王茂華

（山西靈石昕益旺嶺煤業(yè)有限公司， 山西 靈石 031300）

0 引言

搭乘工業(yè)化高速發(fā)展的快車，煤礦企業(yè)的井下信息化技術(shù)取得了長足的進(jìn)步，各種通信、控制技術(shù)層出不窮[1-2]。實際生產(chǎn)時，綜采工作面作為重要的開采運輸中轉(zhuǎn)站，能否穩(wěn)定、高效地開展工作，關(guān)乎著礦井的綜合效益[3]。因此，綜采工作面的智能操控體系研究成為研究的熱點，取得了一批高水平的研究成果，為綜采工作面智能化改造貢獻(xiàn)了大量的寶貴經(jīng)驗和智慧[4-5]。本文在既有研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合10 號煤綜采工作面實際情況，以智能化工作面建設(shè)目標(biāo)為導(dǎo)向，從智能采煤、集中控制運輸和供液等方面對10 號煤智能化工作面的構(gòu)建進(jìn)行剖析。項目建成后，僅需少量井下人員即可實現(xiàn)工作面的一體化自動控制。

1 信息化升級的現(xiàn)狀與要求

目前，一些煤礦已做到了自動化操控系統(tǒng)的單獨運行，在安全生產(chǎn)領(lǐng)域發(fā)揮了積極的作用。然而，就信息化對系統(tǒng)單獨運行、信息共享的要求來看，因子系統(tǒng)存在數(shù)據(jù)孤島和自動化程度低等短板，成為信息化發(fā)展的巨大阻礙，并且?guī)砹送度胫貜?fù)疊加、維修養(yǎng)護難度大等問題。

煤礦的信息化主要依托傳感器監(jiān)測、通信設(shè)備、控制器和工控機實現(xiàn)對信息的采集、傳輸、處理和應(yīng)用。對礦井進(jìn)行綜合信息化改造，需要投入建設(shè)大型的控制系統(tǒng)，采用開放分布方式，實現(xiàn)對礦井的一體化全方位管理。通過監(jiān)測、控制、收集和整理信息，對礦井的安全和生產(chǎn)情況進(jìn)行實時監(jiān)察與管控。落實到具體工作中時，可以起到以下作用：

1）可以向上連接，向上級部門匯報工作、共享信息，也可向下管理，監(jiān)測各個分支系統(tǒng)的運行狀態(tài)，并對其發(fā)布指令。

2）通過智慧調(diào)控中心的建設(shè)，實現(xiàn)集中管控，井下作業(yè)從減人、少人向無人化過渡。

3）通過便捷、合規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)化傳輸系統(tǒng)，實現(xiàn)科學(xué)高效的生產(chǎn)與管理。

4）促進(jìn)系統(tǒng)的構(gòu)造分級、整體設(shè)計、逐步落地，并隨發(fā)展而優(yōu)化升級。

5）能夠形成一個集軟件、網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)于一體的高集成平臺。

2 煤企智能化升級概述

綜采自動化控制系統(tǒng)的優(yōu)勢在于把多項跨學(xué)科技術(shù)進(jìn)行高度融合，集中統(tǒng)一使用在綜采工作面的實際工作中。自動化控制系統(tǒng)不僅能夠做到在監(jiān)控指揮中心實現(xiàn)遠(yuǎn)程自動操控井下各項設(shè)備，還可以把井下人員從繁重的工作中解放出來，釋放了勞動力，減少了人員傷亡。系統(tǒng)借助以太網(wǎng)搭建的高速網(wǎng)絡(luò)，實時收集井下設(shè)備數(shù)據(jù)信息，并進(jìn)行處理，服務(wù)于綜采工作。此外，在系統(tǒng)發(fā)生故障時，各個子系統(tǒng)可以實現(xiàn)單獨運作，保證各項生產(chǎn)工作正常進(jìn)行。

3 10 號煤智能工作面的建設(shè)

3.1 總體架構(gòu)

10 號煤智能工作面主要由地面分控中心和順槽監(jiān)控中心以及眾多智能化綜采設(shè)備組成，總體架構(gòu)如圖1 所示，由采煤系統(tǒng)、智能支護系統(tǒng)、集中控制運輸系統(tǒng)、供液系統(tǒng)以及人員定位系統(tǒng)構(gòu)成。

