況及設(shè)備運(yùn)行參數(shù)。現(xiàn)場應(yīng)用期間，該系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，各開采設(shè)備間協(xié)同運(yùn)行良好，在一定程度上提升了采面智能化控制水平，減少了井下人員數(shù)量。

4 結(jié)語

隨著先進(jìn)的開采設(shè)備、控制技術(shù)以及通信技術(shù)等不斷發(fā)展，智能化集成控制技術(shù)在煤礦井下應(yīng)用不斷增加，在一定程度提升煤礦開采、排水以及通風(fēng)等保障能力以及智能化程度?；?3703 采煤工作面現(xiàn)場情況，對采面內(nèi)開采設(shè)備智能控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵子系統(tǒng)以及功能等進(jìn)行分析，并探討現(xiàn)場應(yīng)用效果。

在13703 采煤工作面使用的智能集成控制系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用平穩(wěn)，可實(shí)現(xiàn)綜放支架自動跟機(jī)、采煤機(jī)記憶割煤、乳化液自動配比以及遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能；通過智能集成控制系統(tǒng)可提高開采設(shè)備綜合自動化程度，降低生產(chǎn)成本，為后續(xù)智能化采煤工作面構(gòu)建奠定良好基礎(chǔ)。