小青礦 ?李東來 ?李偉國 ?史延彬 ?高 ?明 ?

摘?要：以采煤機(jī)記憶截割、支架自動跟機(jī)及遠(yuǎn)程監(jiān)控為基礎(chǔ)，以生產(chǎn)系統(tǒng)智能化控制軟件為核心，應(yīng)用“以工作面自動控制為主，遠(yuǎn)程干預(yù)控制為輔”的自動化生產(chǎn)模式，實現(xiàn)“智能化作業(yè)，有人巡視”，實現(xiàn)了減人提效、安全高效開采的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：綜采 ? 智能化 ?減人提效 ??

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前言

近年來隨著綜采自動化開采技術(shù)在全國煤炭行業(yè)推廣應(yīng)用，綜采自動化開采技術(shù)已在國內(nèi)中厚煤層條件下趨于成熟。同時隨著國家“機(jī)械化換人、自動化減人”的科技強(qiáng)安專項的發(fā)布，提高煤礦本質(zhì)安全水平促進(jìn)煤礦安全發(fā)展的必由之路，也是推進(jìn)煤礦工業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的根本出路。小青礦在全國首家引進(jìn)使用德國全自動薄煤層刨煤機(jī)生產(chǎn)設(shè)備，實現(xiàn)薄煤層工作面全自動化生產(chǎn)的技術(shù)基礎(chǔ)上，本著“少人則安、無人則安”的理念，對中厚煤層綜采工作面智能化開采技術(shù)進(jìn)行了有益的研究與探索。

1 ?N₂407工作面地質(zhì)概況

小青礦N2407工作面長330m，兩順平均走向長度1235.5m，煤層平均厚度2.65m，煤層傾角1°～5°，平均傾角3°，工作面煤炭工業(yè)儲量192萬噸。偽頂為泥巖，直接頂為粉砂巖，老頂以粗砂巖、砂礫巖、中砂巖為主的砂巖互層，底板為泥巖。

工作面老頂來壓明顯，工作面有三條中部斷層FWN9斷層、FWN10斷層、FWN11斷層，落差均在0～6m，回采期間對生產(chǎn)造成影響。

N2407工作面運(yùn)、回順均為矩形斷面，鋼絲繩鋼帶+錨桿+金屬網(wǎng)+錨索聯(lián)合支護(hù)，運(yùn)順寬度5.2m，高度3m，回順寬度4.8m，高度3m。

2 ?N₂407工作面智能化總體構(gòu)成

小青煤礦N2-407智能化工作面主要由SAM —綜采自動化控制系統(tǒng)；SAC—液壓支架電液控制系統(tǒng)；SAP—智能集成供液系統(tǒng)三大系統(tǒng)組成。實現(xiàn)了綜采工作面“有人巡視，無人操作；順槽可視化控制，地面遠(yuǎn)程割煤”。該系統(tǒng)將采煤機(jī)、支架、運(yùn)輸控制、三機(jī)通信、泵站等控制系統(tǒng)及供電系統(tǒng)互相融合，實現(xiàn)聯(lián)控聯(lián)動、智能化遠(yuǎn)程控制，控制系統(tǒng)主要綜采單機(jī)設(shè)備、運(yùn)順監(jiān)控中心、地面三部分構(gòu)成。如圖1。

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圖1 ?總體構(gòu)成

2.1 SAM —綜采自動化控制系統(tǒng)

綜采工作面綜合控制系統(tǒng)軟件是電液控制系統(tǒng)主控計算機(jī)軟件、集成供液系統(tǒng)主控計算機(jī)軟件、順槽集中控制主控計算機(jī)軟件、工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)管軟件、視頻管理軟件、數(shù)據(jù)集成軟件、數(shù)據(jù)通信軟件等集成到統(tǒng)一平臺下的系統(tǒng)軟件。它運(yùn)行在多臺隔爆計算機(jī)硬件平臺上，實現(xiàn)分布式集成控制系統(tǒng)，完成綜采工作面的綜采設(shè)備（支架、采煤機(jī)、刮板機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、皮帶、泵站）的集中監(jiān)測和控制。該系統(tǒng)具有在地面調(diào)度指揮中心對綜采工作面設(shè)備的監(jiān)測及一鍵啟?？刂坪瓦h(yuǎn)程干預(yù)操作功能，實現(xiàn)對綜采設(shè)備的智能監(jiān)測與集中控制。日常生產(chǎn)作業(yè)時，經(jīng)過安全確認(rèn)后，在地面調(diào)度室按下一鍵啟停按鈕，工作面的設(shè)備按順序依次啟動，設(shè)備數(shù)據(jù)高速上傳和控制信號實時下達(dá)，自動完成工作面內(nèi)的破煤、裝煤、運(yùn)煤、移架、推溜等采煤作業(yè)工序，實現(xiàn)工作面的連續(xù)、安全、高效開采。