圖1 10 號煤智能化工作面總體架構(gòu)

3.2 智能化系統(tǒng)的建設(shè)

3.2.1 采煤機遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

10 號煤智能綜采工作面對已有采煤機進(jìn)行智能化升級改造，改造后的智能化采煤機接入到智能化綜采系統(tǒng)集中控制軟件平臺，能夠通過人為按鍵方式或者通過系統(tǒng)內(nèi)部程序方式向采煤機發(fā)送控制指令進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，也能監(jiān)測采煤機以及關(guān)聯(lián)設(shè)備的運行狀態(tài)和各項數(shù)據(jù)。當(dāng)采煤機自動化控制系統(tǒng)出現(xiàn)問題與故障時，不需要過渡、調(diào)整，就能迅速轉(zhuǎn)入非自動化操作模式，且脫離自動化相關(guān)功能。采煤系統(tǒng)通過精確的數(shù)據(jù)分析和智能算法，實現(xiàn)了更高效的采煤操作，采煤過程更加高效和精確，煤炭產(chǎn)量大幅提高。

3.2.2 液壓支架電液控制系統(tǒng)

10 號煤綜采工作面采用液壓支架支護頂板，共布置95 臺液壓支架和6 臺過渡支架用作中間支架，順槽端頭支護使用2 臺端頭支架。液壓支架電液控制系統(tǒng)是集多項功能、可實現(xiàn)自動化控制的成套高效設(shè)備?；诙鄬哟?、多計算機的輔助，能夠自由選取或拓展自身規(guī)模與配置，還能夠根據(jù)需要控制其自動化程度。增加配置智能傳感器，可以實現(xiàn)煤礦綜采作業(yè)的智能化。電液控制系統(tǒng)自動化率高達(dá)99%，單架或成組工作均可，充分釋放了勞動力，大大節(jié)約了人力成本。

3.2.3 運輸集中控制系統(tǒng)

在順槽集控中心，通過與 “三機” 控制系統(tǒng)、膠帶輸送機控制系統(tǒng)進(jìn)行通信，可以實現(xiàn)對刮板機機頭和機尾等相關(guān)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，實現(xiàn)對 “三機” 的啟停聯(lián)動。在遠(yuǎn)程啟動工作面運輸設(shè)備前，集控中心人員可以確認(rèn)大巷膠帶輸送機是否已經(jīng)啟動。在轉(zhuǎn)載點、皮帶機尾等處布置礦用隔爆兼本安型除塵攝像儀，集控室操作人員可遠(yuǎn)程觀看到設(shè)備的運行狀態(tài)。主要包括：刮板運輸機、轉(zhuǎn)載機等單設(shè)備的遠(yuǎn)程開啟、關(guān)停；開關(guān)狀態(tài)顯示，包括各個設(shè)備運行狀態(tài)、電流大小、電壓大小以及漏電、斷相和過載等故障狀態(tài)顯示；對設(shè)備轉(zhuǎn)速、溫度等參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測，方便及時檢修，實現(xiàn)無人、少人化工作，提升了工作效率。

3.2.4 泵站集中控制系統(tǒng)

10 號煤工作面裝備1 套乳化液泵站和1 套清水泵站，分別包含2 臺乳化液泵、1 臺乳化液箱及配套附件、2 臺清水泵、1 臺水箱及配套附件。此系統(tǒng)可以操控乳化液泵站和噴霧泵站，當(dāng)1 臺泵運行達(dá)不到調(diào)定壓力時，自動控制系統(tǒng)會發(fā)出指令起動第2 臺泵?？梢詫崿F(xiàn)集控、就地檢修和預(yù)警等功能，無需專人值守。另外，還可以實現(xiàn)自動配比、補液和清洗過濾等功能。通過應(yīng)用泵站集控系統(tǒng)，實現(xiàn)了安全高效、快捷方便地優(yōu)質(zhì)供液。

3.2.5 網(wǎng)絡(luò)及5G 通信系統(tǒng)

