范 凱 彭 博,,3 王壽全

(1. 四川華鎣山龍灘煤電有限責(zé)任公司，四川省廣安市，638019；2. 四川省煤炭產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川省成都市，610091；3. 重慶大學(xué)資源與安全學(xué)院，重慶市沙坪壩區(qū)，400044)

2012年以來(lái)，煤炭行業(yè)步入“寒冬”，市場(chǎng)極度低迷，四川煤企歷史包袱重、欠賬多，井下現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境惡劣、安全風(fēng)險(xiǎn)高，職工勞動(dòng)強(qiáng)度大、收入低，煤礦井下作業(yè)人員流失和老齡化嚴(yán)重、招工極其困難。

2015年，全國(guó)首個(gè)智能化無(wú)人綜采工作面在陜煤黃陵一礦運(yùn)行[1-2]，工作面平均月產(chǎn)量達(dá)17萬(wàn)t以上、生產(chǎn)作業(yè)人員減少70%、效率提高25%；神華榆家梁煤礦通過(guò)“采煤機(jī)記憶割煤+支架全工作面跟機(jī)+系統(tǒng)集成控制”，工作面實(shí)現(xiàn)無(wú)人作業(yè)；陽(yáng)煤新元煤礦在高瓦斯、復(fù)雜的地質(zhì)條件下，實(shí)現(xiàn)全工作面自動(dòng)化開(kāi)采。

龍灘煤電公司結(jié)合北京天瑪公司在國(guó)內(nèi)成功實(shí)施10余個(gè)相似條件工作面智能化綜采的實(shí)際，確立了“工作面采用自動(dòng)控制和可視化遠(yuǎn)程干預(yù)技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)手動(dòng)操作，分步實(shí)現(xiàn)井下現(xiàn)場(chǎng)集中控制和地面遠(yuǎn)程控制工作面割煤、推溜、拉架、運(yùn)輸?shù)裙に囍悄芑钡目傮w思路和“工作面日進(jìn)8 m、割煤10刀、年產(chǎn)原煤100萬(wàn)t、生產(chǎn)人員減少到10人/班”的工作目標(biāo)。

1 SAM智能化綜采系統(tǒng)

SAM型綜采自動(dòng)化控制系統(tǒng)是在綜采工作面單機(jī)設(shè)備自動(dòng)化的基礎(chǔ)上，采用擬人手法，把人的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)延伸到工作面，將工人從危險(xiǎn)的采場(chǎng)工作面解放到相對(duì)安全的機(jī)巷中心，建立一套以監(jiān)控中心為核心，以工作面視頻、音頻、以太網(wǎng)、遠(yuǎn)控為基礎(chǔ)的集中自動(dòng)化控制系統(tǒng)[3-6]，如圖1所示，實(shí)現(xiàn)在機(jī)巷監(jiān)控中心對(duì)液壓支架、采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、機(jī)巷膠帶機(jī)、泵站、開(kāi)關(guān)等綜采設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，達(dá)到工作面“少人化”甚至“無(wú)人化”的開(kāi)采目的。SAM智能化綜采系統(tǒng)如圖2所示。

圖1 SAM智能化綜采系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

圖2 SAM智能化綜采系統(tǒng)

SAM智能化綜采系統(tǒng)主要包含六大核心技術(shù)：一鍵啟停、自動(dòng)跟機(jī)、記憶割煤、集成控制、智能監(jiān)控、工況監(jiān)測(cè)及故障診斷。

1.1 一鍵啟停技術(shù)

3124S工作面智能化系統(tǒng)通過(guò)集控中心對(duì)設(shè)備按照“帶式輸送機(jī)→破碎機(jī)→轉(zhuǎn)載機(jī)→刮板運(yùn)輸機(jī)”進(jìn)行一鍵順序啟動(dòng)與一鍵逆向停止，在地面調(diào)度中心和機(jī)巷集控中心均能實(shí)現(xiàn)一鍵啟停。一鍵啟停操作臺(tái)見(jiàn)圖3。