2.1.1 ?運(yùn)輸順槽監(jiān)控指揮中心

對工作面的設(shè)備、系統(tǒng)、頂板、煤壁、采煤、運(yùn)輸、移架等所有工作情況進(jìn)行監(jiān)視、控制及遠(yuǎn)程操作。

2.1.2 ?調(diào)度生產(chǎn)集中監(jiān)控指揮中心

綜采工作面所有的設(shè)備、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、生產(chǎn)狀態(tài)、安全狀態(tài)，通過環(huán)網(wǎng)與實時傳輸?shù)秸{(diào)度生產(chǎn)集中監(jiān)控指揮中心，弄成擬態(tài)實景，由專職工作人員進(jìn)行控制指揮生產(chǎn)。

自動化工作面集成控制系統(tǒng)總體方案如圖2；工作面自動化控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)圖如圖3。

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圖 2 自動化工作面集成控制系統(tǒng)總體方案

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2.1.3 ?N₂407綜采面視頻監(jiān)控

每6架距離之間設(shè)置1臺支架實時工作狀態(tài)監(jiān)控儀及2臺工作面煤壁實時狀態(tài)監(jiān)控儀，使工作面情況實時傳輸至調(diào)度生產(chǎn)集中監(jiān)控指揮中心，實現(xiàn)實時監(jiān)控。

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2.1.4采煤機(jī)智能化工作控制

? ?根據(jù)采煤機(jī)的采高實時狀態(tài)及位置實時狀態(tài)，實現(xiàn)智能化定位，能夠在遠(yuǎn)程根據(jù)儲存的程序自動進(jìn)行截割工作，從而實現(xiàn)智能化生產(chǎn)，采煤機(jī)遠(yuǎn)控見圖5。

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圖5 ?采煤機(jī)智能遠(yuǎn)控

2.1.5 記憶截割

將采煤機(jī)運(yùn)行設(shè)置在示范生產(chǎn)狀態(tài)下，人工控制采煤機(jī)進(jìn)行示范刀割煤，將所有參數(shù)程序進(jìn)行儲存，并根據(jù)工作面的狀態(tài)及采煤工藝需要及時進(jìn)行配置修改。智能運(yùn)行時，根據(jù)記憶的截割軌跡進(jìn)行自動割煤。當(dāng)煤層條件發(fā)生變化時，通過人為就地干預(yù)或遠(yuǎn)程干預(yù)。

2.1.6整機(jī)檢測

整機(jī)檢測包括工況檢測、姿態(tài)檢測和故障診斷。

2.1.7數(shù)據(jù)傳輸

生產(chǎn)系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)及狀態(tài)實時環(huán)網(wǎng)傳輸共享，運(yùn)順監(jiān)控中心和地面監(jiān)控室隨時可見采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。

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圖6 采煤機(jī)數(shù)據(jù)傳輸示意圖

2.1.8 遠(yuǎn)距離操作指揮與控制

運(yùn)順監(jiān)控中心和地面監(jiān)控室控制指揮所有設(shè)備及相關(guān)系統(tǒng)，按照記憶工況智能化運(yùn)行，在生產(chǎn)條件變化時，控制人員及時進(jìn)行控制調(diào)整，確保安全生產(chǎn)。

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圖7 采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制示意圖

2.1.9 采高定位

采高傳感器實時感知搖臂的高度擺動的位置，傾角傳感器實時監(jiān)測工作面的傾角及俯仰采角度，采煤機(jī)自動調(diào)高系統(tǒng)的信息反饋回主控器，通過數(shù)學(xué)模型準(zhǔn)確計算出搖臂的實時高度。

圖8 采高監(jiān)測傳感器

2.1.10 采煤機(jī)實時位置確定

通過傳感器把采煤機(jī)的實時位置數(shù)據(jù)，輸入到建立的數(shù)學(xué)模型，精確的對采煤機(jī)進(jìn)行位置定位。

2.1.11支架智能化工作與遠(yuǎn)距離控制

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圖9 ?支架控制圖

單套支架、所有支架間安設(shè)智能化控制系統(tǒng)，按照儲存的相應(yīng)控制程序，實現(xiàn)工作面支架的降、移、升、推溜、噴霧及與采煤機(jī)工作狀態(tài)適配的智能化生產(chǎn)運(yùn)行控制。

