李正合,王雁峰,越二亮

(準格爾旗永智煤炭有限公司,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017100)

隨著信息技術的不斷發(fā)展和煤礦礦用裝備的更新?lián)Q代,煤礦正從機械化換人、自動化替人逐漸向智能化無人開采方向邁進。方新秋[1]分析了無人開采需要解決的關鍵技術;王國法[2]提出了煤礦智能化是煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展核心技術支撐的科學思想,闡述了煤礦智能化的定義和總體要求,明確了煤礦智能化發(fā)展的目標;張科學等[3]分析了工作面調(diào)斜控制的內(nèi)在根本原因和外在誘發(fā)原因,并通過工業(yè)測試驗證;賀海濤[4]提出了綜采工作面智能化開采系統(tǒng)架構,并指出3項關鍵技術:采煤機智能化割煤技術、液壓支架自適應控制技術和綜采工作面直線度控制技術。葛世榮[5]提出了完整的煤礦機器人技術體系框架,分析了煤礦機器人的防爆設計、機械系統(tǒng)創(chuàng)新、動力驅(qū)動、智能傳感、定位導航、井下通信等共性關鍵技術研究進展。崔耀等[6]研究了大采高工作面智能開采工藝、智能設備配套,建立大采高工作面多設備協(xié)同作業(yè)控制機制,并在上灣煤礦8.8 m超大采高工作面進行了應用。

綜合現(xiàn)階段的研究成果,智能開采建設及應用雖已開始普及但仍處于起步階段。本文以永智煤礦5101綜采工作面為背景,對綜采工作面智能化展開研究與應用,以推進礦山智能化建設,最終實現(xiàn)“人得解放,少人則安”的目的。

1 工程背景

永智煤礦生產(chǎn)能力為1.80×106t/a,現(xiàn)主采5-1煤,5-1煤平均煤厚3.88 m,煤層傾角1°～3°.5101工作面位于二水平5-1盤區(qū),工作面設計長度為225 m,推進長度約為2 500 m,是永智煤礦建設的首個智能化工作面。該工作面現(xiàn)配備MG650/1620-WD型采煤機、ZY12000/26/52D液壓支架、SGZ1000/2×700型刮板輸送機、DSJ120/120/2×355型可伸縮帶式輸送機、SZZ1000/315型轉載機、PCM200型破碎機、ZY2300型膠帶自移機尾、BRW500/31.5型乳化泵、BPW400/16型噴霧泵。

2 采煤機系統(tǒng)智能化

5101綜采工作面采煤機搭載了智能集成主控單元、采煤機巷道控制系統(tǒng)和機載外圍傳感器,實現(xiàn)了采煤機記憶割煤、遠程控制、通信預警、狀態(tài)監(jiān)測與報警、故障診斷等智能化功能。采煤機智能化架構如圖1所示。

圖1 采煤機智能化架構

2.1 采煤機智能控制

采煤機具備記憶截割功能,按照學習的內(nèi)容記錄采煤機位置參數(shù)、滾筒軌跡等,進行智能化運算,實現(xiàn)采煤機的自動調(diào)高、臥底等功能。采煤機具有遠程開啟或停止記憶截割模式的功能:可實現(xiàn)學習記憶、自動操作、自動過程的在線學習修正,無限制的中斷與恢復,自動控制的精度高,搖臂動作速度快且定位精確;可以在線修改設備進刀點、折返點等自動化系統(tǒng)工藝參數(shù)。

采煤機有就機操作、遠程自動控制兩種模式互鎖功能,在本機模式下,不允許遠程控制;在遠程控制模式下允許就機控制,用以保證采煤機操作的安全性。運行前采煤機對基本模塊進行狀態(tài)檢測,電機啟動預警,在自動操作模式下,對各關鍵傳感器和執(zhí)行環(huán)節(jié)工作狀態(tài)實施連續(xù)監(jiān)測,異常時報警或退出自動模式。采煤機自動記憶截割模式下,各項操作均可人工干預,人工干預具備較高的優(yōu)先級。當工作面環(huán)境發(fā)生變化,記憶數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)差距較大時,記憶截割停止運行,并可通過人工干預方式修改記憶截割軌跡。當自動化開采發(fā)生故障,需進行采煤機遠程急停時,可使用軟件控制急停方式,該方式自動化控制系統(tǒng)通過通訊方式向采煤機機身控制箱發(fā)出指令,使采煤機截割電機斷電,牽引停止。在遠程控制狀態(tài)下,采煤機需要與自動化控制系統(tǒng)主機進行握手通訊。如通信不正常,采煤機立即報警并停機。