在“全自動(dòng)”工作模式下，通過(guò)“一鍵啟?！卑存I對(duì)工作面綜采設(shè)備按照自動(dòng)化程序啟停，實(shí)現(xiàn)了井下集控中心及地面調(diào)度室對(duì)工作面設(shè)備的一鍵式遠(yuǎn)程操控。

圖3 一鍵啟停操作臺(tái)

1.2 液壓支架自動(dòng)跟機(jī)技術(shù)

結(jié)合開(kāi)采工藝，依據(jù)工作面頂板壓力、傾角、液壓支架姿態(tài)、采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)等信息，將整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程劃分為不同的階段，自動(dòng)決策并控制液壓支架中部跟機(jī)、斜切進(jìn)刀、端頭清浮煤、轉(zhuǎn)載機(jī)自動(dòng)推進(jìn)等動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)了工作面自動(dòng)連續(xù)生產(chǎn)，液壓支架自動(dòng)化跟機(jī)示意圖見(jiàn)圖4。

圖4 液壓支架自動(dòng)跟機(jī)示意圖

1.3 采煤機(jī)記憶截割技術(shù)

按照示范刀所記錄的工作參數(shù)、姿態(tài)參數(shù)、滾筒高度軌跡進(jìn)行智能化運(yùn)算，形成記憶截割模板[7]，在自動(dòng)截割過(guò)程中不斷修正誤差，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)高、臥底、加速和減速等功能，如圖5所示。

圖5 記憶割煤技術(shù)示意圖

1.4 集成控制技術(shù)

在3124S工作面集控中心對(duì)采煤機(jī)、液壓支架、刮板運(yùn)輸機(jī)、破碎機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、帶式輸送機(jī)、泵站均進(jìn)行了集中控制，將整套設(shè)備形成耦合整體。同時(shí)，在3124S工作面機(jī)巷和調(diào)度室均能實(shí)現(xiàn)設(shè)備遠(yuǎn)程操控，見(jiàn)圖6。

圖6 機(jī)巷遠(yuǎn)程集中控制室

1.5 智能化監(jiān)控技術(shù)

在3124S工作面每3架安設(shè)一組煤壁攝像頭，每6架安設(shè)一組通道攝像頭，實(shí)現(xiàn)了全方位監(jiān)控；視頻跟隨采煤機(jī)自動(dòng)切換，并且通過(guò)以太網(wǎng)高速傳輸至集控中心及調(diào)度室，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1.6 工況監(jiān)測(cè)及診斷技術(shù)

3124S工作面實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)、液壓支架、刮板運(yùn)輸機(jī)、破碎機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、供電供液設(shè)備、頂板壓力、瓦斯?jié)舛鹊裙r參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與故障診斷[8]，及時(shí)提醒作業(yè)人員排除故障，提高了問(wèn)題處理的及時(shí)性，極大提升設(shè)備效率[9-10]。

2 SAM綜采智能化技術(shù)在龍灘礦的應(yīng)用

龍灘煤礦3124S工作面走向長(zhǎng)度1486 m，傾斜長(zhǎng)度197.5 m。煤層傾角3°～7°，平均傾角5°，煤層傾角變化較穩(wěn)定；工作面煤層總厚度0.7～2.57 m，平均為1.55 m，純煤總厚度0.7～2.43 m，平均為1.53 m，一般厚度1.4～1.7 m，屬薄—中厚煤層；煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容重1.45 t/m3；煤層硬度系數(shù)f為0.22～0.79；煤種為瘦煤，煤質(zhì)較穩(wěn)定；工作面面積294434 m2，地質(zhì)儲(chǔ)量65.99萬(wàn)t，可采儲(chǔ)量為64.01萬(wàn)t。