2.1.12 采煤工作面“一鍵”啟停及順序聯(lián)動

集成控制系統(tǒng)設(shè)置為“全自動化”工作模式，泵站、運(yùn)順皮帶、工作面所有的采、運(yùn)、支架相關(guān)設(shè)備，嚴(yán)格按設(shè)定的設(shè)備工作程序，智能化控制啟動，實現(xiàn)“一鍵”啟停式智能化生產(chǎn)，遇到緊急情況時，按下工作面“急?！卑粹o，工作面所有設(shè)備停機(jī)。

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圖10 操作臺一鍵啟停

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2.2 SAC—液壓支架電液控制系統(tǒng)

SAC型液壓支架電液控制系統(tǒng)是集工作面控制系統(tǒng)、過濾系統(tǒng)及工作面數(shù)據(jù)集成及上傳系統(tǒng)為一體的對液壓支架實施多功能、高效率、自動化控制的成套設(shè)備，是一個多層次多計算機(jī)集成的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的規(guī)模和配置有靈活的可選擇性和可擴(kuò)展性，監(jiān)控功能具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和可延伸性。具有全中文顯示，能夠?qū)崿F(xiàn)單架控制、成組控制、跟機(jī)自動化控制、閉鎖及緊急停止、故障顯示及報警、自動補(bǔ)壓、帶壓移架、礦壓監(jiān)測、工作面數(shù)據(jù)集成及上傳、順槽及地面監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析及信息發(fā)布等功能。

每組液壓支架配置一套支架控制單元，包括支架控制器、電磁驅(qū)動器、電液控?fù)Q向閥、推移千斤頂行程傳感器、監(jiān)測支架頂板壓力的立柱壓力傳感器、監(jiān)測采煤機(jī)運(yùn)行位置及方向的紅外線接收器。系統(tǒng)具有鄰架單動作控制功能、隔架控制、自動移架控制，按照控制程序，實現(xiàn)支架的降、移、升動作的自動控制；實現(xiàn)成組自動移架控制和成組推溜控制；具有成組噴霧控制功能。在采煤機(jī)上安裝紅外線發(fā)送器，發(fā)射數(shù)字信號，每組支架上安裝1個紅外線接收器，接收紅外線發(fā)射器發(fā)射的數(shù)字信號，監(jiān)測煤機(jī)的位置和方向信息，通過自動化控制軟件實現(xiàn)液壓支架跟隨采煤機(jī)自動控制。護(hù)幫板跟機(jī)自動收回和伸出，跟機(jī)自動移架和自動推溜控制功能，跟機(jī)噴霧控制功能，從而實現(xiàn)液壓支架動作與采煤機(jī)運(yùn)行位置的動態(tài)耦合。

圖11 ?SAC—液壓支架電液控制系統(tǒng)

2.3 ?SAP—智能集成供液系統(tǒng)

智能集成供液系統(tǒng)實現(xiàn)原水的三級過濾、乳化液濃度自動配比和實時監(jiān)測、自動加水和乳化液，對泵站出口壓力、泵站油溫、油位狀態(tài)、泵站電磁閥動作情況、液相液位、乳化液油箱油位檢測功能。泵站單啟?？刂?，也可多臺泵站聯(lián)動控制，具備數(shù)據(jù)傳輸功能，實現(xiàn)與綜采自動化的雙向通信。

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圖12 ? ?SAP—智能集成供液系統(tǒng)

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3 ?控制系統(tǒng)

綜采工作面綜合控制系統(tǒng)軟件（LongwallMind）是將電液控制系統(tǒng)主控計算機(jī)軟件、集成供液系統(tǒng)主控計算機(jī)軟件、順槽集中控制主控計算機(jī)軟件、工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)管軟件、視頻管理軟件、數(shù)據(jù)集成軟件、數(shù)據(jù)通信軟件等集成到統(tǒng)一平臺下的系統(tǒng)軟件。它運(yùn)行在多臺隔爆計算機(jī)硬件平臺上，實現(xiàn)分布式集成控制系統(tǒng)，完成綜采工作面的綜采設(shè)備，包括支架、采煤機(jī)、刮板機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、皮帶、泵站等設(shè)備的集中監(jiān)測和控制。

3.1 ?系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計

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圖14 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

