袁 泉

(中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司,陜西 西安 710054)

0 引言

煤礦智能化建設(shè)的根本目標(biāo)是提升安全保障水平和高效生產(chǎn)能力,打造本質(zhì)安全型礦井[1-3]。近年來,各級(jí)政府以及煤炭企業(yè)大力推進(jìn)煤礦智能化建設(shè),分類、分級(jí)、分步制定智能化升級(jí)計(jì)劃,新建和改造了一批具有鮮明技術(shù)特點(diǎn)的智能化煤礦示范項(xiàng)目,推動(dòng)了煤炭行業(yè)由傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)向高端化、智能化方向發(fā)展[4-6]。截至2022年底,全國(guó)已累計(jì)建成智能化煤礦572處,智能化采掘工作面1 019個(gè),同比增加25.3%,圍繞“增安、減人、提效”的目標(biāo),礦井減災(zāi)、抗災(zāi)能力顯著提升。以山西中煤東坡煤礦915綜放工作面為智能化升級(jí)改造對(duì)象,以最大限度利用現(xiàn)有設(shè)備為原則,升級(jí)工作面割煤、支護(hù)、供液、監(jiān)控等主要系統(tǒng),以期達(dá)到減人增效的目的,實(shí)現(xiàn)常態(tài)化智能采煤。

1 工程概況

東坡煤礦915工作面采用綜合機(jī)械化放頂煤開采工藝。設(shè)計(jì)工作面長(zhǎng)度200 m,割煤高度為3.5 m,放頂煤高度為13.5 m,采放比為1∶3.8,工作面推進(jìn)長(zhǎng)度1 200 m。開切眼煤層傾角3°～5°,工作面輔助運(yùn)輸巷為5.2 m×3.5 m的矩形斷面,帶式輸送機(jī)巷為5.5 m×3.5 m的矩形斷面。915綜放工作面已有主要綜采設(shè)備包括1臺(tái)MG500/1180-WD型雙滾筒采煤機(jī),SGZ1000/1400和SGZ1200/1400型前、后部刮板輸送機(jī)部各1部及1部SZZ1200/700型轉(zhuǎn)載機(jī),液壓支架包含118架ZFY12000/20/37型中間架,2架ZT27600/23/40型端頭架以及4架ZFDC5800/23/39型端頭架;泵站包括3臺(tái)BRW630/37.5型乳化液泵和2臺(tái)BPW500/16型噴霧泵;另配備有1套KTC101語(yǔ)音通訊系統(tǒng)。

2 改造目標(biāo)和系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 改造目標(biāo)

基于山西中煤東坡煤礦對(duì)智能化工作面的建設(shè)需求,915綜放工作面智能化升級(jí)改造堅(jiān)持實(shí)用原則,最大限度利用現(xiàn)有設(shè)備,在合理控制投資的前提下建成中級(jí)智能化采煤工作面。以“采煤機(jī)記憶截割、支架一鍵放煤、自動(dòng)跟機(jī)、實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控、人工遠(yuǎn)程干預(yù)、各系統(tǒng)協(xié)同控制”的智能化開采技術(shù)為基礎(chǔ),以實(shí)現(xiàn)在集控平臺(tái)對(duì)綜采設(shè)備集中控制為主要目標(biāo),最終建立“工作面設(shè)備自動(dòng)化運(yùn)行為主、人工干預(yù)為輔”的生產(chǎn)模式,并實(shí)現(xiàn)智能化采煤的常態(tài)化應(yīng)用。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

升級(jí)后的系統(tǒng)主要以采煤機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)、液壓支架電液控制系統(tǒng)、泵站控制系統(tǒng)為基礎(chǔ),以視頻監(jiān)控、人員定位和故障診斷系統(tǒng)為保障,以高度集控系統(tǒng)為平臺(tái),滿足井下集控和地面遠(yuǎn)控的控制要求,實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓支架、采煤機(jī)、泵站、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、帶式輸送機(jī)、語(yǔ)音及視頻系統(tǒng)等主要綜采設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