以太網(wǎng)系統(tǒng)是工作面信息化建設(shè)和自動化建設(shè)的重要組成部分，為工作面自動化信息的傳輸和視頻信號傳輸提供了穩(wěn)定的傳輸鏈路。由于礦井已經(jīng)建設(shè)5G 無線通信系統(tǒng)，且5G 無線通信方式具有高帶寬、低時延的特點，可以滿足綜采工作面視頻信號等占用高帶寬的數(shù)據(jù)流使用。因此，在10 號煤工作面及其所在采區(qū)敷設(shè)5G 無線基站，通過以太網(wǎng)系統(tǒng)，可以將工作面的信號傳送至順槽集控中心，做到有線/無線傳輸雙冗余，以有線傳輸為主，當(dāng)有線傳輸出現(xiàn)故障時，可立即切換為5G 無線傳輸方式。

10 號煤工作面以太網(wǎng)主要由礦用本安型交換機、穩(wěn)壓電源、電纜連接器和光纜等構(gòu)成。以6∶1 的比例配置支架和交換機，并通過通信線纜連接。交換機接入以太網(wǎng)信息，具有大帶寬、高速率、廣連接和低延時等特點，其750 Mb/s 的下行速率和135 Mb/s 的上行速率，可同時承載語音、數(shù)據(jù)和視頻三大業(yè)務(wù)。

4 工業(yè)化智慧礦山的經(jīng)濟效益

經(jīng)過對綜采工作面的智能化改造，做到了工作面的無人化、少人化作業(yè)，全面實現(xiàn)了自動化智能割煤。通過對比傳統(tǒng)作業(yè)，單產(chǎn)和單進(jìn)均提高不止了10%，礦企整體工效增長15%，每年生產(chǎn)成本可減少300萬元，智能化改造的經(jīng)濟效益十分顯著，并將在其他工作面繼續(xù)開展工業(yè)化升級的推廣與應(yīng)用。

對采煤機、三機和泵站電控系統(tǒng)進(jìn)行國產(chǎn)化更迭替換，接入統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)接口，消耗的物料每噸成本減少了2 元，產(chǎn)能增長了8%，設(shè)備利用率提高了5%，在降低生產(chǎn)本的同時，提高了設(shè)備的工作效率。大型機械設(shè)備的使用率提升了3%，割煤自動化和設(shè)備開機比率均高達(dá)85%以上，支架跟機拉架自動化比率更是高達(dá)90%以上，每分鐘人工干預(yù)采煤機的次數(shù)減少為2 次以下。操控人員借助無線遙控及遠(yuǎn)程干預(yù)技術(shù)對采煤機和支架進(jìn)行日常操作與監(jiān)管，一人即可對控制臺、機頭和自移機尾進(jìn)行操作?？舍尫胖辽?0%的勞動力，每班生產(chǎn)作業(yè)人員最多只需5 人，全面提升了工作面的自動化生產(chǎn)效率，每年可節(jié)省人力成本200 多萬元。

5 結(jié)語

10 號煤工作面在智能化改造之前，主要采用的是機械化采煤，工人需要經(jīng)常出入工作面，彎腰弓背操作機器，工作強度極大。改造完成后，10 號煤工作面實現(xiàn)了智能化，通過巷道監(jiān)控中心、地面調(diào)度中心進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控等技術(shù)，最終實現(xiàn)工作面以智能化為主、人工干預(yù)為輔的生產(chǎn)工藝，井下工人比改造前減少了1/2。智能化改造能讓機器 “自己采煤” ，實現(xiàn)了采煤機記憶截割、智能化控制；液壓支架能夠自動伸收、移架、推溜、噴霧除塵、遠(yuǎn)程控制和支架全姿態(tài)監(jiān)測及預(yù)警；運輸機與采煤機進(jìn)行智能聯(lián)動、智能調(diào)速及機尾鏈條自動張緊；皮帶機具有智能張緊功能；轉(zhuǎn)載機自移裝置、皮帶機自移機尾具有手動、遙控和自動控制功能；綜采工作面泵站系統(tǒng)具有智能調(diào)控、智能配液功能。工人不需要頻繁出入工作面，只需定期巡檢即可，大大降低了勞動強度。智能化改造，推動了圍繞5G、大數(shù)據(jù)和云計算為代表的新一代信息技術(shù)與傳統(tǒng)煤炭產(chǎn)業(yè)深度融合，為努力構(gòu)建安全綠色智能開采的現(xiàn)代煤炭產(chǎn)業(yè)貢獻(xiàn)力量。