綜采工作面綜合控制系統(tǒng)軟件主要包括驅(qū)動層、實時數(shù)據(jù)層、數(shù)據(jù)可視化層。通過靈活部署實現(xiàn)多臺服務(wù)器/主機(jī)協(xié)同工作，實現(xiàn)分布式集中控制方式。

3.2 ?通訊設(shè)計

綜采工作面綜合控制系統(tǒng)軟件建立了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集/控制接口，實現(xiàn)了第三方設(shè)備的靈活接入。它抽象了通訊鏈路層和協(xié)議解析層，從各種通訊鏈路上獲得通訊數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)了各類綜采設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

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4 應(yīng)用中存在的問題及解決辦法

N2-407智能化工作面在安裝調(diào)試和生產(chǎn)過程中存在一定的問題，給現(xiàn)場安全生產(chǎn)帶來不利，通過礦技術(shù)攻關(guān)小組的不懈努力，解決了系統(tǒng)存在的問題。

4.1 不能雙向語音通訊問題

智能化通訊系統(tǒng)不能實現(xiàn)地面調(diào)度室控制臺和運(yùn)順皮帶頭至運(yùn)輸機(jī)尾沿線雙向通訊功能，不能保障沿線作業(yè)人員與地面調(diào)度室控制臺操作員實時通話，存在安全隱患，通過礦技術(shù)攻關(guān)小組人員努力，引入了VOIP語音通訊系統(tǒng)并入工作面KCT101通訊控制主機(jī)環(huán)網(wǎng)，實現(xiàn)了井下工作面沿線和控制中心與地面調(diào)度室操作員的雙向通訊。

4.2 ?液壓支架不能自動推溜問題

本工作面開切眼224組ZY6800/15/35液壓支架，因為工作面開切眼距離長、變電列車和泵站離開切眼遠(yuǎn)，導(dǎo)致供液末端管路和電磁閥供電電路壓降過大（127V），液壓支架推移缸推不動和電磁閥不動作，實現(xiàn)不了智能化控制，通過采取工作面開切眼分段供液和供電，解決了技術(shù)難題，實現(xiàn)了自動推溜。

4.3智能化綜采工作面煤巖識別系統(tǒng)還不成熟

通過人工干預(yù)，解決了在工作面頂板出現(xiàn)變化時，不能及時自動調(diào)節(jié)采煤機(jī)滾筒高度及速度，記憶割煤難以適應(yīng)復(fù)雜的地質(zhì)煤層的難題。

4.4運(yùn)輸機(jī)竄動時，監(jiān)控系統(tǒng)失效

通過人工干預(yù)調(diào)整，解決了在運(yùn)輸機(jī)上下竄動現(xiàn)象時，監(jiān)控系統(tǒng)失效的難題。

4.5生產(chǎn)環(huán)境可視化清晰度不高

通過采用清晰度更高、實時性更好的云臺攝像儀，解決了在井下生產(chǎn)時產(chǎn)生的煤塵嚴(yán)重影響視頻圖像的采集的難題。

4.6偶而數(shù)據(jù)失準(zhǔn)

通過加強(qiáng)維修檢查，增加防護(hù)外套等措施，解決了工作面數(shù)量眾多的監(jiān)控探頭、通訊傳感器、紅外監(jiān)測等高精度設(shè)備，在面對復(fù)雜環(huán)境時，適應(yīng)性較差，偶爾會出現(xiàn)數(shù)據(jù)失準(zhǔn)的難題。

