李 剛

1中國煤炭科工集團太原研究院有限公司 山西太原 030006

2山西天地煤機裝備有限公司 山西太原 030006

薄煤層綜合機械化開采由于空間小、地質(zhì)條件復(fù)雜、開采困難、成本高、安全風險大、效益差等問題，存在很多技術(shù)難點，特別是極薄煤層開采尤為困難。近年來，為了杜絕資源嚴重浪費和開采失衡的現(xiàn)象，延長礦井的服務(wù)年限，提高煤礦資源采出率，薄煤層智能化安全高效裝備性能提升成為開采薄煤層的關(guān)鍵技術(shù)[1-2]。

煤礦綜采智能化裝備與水平在不斷提高和快速發(fā)展，但主要是針對中厚煤層及放頂煤工作面裝備的智能化裝備與技術(shù)。由于薄煤層開采受其環(huán)境與空間的約束，操作困難，設(shè)備能力欠缺，且投資與產(chǎn)出比較低，沒有達到真正意義上的工作面少人化開采。隨著煤礦綜合機械化水平的不斷提高，適應(yīng)薄煤層開采條件的綜合機械化裝備不斷涌現(xiàn)，大大提高了薄煤層開采自動化水平。目前薄煤層開采主要以采煤機、刨煤機為主：以刨煤機為龍頭的智能采煤系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡單、截深淺、運行速度快、生產(chǎn)效率高等特點，但受地質(zhì)條件影響大，適應(yīng)性差、功率利用率低、收煤效果差；以搖臂式電牽引滾筒采煤機為龍頭的智能采煤系統(tǒng)，具有適應(yīng)性強、技術(shù)成熟等特點，但設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸大、截割功率偏小、適應(yīng)性較低；以等高鏈牽引滾筒采煤機為龍頭的智能采煤系統(tǒng)，具有截割功率大、生產(chǎn)效率高、適應(yīng)性強等特點，具有推廣價值與應(yīng)用前景。結(jié)合傳統(tǒng)薄煤層開采方式，分析研究以刨煤機、滾筒采煤機為龍頭的智能采煤系統(tǒng)優(yōu)點，深入研究等高鏈牽引滾筒采煤機的采煤方式，開發(fā)截割功率大、運行速度快、適應(yīng)性強的薄煤層智能回采工作面成套裝備，是實現(xiàn)薄煤層減員增效、本質(zhì)安全、高效開采的先決條件，對降低工作面人員勞動強度，提高資源利用率、薄煤層礦井產(chǎn)量及社會經(jīng)濟效益具有重要意義。

1 智能化成套裝備組成以及智能集成控制技術(shù)

結(jié)合國內(nèi)外智能開采工作面先進的技術(shù)、薄煤層開采技術(shù)特點以及存在的問題，研發(fā)了一套高效開采的薄煤層采煤、運輸、支護、集中控制為一體的智能化成套系統(tǒng)。該套系統(tǒng)主要由雙滾筒采煤機、刮板輸送機、成套綜采液壓支架、轉(zhuǎn)載破碎連續(xù)運輸系統(tǒng)、長距離帶式運輸系統(tǒng)[3]、智能控制設(shè)備列車以及智能集中控制中心系統(tǒng)等組成，其主要實現(xiàn)的功能與關(guān)鍵技術(shù)要求如下。

圖1 智能化無人成套設(shè)備控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分布Fig.1 Structural distribution of control system of intelligent unmanned complete equipment

(1)實現(xiàn)智能無人化控制是薄煤層開采工作面智能化控制系統(tǒng)研究的核心與目標，將工作面雙滾筒采煤機、刮板輸送機、轉(zhuǎn)載破碎連續(xù)運輸系統(tǒng)、成套綜采液壓支架、自動配比乳化液泵站、長距離帶式運輸系統(tǒng)、智能控制設(shè)備列車等，通過智能集中控制中心系統(tǒng)相互連通，構(gòu)建薄煤層開采設(shè)備必備的多平臺協(xié)同控制系統(tǒng)，實現(xiàn)煤礦地面與井下巷道集控中心集成監(jiān)控，保持各設(shè)備間良好運行，如圖 1 所示。

(2)采用 4G 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建煤礦井下高速傳輸平臺，通過設(shè)備行程、姿態(tài)、壓力、流量等傳感器，結(jié)合視頻監(jiān)控平臺，對綜采工作面設(shè)備運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測及可視化圖像監(jiān)控，實現(xiàn) 1 人巡視、遠程干預(yù)、高度智能化控制模式，如圖 2 所示。