2.2 采煤機狀態(tài)監(jiān)測

通過安裝的采煤機外圍傳感器,可實時顯示各工作電機運行電流、溫度、液壓系統(tǒng)壓力、油箱油位、水路壓力、冷卻水流量、設備故障信息實現(xiàn)異常報警和保護;可實時顯示滾筒高度及臥底量,限制采高、臥底,實現(xiàn)自動調(diào)高;實時監(jiān)測并顯示采煤機的行走速度和定位采煤機位置,并提供與支架聯(lián)動、區(qū)域限速、端頭限制功能;實時監(jiān)測采煤機的俯仰角度及采煤機行走方向的工作面傾角,并可以實現(xiàn)俯仰采限制,外圍傳感器布置如圖2所示。

圖2 智能化采煤機外圍傳感器布置示意

3 支護系統(tǒng)智能化

3.1 電液控制系統(tǒng)智能化

液壓支架裝備有電液控制器、傾角傳感器、電磁閥驅(qū)動器、紅外線接收器、壓力傳感器、位移傳感器,單架配置如圖3所示。液壓支架通過電液控制系統(tǒng)進行控制,具有下述控制功能:

圖3 液壓支架單架配置圖

1) 單架控制功能:鄰架控制,隔架控制,計算機遠程控制移架、推溜、噴霧等動作。

2) 成組控制功能:以工作面的任何一個支架為操作架,向左或向右連續(xù)相鄰的若干個支架為一組,執(zhí)行支架的某一單動作或聯(lián)合動作:成組移架、成組推溜、成組噴霧等。操作的具體架數(shù)可人為設定,系統(tǒng)需滿足同時不少于3架支架同時交叉移架的需求。系統(tǒng)須具有群組協(xié)同控制功能。電液控制器功能示意如圖4所示。

圖4 電液控制器功能示意

3) 具有平衡千斤頂浮動功能。立柱動作時可同時開啟平衡千斤頂功能調(diào)整液壓支架頂梁平直。

4) 割三角煤自動化功能。依據(jù)采煤機割煤工藝可以實現(xiàn)割三角煤支架、刮板機的自動化協(xié)同運行。

5) 消除運輸機間隙功能。每次推溜之前,通過消除運輸機長孔和推移桿之間的間隙,保障推移行程的精確性和保障工作面平直。該功能配合支架雙速邏輯控制閥使用,實現(xiàn)支架推移的精準控制,對推移油缸精準控制精度為小于10 mm,最終保證工作面達到良好的找直效果。

3.2 智能自動補液系統(tǒng)

電液控制系統(tǒng)可實現(xiàn)實時自動補液狀態(tài)監(jiān)測與預警,及時自動補液以保證初撐力。支架在正常支撐的情況下,因頂板松動等原因?qū)е铝⒅虑粔毫Φ陀谠O定值時,電控系統(tǒng)自動發(fā)送升柱指令將立柱壓力補充至初撐力,當支架控制系統(tǒng)與井下主控計算機斷開后,通過操作控制器仍能完成各種操作功能和操作模式的設置,人工手動操作優(yōu)先。

3.3 礦壓監(jiān)測與分析系統(tǒng)

電液控制系統(tǒng)實時監(jiān)測全工作面礦壓,控制頂梁和頂板平行,保障支護質(zhì)量。系統(tǒng)將工作面頂板壓力監(jiān)測結果,推移油缸行程,采煤機位置、方向等數(shù)據(jù)傳輸至集控中心,即時生成礦壓監(jiān)測報表,通過對工作面支架的立柱壓力進行分析,可得到工作面支架單架及整體壓力趨勢,實現(xiàn)礦壓分析并對頂板初次來壓和周期來壓進行預警。

3.4 采煤機與液壓支架聯(lián)動

液壓支架上的電液控制器配備遠程通信和控制功能的通信接口,能夠與綜采智能化控制系統(tǒng)進行雙向通信,向綜采智能化控制系統(tǒng)傳輸液壓支架的狀態(tài)、工作面采高、推移行程、立柱壓力、支架伸/縮高度、傾角、位置等數(shù)據(jù)。電液控制器可接收并執(zhí)行由電液控制系統(tǒng)傳輸過來的調(diào)整刮板運輸機直線度的指令?？筛鶕?jù)采煤機位置和行走方向跟隨采煤機完成自動推溜、自動移架、自動伸收護幫、自動反沖洗、自動噴霧。