2.1 一鍵啟停技術(shù)的應(yīng)用

一鍵啟停在龍灘3124S工作面應(yīng)用情況良好，成功率超過(guò)90%，機(jī)巷及地面調(diào)度室均能實(shí)現(xiàn)“帶式輸送機(jī)→破碎機(jī)→轉(zhuǎn)載機(jī)→刮板運(yùn)輸機(jī)”進(jìn)行一鍵順序啟動(dòng)與一鍵逆向停止，達(dá)到了減人、提效目標(biāo)。

2.2 自動(dòng)跟機(jī)技術(shù)的應(yīng)用

3124S工作面自動(dòng)跟機(jī)率在2019年5月27日-9月15日的平均值為87.75%，日最高跟機(jī)率為8月19日的100%。自動(dòng)跟機(jī)率的主要影響因素包括工作面地質(zhì)條件變化需臥底、抬底人工操作；工作面支架下滑需人工調(diào)架；設(shè)備操作可靠度較高，仍存在少量問(wèn)題。2019年7月9-25日，液壓支架跟機(jī)率為91.8%，基本實(shí)現(xiàn)支架的自動(dòng)化跟機(jī)移架，如圖7所示。

圖7 液壓支架自動(dòng)跟機(jī)移架循環(huán)作業(yè)圖

2.3 記憶割煤技術(shù)的應(yīng)用

記憶割煤技術(shù)在煤層地質(zhì)條件穩(wěn)定情況下能有效提升割煤速度，并減少了工作環(huán)境惡劣的割煤司機(jī)崗位。

龍灘煤礦1#煤層由于地質(zhì)條件復(fù)雜，斷層、褶曲、煤線(xiàn)變化大，導(dǎo)致記憶割煤技術(shù)應(yīng)用率維持在62%左右，記憶割煤記錄如圖8所示。

圖8 龍灘煤礦1#煤層記憶割煤記錄

2.4 集成控制技術(shù)的應(yīng)用

集成控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了智能綜采成套設(shè)備的集中控制，給3124S工作面的操作賦予了“神經(jīng)中樞”，在龍灘煤礦應(yīng)用可靠。應(yīng)用表明：SAM系統(tǒng)可對(duì)采煤機(jī)、液壓支架、刮板運(yùn)輸機(jī)、破碎機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)進(jìn)行位置、位態(tài)、啟停、效率的集成控制，如圖9所示。SAM系統(tǒng)可對(duì)水泵、液泵進(jìn)行啟停、壓力、液位、濃度、溫度監(jiān)控，如圖10所示。

2.6 智能化監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用

機(jī)巷控制中心及地面調(diào)度室能對(duì)工作面狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。應(yīng)用表明：攝像頭的防塵效果較好，不需經(jīng)常擦拭外殼；采煤機(jī)攝像頭能實(shí)現(xiàn)跟機(jī)自動(dòng)切換畫(huà)面，保證割煤時(shí)滾筒、煤壁、支架狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，如圖11所示；實(shí)現(xiàn)了工作面上下出口、機(jī)巷皮帶、監(jiān)控中心、落煤倉(cāng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，減少了崗位設(shè)置，如圖12所示。

圖9 工作面設(shè)備集成控制圖

圖10 泵站自動(dòng)化控制系統(tǒng)圖

圖11 割煤機(jī)滾筒、煤壁、支架狀態(tài)監(jiān)控圖

圖12 工作面系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控圖

2.6 工況監(jiān)測(cè)及診斷技術(shù)的應(yīng)用

SAM智能綜采系統(tǒng)可對(duì)配套設(shè)備進(jìn)行全方面的工況監(jiān)測(cè)及故障診斷[8]。

(1)采煤機(jī)工況監(jiān)測(cè)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)采煤機(jī)的速度、位置，滾筒高度、溫度等參數(shù)，如圖13所示。

圖13 采煤機(jī)工況監(jiān)測(cè)圖

(2)供電監(jiān)測(cè)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作面3個(gè)組合開(kāi)關(guān)的工況，如圖14所示。

圖14 供電監(jiān)測(cè)圖

(3)液壓支架工況監(jiān)測(cè)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)液壓支架的工作阻力、移架狀態(tài)、側(cè)護(hù)板狀態(tài)、升降柱狀態(tài)等，如圖15所示。