工作面智能化升級(jí)改造主要包括以下7個(gè)方面。一是升級(jí)采煤機(jī)電控系統(tǒng),使之具備就地遙控及遠(yuǎn)程控制、工況監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、故障報(bào)警、記憶截割等智能化功能。二是將液壓支架手動(dòng)閥組升級(jí)改造為電液控制系統(tǒng),同時(shí)優(yōu)化支架控制工藝,實(shí)現(xiàn)液壓支架電液控制、鄰架操作、成組動(dòng)作等功能。三是新增直線度監(jiān)測(cè)系統(tǒng),采煤機(jī)安裝高精度光纖慣性導(dǎo)航檢測(cè)其運(yùn)行軌跡,實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面彎曲度的監(jiān)測(cè),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)工作面調(diào)直控制。四是新增泵站控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)泵站系統(tǒng)集中控制和運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè)。五是新增工作面人員精確定位及主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng),可準(zhǔn)確反映工作面作業(yè)人員位置,及時(shí)進(jìn)行架間閉鎖,對(duì)人員安全進(jìn)行主動(dòng)防護(hù)。六是升級(jí)視頻監(jiān)控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤作業(yè)場(chǎng)所及設(shè)備運(yùn)行情況的動(dòng)態(tài)監(jiān)控,滿足自動(dòng)跟機(jī)的監(jiān)測(cè)要求。七是新增地面及井下集中控制系統(tǒng),對(duì)采煤機(jī)、液壓支架、運(yùn)輸、視頻、供液、人員定位等系統(tǒng)及設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制。升級(jí)后的智能開采系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 升級(jí)后的智能開采系統(tǒng)組成示意Fig.1 Composition of the upgraded intelligent mining system

3 工作面智能化升級(jí)改造

3.1 采煤機(jī)智能化升級(jí)

對(duì)現(xiàn)有普通型采煤機(jī)電控系統(tǒng)的升級(jí)改造,將原有的主控箱和檢測(cè)箱替換為自動(dòng)化主控箱和自動(dòng)化檢測(cè)箱,增加行走編碼器、搖臂動(dòng)傾角傳感器、油缸磁滯位移傳感器、機(jī)身傾角傳感器,還增加了采煤機(jī)外圍部分傳感器,采煤機(jī)機(jī)身安裝一套慣性導(dǎo)航系統(tǒng)及并預(yù)留AC127V交流電源。

采煤機(jī)升級(jí)改造后可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、工況監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、故障報(bào)警、記憶截割等功能,同時(shí)具備有線形式數(shù)據(jù)上傳功能,接入智能化集控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)程集控。采煤機(jī)具備遙控控制、遠(yuǎn)程控制、滾筒截割路徑記憶、自適應(yīng)調(diào)速、調(diào)高等控制功能,能夠?qū)崿F(xiàn)工況數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、牽引方向、牽引速度、搖臂溫度、油箱油溫油位、位置、采高及姿態(tài)等的監(jiān)測(cè),并具備電機(jī)過載、溫度、牽引和截割恒功率、防碰撞等保護(hù)功能。采用高精度光纖慣導(dǎo)作為刮板機(jī)直線度測(cè)量的核心傳感裝置,可實(shí)現(xiàn)在300 m工作面檢測(cè)誤差小于0.05 m。直線度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過集控系統(tǒng)與支架電液控制系統(tǒng)的相互配合,有效實(shí)現(xiàn)了工作面直線檢驗(yàn)。采煤機(jī)傳感器配置及示意安裝位置如圖2所示。

圖2 采煤機(jī)傳感器配置及示意安裝位置Fig.2 Shearer sensor configuration and installation position

3.2 支架電液控制系統(tǒng)升級(jí)

現(xiàn)有液壓支架采用的是純手動(dòng)操縱閥控制方式,要實(shí)現(xiàn)工作面智能化開采,必須將原手動(dòng)閥組操作模式升級(jí)改造為電液控制操作模式[7-9]。更換電液控制系統(tǒng)需要將手動(dòng)片閥更換為插裝式換向閥組,更換液壓管路,加裝電液控制器、電源、壓力傳感器、行程傳感器、紅外線接收器、線控放煤鍵盤等。電液控制系統(tǒng)主要由支架控制器(1件/架)、電磁閥驅(qū)動(dòng)器(1件/架)、電液換向主閥(1件/架)、隔爆兼本安型穩(wěn)壓電源(1臺(tái)/6架)、礦用本安型雙向隔離耦合器(1臺(tái)/6架)、礦用本安型中繼器(1臺(tái)/6架)、壓力傳感器(2件/架)、位移傳感器(1件/架)、傾角傳感器(5件/架)、支架警示燈(1件/架)、煤機(jī)定位紅外線接收器(1件/架)、支架無線遙控器(10件)系統(tǒng)等組成。液壓支架傳感器配置及示意安裝位置如圖3所示。