4.7工作面端頭斜切進(jìn)刀由人工干預(yù)轉(zhuǎn)為智能操作

綜采工作面端頭存在采煤機(jī)端頭截割負(fù)載不平衡問題，降低了采煤機(jī)端頭截割運(yùn)行的可靠性，采煤機(jī)端頭記憶截割時工況惡劣，煤巖界面變化可能較為劇烈，必要時需要人工干預(yù)后進(jìn)行拉架推移運(yùn)輸機(jī)。所以端頭截割負(fù)載出現(xiàn)不平衡情況時需要對記憶的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。通過重新設(shè)計采煤機(jī)端頭記憶截割系統(tǒng)的總體架構(gòu)，將采煤機(jī)端頭記憶截割系統(tǒng)劃分為采煤機(jī)端頭記憶截割系統(tǒng)、正常中間段記憶截割系統(tǒng)兩大部分，重新進(jìn)行整個端部進(jìn)刀系統(tǒng)的軟件設(shè)計，采用端部斜切進(jìn)刀方式割三角煤、采煤機(jī)雙向割煤工藝，重新設(shè)定機(jī)尾跟機(jī)階段的跟機(jī)、移架、推溜，采煤機(jī)后推出緩段的掃刀三次，行走階段的往機(jī)頭行走、補(bǔ)充移架，采煤機(jī)繼續(xù)行走的全程推溜、運(yùn)輸機(jī)推直準(zhǔn)備第二次進(jìn)刀，采煤機(jī)向機(jī)尾進(jìn)刀、行走、跟機(jī)移架到結(jié)束，采煤機(jī)繼續(xù)往機(jī)尾進(jìn)刀、補(bǔ)充移架，采煤機(jī)完成掃三次刀后機(jī)尾做頭完畢、由機(jī)尾向機(jī)頭進(jìn)刀，機(jī)頭跟機(jī)、移架、推溜、前后打伸縮梁護(hù)幫板等8個階段的工藝參數(shù)，從而實現(xiàn)工作面端頭斜切進(jìn)刀由人工干預(yù)轉(zhuǎn)為智能操作。

5 綜采工作面智能化采煤效果

小青煤礦N2-407智能化工作面自2019年3月份開采以來，累計已生產(chǎn)商品煤94.1萬噸，實現(xiàn)了生產(chǎn)過程可視遠(yuǎn)程干預(yù)與就地控制功能，采煤生產(chǎn)過程由地面調(diào)度室操作員控制，實現(xiàn)了液壓支架自動跟機(jī)、自動推溜、記憶割煤、自動割三角煤、三機(jī)和智能供液系統(tǒng)監(jiān)測監(jiān)控，所有工作智能化監(jiān)測操控為主,人工干預(yù)操作作為輔助手段，實現(xiàn)了安全生產(chǎn)、高效生產(chǎn)。

實現(xiàn)了減人提效、安全生產(chǎn)。操作人員通過地面遠(yuǎn)程操控，自動化程度高，提高了安全系數(shù)，工作面實現(xiàn)了無人跟機(jī)作業(yè)，2人巡視，現(xiàn)場操作減少了9人，達(dá)到了“少人則安、無人則安”的目標(biāo)。

打造了智能化人才隊伍。作業(yè)人員刻苦鉆研業(yè)務(wù)，強(qiáng)化崗位技能訓(xùn)練，掌握多個專業(yè)知識，學(xué)習(xí)智能化技術(shù)，培育出了復(fù)合型、智能化的人才隊伍。

提升了員工幸福指數(shù)。智能化采煤將員工從操作工變成巡視工，降低了勞動強(qiáng)度，改善了作業(yè)環(huán)境，降低了職業(yè)病危害程度，踐行了“以人為本、安全發(fā)展”的理念。

6 ?智能化工作面還需要完善

? ? 小青礦通過N2-407智能化工作面的應(yīng)用實踐，發(fā)現(xiàn)還有許多需要進(jìn)一步提高智能化水平：目前該系統(tǒng)工作面運(yùn)輸機(jī)不能實現(xiàn)工作面自動調(diào)直；采煤機(jī)煤巖識別技術(shù)還不成熟；SAP集中供液系統(tǒng)乳化液泵站補(bǔ)水水質(zhì)監(jiān)控技術(shù)還不能實現(xiàn)；工作面還不能實現(xiàn)采高自動測量；采煤機(jī)電纜拖拽易造成光纖折斷，應(yīng)有獨(dú)立的采煤機(jī)電纜拖拽系統(tǒng)；為減少檢修工作量，工作面安裝巡檢機(jī)器人，大大提高檢修質(zhì)量和效率；地面、井下集控中心與工作面喊話實現(xiàn)可視對講，提高操作的安全可靠性等，逐步實現(xiàn)高水平的智能化綜采工作面。 ?

7 ?結(jié)語

遼寧省內(nèi)首個智能化采煤工作面--小青礦N2407智能化采煤工作面成功開采，實現(xiàn)了在地面與順槽綜合監(jiān)控中心對綜采設(shè)備的智能監(jiān)測與集中控制，達(dá)到了“少人則安、無人則安”目標(biāo)，獲得了省內(nèi)同行的高度評價。為公司智能化開采積累了豐富的經(jīng)驗。

第一作者簡介：李東來：1973年11月出生，男，高級工程師，2009年畢業(yè)于遼寧科技學(xué)院機(jī)械設(shè)計制造及自動化專業(yè)，現(xiàn)在任小青礦機(jī)電副總工程師。聯(lián)系電話：13464144468

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