圖15 液壓支架工況監(jiān)測(cè)圖

(4)工作面頂板壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)工作面開(kāi)采時(shí)間段內(nèi)液壓支架的工作阻力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，如圖16所示。

圖16 工作面頂板壓力監(jiān)測(cè)圖

(5)采煤機(jī)故障診斷系統(tǒng)對(duì)采煤機(jī)過(guò)載、過(guò)熱、瓦斯超限、牽引、通訊的故障能自我診斷及報(bào)警，如圖17所示。

圖17 采煤機(jī)故障診斷圖

3 智能綜采傳統(tǒng)綜采對(duì)比分析

3.1 工作面產(chǎn)量

3124S工作面生產(chǎn)班控制到10人，單日最高割煤11刀，自動(dòng)化使用率達(dá)到87.75%。2019年6-9月累計(jì)生產(chǎn)106 d，采煤120個(gè)小班，累計(jì)推進(jìn)323.5 m，割煤433.8刀，原煤產(chǎn)量212025 t。其中，6-8月組織“一采一準(zhǔn)”試生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)單班最高割煤7刀，月平均產(chǎn)量5.45萬(wàn)t，月最高產(chǎn)量6.39萬(wàn)t；9月1日開(kāi)始組織“兩采一準(zhǔn)”正常生產(chǎn)，截至9月15日，實(shí)現(xiàn)日平均割煤6.7刀，產(chǎn)量4.86萬(wàn)t。6-9月3124S工作面工業(yè)性試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

3.2 人員勞動(dòng)組織

智能化工作面工業(yè)性試驗(yàn)期間工作區(qū)域配置生產(chǎn)班10人。生產(chǎn)班具體負(fù)責(zé)智能化綜采工作，配置2人在遠(yuǎn)程集控中心負(fù)責(zé)智能化綜采操作，工作面配置2人負(fù)責(zé)采煤機(jī)和液壓支架跟機(jī)巡視，兩巷配置4人負(fù)責(zé)超前支護(hù)，沿線(xiàn)配置2名電鉗工負(fù)責(zé)運(yùn)輸設(shè)備等巡視。

表1 智能化綜采工業(yè)性試驗(yàn)情況

3.3 回采工效

3124S智能化綜采工作面于2019年6-8月組織試生產(chǎn)，9月開(kāi)始正常生產(chǎn)。截至9月15日，該工作面累計(jì)產(chǎn)量212025 t，回采工時(shí)5715個(gè)，回采工效為37.1 t/工。其中，6-8月“一采一準(zhǔn)”試生產(chǎn)產(chǎn)量163413 t，回采工時(shí)4642個(gè)，回采工效35.2 t/工；9月正式回采產(chǎn)量48612 t，回采工時(shí)1073個(gè)，回采工效45.3 t/工。各月生產(chǎn)人數(shù)、工時(shí)、產(chǎn)量及工效如表2所示。

表2 智能化綜采工作面回采工效

4 結(jié)論

通過(guò)SAM智能化綜采技術(shù)在龍灘煤礦的應(yīng)用，得出以下結(jié)論。

(1)總結(jié)并成功應(yīng)用了SAM智能化綜采的六大核心技術(shù)：成套設(shè)備一鍵啟停、液壓支架自動(dòng)跟機(jī)、采煤機(jī)記憶割煤、機(jī)巷遠(yuǎn)程集中控制、工作環(huán)境智能監(jiān)控、工況監(jiān)測(cè)及故障診斷。其中一鍵啟停功能成功率超過(guò)90%、自動(dòng)跟機(jī)率平均88%、記憶割煤使用率62%。

(2)智能化綜采相較于傳統(tǒng)綜采，工作區(qū)域生產(chǎn)作業(yè)由18人減少到9～10人，回采工效由27.8 t/工提高到45.3 t/工，月單產(chǎn)由3.64萬(wàn)t提高到6.06萬(wàn)t。