圖3 液壓支架傳感器配置及示意安裝位置Fig.3 Sensor configuration and installation position of hydraulic support

工作面電控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)液壓支架本架操作、緊急閉鎖、鄰架控制和成組控制功能。通過立柱上安裝的紅外線接收器實(shí)時(shí)接收工作面采煤機(jī)的位置信息,可與采煤機(jī)配合完成指定動(dòng)作,支架能滿足與采煤機(jī)、刮板機(jī)進(jìn)行自動(dòng)割煤要求。紅外線傳感器通過數(shù)字信號(hào)獲取采煤機(jī)的運(yùn)行方向、運(yùn)行位置的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),可保證將采煤機(jī)位置檢測(cè)精度在±1架以內(nèi)。通過在立柱底座安裝的壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作面頂板壓力分布情況,顯示和存儲(chǔ)相關(guān)數(shù)據(jù),在后臺(tái)繪制工作面壓力云圖,實(shí)現(xiàn)對(duì)礦壓的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析。支架在正常支撐情況下,當(dāng)立柱壓力小于原始設(shè)定值時(shí),電控系統(tǒng)會(huì)立即發(fā)出補(bǔ)壓指令,對(duì)立柱支撐壓力進(jìn)行及時(shí)補(bǔ)充。通過在支架的底座、連桿、頂梁、護(hù)幫等位置安裝的傾角傳感器,經(jīng)過對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理,按照支架運(yùn)動(dòng)模型計(jì)算出支架當(dāng)前的真實(shí)姿態(tài)和高度,在集控平臺(tái)實(shí)時(shí)反饋,及時(shí)調(diào)整支架姿態(tài),保證工作面采高要求。

3.3 供液系統(tǒng)智能化升級(jí)

供液泵站作為工作面的主要?jiǎng)恿υ?穩(wěn)定的輸出壓力和供液能力直接關(guān)系到工作面的開采效率[10-12]。供液系統(tǒng)的自動(dòng)化程度,直接影響現(xiàn)場(chǎng)使用的便捷性,因此需要對(duì)供液系統(tǒng)進(jìn)行智能化升級(jí),增加泵站控制系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)乳化液泵站的變頻調(diào)速控制、恒壓供液控制和運(yùn)行數(shù)據(jù)自動(dòng)監(jiān)控等功能,對(duì)泵站運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),具有急停、閉鎖保護(hù)功能。每臺(tái)乳化泵和噴霧泵各裝配1個(gè)入口壓力傳感器,1個(gè)潤(rùn)滑油壓力傳感器和1個(gè)潤(rùn)滑油溫度傳感器,系統(tǒng)輸出配1個(gè)總出口壓力傳感器,液箱配有1個(gè)液位傳感器。

3.4 工作面視頻監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)

工作面視頻監(jiān)控系統(tǒng)為智能化開采系統(tǒng)提供對(duì)工作面開采現(xiàn)場(chǎng)、關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行狀況的視頻輔助監(jiān)測(cè),升級(jí)方案為對(duì)液壓支架按照每6架設(shè)置1臺(tái)高清云臺(tái)攝像儀用于監(jiān)測(cè)煤壁及順煤流跟機(jī)視頻。云臺(tái)攝像儀可根據(jù)自動(dòng)化系統(tǒng)反饋的采煤機(jī)位置信息實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟機(jī)旋轉(zhuǎn)并調(diào)節(jié)鏡頭和焦距,確保生產(chǎn)過程中采煤機(jī)前后滾筒區(qū)域的跟機(jī)監(jiān)控,當(dāng)采煤機(jī)超出監(jiān)控范圍后能夠自動(dòng)切換適宜位置的攝像儀,實(shí)現(xiàn)持續(xù)監(jiān)控。為實(shí)現(xiàn)設(shè)備定點(diǎn)監(jiān)測(cè),在超前液壓支架,前、后刮板輸送機(jī)尾,帶式輸送機(jī)機(jī)頭、機(jī)尾等位置安裝6個(gè)攝像頭,實(shí)現(xiàn)固定點(diǎn)全方位視頻監(jiān)測(cè)。另外,在井下集控室內(nèi)配置1臺(tái)視頻主機(jī)用于工作面視頻監(jiān)控,主要顯示采煤機(jī)跟隨畫面,包括跟隨采煤機(jī)對(duì)滾筒和煤壁狀態(tài)的監(jiān)測(cè)畫面和跟隨采煤機(jī)對(duì)工作面遠(yuǎn)景的監(jiān)測(cè)畫面。工作面視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備配置及安裝位置如圖4所示。