4 綜合保障系統(tǒng)智能化

4.1 智能集控中心

在井下建設有集控中心和地面建設分控中心,實時監(jiān)測采煤機、液壓支架、供電系統(tǒng)、泵站的工況、運行環(huán)境數(shù)據(jù)和故障信息,設備故障時進行報警,并顯示故障錯誤信息,具備故障的記錄和診斷分析功能,當設備運行異常時,可以通過人工干預手段對設備進行遠程干預。對重點區(qū)域進行定點視頻監(jiān)控,在采煤過程中,對煤機前后滾筒區(qū)域跟機視頻監(jiān)控。集控中心可完成工作面設備順序啟停和急停,實現(xiàn)對采煤機、液壓支架的遠程控制和工作面運輸機、轉載機、破碎機集中自動化控制。

4.2 集成供液控制系統(tǒng)

集控中心通過與泵站乳化液配比控制器的通信,實現(xiàn)泵站自動化配置的實時狀態(tài)監(jiān)測,實現(xiàn)乳化液泵、清水泵的遠程控制,通過變頻器調(diào)節(jié)泵流量,保證工作面乳化泵出口壓力的恒定。

泵站系統(tǒng)及乳化液配比裝置的相關運行數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)通訊傳輸給集控中心,并在自動化主機上進行顯示,顯示內(nèi)容需包含:泵站工作狀態(tài)、控制模式、泵站油溫、油位、出口壓力及壓力差、液箱液位以及乳化液配比質(zhì)量濃度等,同時具備泵站運行故障報警的顯示功能。泵站系統(tǒng)遠程控制,實現(xiàn)單臺乳化泵啟停、單臺清水泵啟停、自動配比啟停、泵站聯(lián)動啟停以及泵站系統(tǒng)急停功能,可根據(jù)液壓支架需求,實時啟動單泵或多泵,并可對乳化泵變頻器進行遠程調(diào)節(jié)。泵站及泵站控制系統(tǒng)配置圖如圖5所示。

圖5 泵站及泵站控制系統(tǒng)配置圖

4.3 工作面自動找直系統(tǒng)

工作面自動找直系統(tǒng)包括陀螺儀、軟件等。找直系統(tǒng)安裝在采煤機上,利用高精度慣性定位裝置實現(xiàn)精確到300 mm工作面對齊調(diào)直控制。采用精小化自動找直信號接收裝置,便于安裝布置煤層支架。高精度陀螺儀與采煤機位置測量系統(tǒng)相連。采煤機能將高精度陀螺儀獲取到的采煤機行走狀態(tài)數(shù)據(jù)通過無線方式發(fā)送給工作面電液控制系統(tǒng)的控制器,通過工作面以太網(wǎng)傳輸至控制平臺。智能控制系統(tǒng)分析后得出采煤機割煤曲線和運輸機全長度位置曲線。通過采煤機推移行程數(shù)據(jù)、采煤機自身編碼器和慣性導航對數(shù)據(jù)同時進行校準,系統(tǒng)生成刮板運輸機位置曲線。電液控制器執(zhí)行控制平臺發(fā)出的調(diào)直指令,通過精準推移,達到工作面調(diào)直的目的。

5 應用效果

5101智能化綜采工作面建成以后,應用效果良好。井下生產(chǎn)班作業(yè)人員由原來的13人減少到了4人(支架和煤機巡檢工各1名,井下集控臺司機1人,機動人員1人)。智能化生產(chǎn)過程中人工干預率小于5%,且完全能夠保障產(chǎn)量和質(zhì)量。人員數(shù)量得以大幅度減少,人員工效得到了大幅度提高。

6 結 語

1) 采煤機通過智能集成主控單元、采煤機巷道控制系統(tǒng)和機載外圍傳感器對采煤機進行智能控制,實現(xiàn)了采煤機記憶割煤、狀態(tài)監(jiān)控;液壓支架通過電液控制系統(tǒng)實現(xiàn)了智能控制、自動補液、工作面礦壓分析,通過與綜采智能化控制系統(tǒng)連接,實現(xiàn)了采煤機與液壓支架的聯(lián)動。

2) 綜合保障系統(tǒng)包括智能集控系統(tǒng)、智能集成供液控制系統(tǒng)和工作面自動找直系統(tǒng),保障了綜采工作面各系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)控、調(diào)節(jié)和正常運轉。5101綜采工作面各系統(tǒng)的聯(lián)通,使工作面具備智能化水平,減少了工作面作業(yè)人員的數(shù)量,提升了人工工效。