圖4 工作面視頻監(jiān)控系統(tǒng)配置及示意安裝位置Fig.4 Video monitoring system configuration and installation position on the working face

3.5 工作面人員精確定位系統(tǒng)升級(jí)

工作面人員精確定位系統(tǒng)采取UWB定位技術(shù),實(shí)現(xiàn)在工作面定位精度小于0.3 m,可滿足采煤工作面對(duì)人員定位精度的要求。經(jīng)集控系統(tǒng)的智能控制,實(shí)現(xiàn)了人員的主動(dòng)防護(hù)。在轉(zhuǎn)載機(jī)處布置1臺(tái)定位基站,連接4個(gè)接收器,可對(duì)工作面巷道從機(jī)頭至集控室之間的人員進(jìn)行精確定位。在工作面平均布置3臺(tái)定位基站,每臺(tái)基站連接4個(gè)接收器,可對(duì)整個(gè)工作面的人員進(jìn)行精確定位。在支架上配備定位標(biāo)簽,通過人員定位卡,識(shí)別人員在液壓支架的位置,達(dá)到自動(dòng)跟機(jī)時(shí),自動(dòng)動(dòng)作閉鎖,實(shí)現(xiàn)人員安全保護(hù)。

3.6 井下及地面集控系統(tǒng)升級(jí)

井下工作面集控系統(tǒng)是工作面設(shè)備協(xié)同控制、實(shí)現(xiàn)智能化開采的核心,包含集控室、監(jiān)控主機(jī)、顯示器、操作臺(tái)等設(shè)備,具有通訊控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)及工作面視頻顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分析及故障診斷和查詢打印等功能。集控中心采取框架裝配,由2臺(tái)礦用隔爆兼本質(zhì)安全型計(jì)算機(jī),6臺(tái)礦用隔爆兼本質(zhì)安全型顯示器,2件礦用本安型鍵盤,1臺(tái)礦用本安型云臺(tái)攝像儀等設(shè)備組成。地面集控系統(tǒng)包含主要采煤設(shè)備信息集成及數(shù)據(jù)上傳系統(tǒng)、智能泵站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)及顯示集成等,可實(shí)現(xiàn)工作面可視化、設(shè)備遠(yuǎn)程操控、語(yǔ)音通話、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及統(tǒng)計(jì)分析等功能。在地面調(diào)度中心設(shè)置一個(gè)工作面分控中心,配置3個(gè)操作面板、2臺(tái)主機(jī)、配備4臺(tái)顯示器及1套操作臺(tái)。

3.7 建設(shè)成果

東坡煤礦915綜放工作面已按照上述智能化升級(jí)改造方案改造完成,目前已順利通過地方主管部門組織的竣工驗(yàn)收,達(dá)到了中級(jí)智能化采煤工作面建設(shè)水平。通過“技術(shù)換人”的方式實(shí)現(xiàn)工作面減員,生產(chǎn)班單班作業(yè)人數(shù)由20人減少至13人,最大限度降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度,為礦井的安全生產(chǎn)提供了有力保障,體現(xiàn)了“增安、減人、提效”的設(shè)計(jì)理念。工作面液壓支架和采煤機(jī)的自動(dòng)化開機(jī)率達(dá)到80%以上,基本形成了“以自動(dòng)化生產(chǎn)為主、人工干預(yù)為輔、遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控指揮”的綜合智能開采模式,實(shí)現(xiàn)綜采設(shè)備連續(xù)安全、高效運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

智能化采煤工作面的建成是智能化綜采技術(shù)成功應(yīng)用的最終體現(xiàn)。通過實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用,不僅對(duì)智能化綜采技術(shù)進(jìn)行了可靠驗(yàn)證,也大力促進(jìn)了智能綜采技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步,為煤炭行業(yè)智能化技術(shù)發(fā)展起到有力推進(jìn)作用。東坡煤礦915智能化綜放工作面的成功運(yùn)營(yíng),提高了煤礦的自身效益,也是對(duì)國(guó)家關(guān)于加快建設(shè)智能化煤礦號(hào)召的積極響應(yīng),對(duì)類似條件下智能化綜放工作面改造項(xiàng)目具有指導(dǎo)和參考意義。