圖2 智能化無人成套設(shè)備控制系統(tǒng)及可視化圖像監(jiān)控效果Fig.2 Control system of intelligent unmanned complete equipment and visual image monitoring effects

(3)通過三維激光掃描視頻機器人對綜采工作面環(huán)境與“三機”裝備，工作面運輸巷與裝載、運輸、破碎設(shè)備，集中動力控制設(shè)備空間狀態(tài)及設(shè)備運行狀態(tài)實時巡檢，建立工作面三維地質(zhì)模型識別煤巖與煤層狀態(tài)，監(jiān)控工作面及巷道所有設(shè)備運行狀態(tài)，實現(xiàn)智能系統(tǒng)對截割部運動軌跡實時修正，保證設(shè)備安全、可靠地運行，提高對設(shè)備進行故障診斷、礦壓檢測、姿態(tài)控制、遠程操控等能力，如圖 3 所示。

圖3 三維激光掃描視頻機器人效果及現(xiàn)場應(yīng)用Fig.3 Effects and field application of 3D laser scanning video robot

(4)根據(jù)工藝要求，識別成套設(shè)備與工作面空間位置關(guān)系，實現(xiàn)割煤與牽引的自適應(yīng)控制、落煤與運輸?shù)膮f(xié)調(diào)控制、成套液壓支架系統(tǒng)及時支護、工作面截割與運輸、支護設(shè)備與巷道智能設(shè)備列車協(xié)同控制，如圖 4 所示。

2 智能工作面成套裝備以及控制系統(tǒng)研究

2.1 雙滾筒采煤機及控制系統(tǒng)設(shè)計

雙滾筒采煤機主要由整體機身、滾筒、自動隨機拖纜裝置、傳動系統(tǒng)及鏈牽引裝置組成，采用分體式模塊化設(shè)計，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，前后共 2 個滾筒割煤，截割電動機功率為 450 kW，采高范圍為 1.0～1.8 m，過煤高度為 300 mm，截深為 630 和 800 mm，整機長度為 7 500 mm，機身高度為 950 mm，電源電壓為 3 300 V，截割能力為 1 000 t/h，牽引速度范圍為11.5～25.0 m/min，采用水冷系統(tǒng)進行冷卻，通過 4G網(wǎng)絡(luò)控制平臺以及智能控制系統(tǒng)，將雙滾筒采煤機、視頻監(jiān)控慣導(dǎo)裝置、紅外傳感器等多設(shè)備連接，實現(xiàn)截割軌跡實時修正、三維空間運行姿態(tài)快速調(diào)整、自動記憶截割及超遠距離控制等功能。雙滾筒采煤機控制系統(tǒng)原理如圖 5 所示。

2.2 刮板輸送機及控制系統(tǒng)設(shè)計

刮板輸送機主要由機頭、機尾、中部槽、過渡槽、輸送驅(qū)動部及牽引驅(qū)動部等組成，輸送部理論設(shè)計長度為 330 m，運輸能力為 1 200 t/h，變頻電動機功率為 2×750 kW，工作電壓為 3 300 V，規(guī)格為 1 750 mm×850 mm，水平彎曲±1°，垂直彎曲±3°，卸載方式為端部卸載。通過 4G 網(wǎng)絡(luò)控制平臺、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)，以及壓力、速度、流量等傳感器，實時監(jiān)控刮板輸送機工作狀態(tài)，預(yù)判關(guān)鍵部件壽命，實時調(diào)節(jié)工作面“三機”空間位置關(guān)系，保持刮板輸送機良好的直線度。刮板輸送機控制系統(tǒng)原理如圖 6 所示。

圖4 智能化成套設(shè)備控制系統(tǒng)Fig.4 Control system of intelligent unmanned complete equipment ent

圖5 雙滾筒采煤機控制系統(tǒng)原理Fig.5 Principle of control system of dual-drum shearer

圖6 刮板輸送機控制系統(tǒng)原理Fig.6 Principle of control system of scraper conveyor

中部槽采用整體鍛造工藝，以提高使用壽命。輸送驅(qū)動部和牽引驅(qū)動部與刮板輸送機垂直布置，降低了機頭和機尾的高度與長度，保持整個工作面等高割煤的工藝要求，驅(qū)動部采用變頻一體機+減速器+液壓限矩器的傳動方式。刮板鏈形式為中雙鏈，圓環(huán)鏈采用大直徑高強度扁平鏈[4]。機尾設(shè)置自動調(diào)節(jié)張緊裝置，維持刮板輸送機合理的張緊狀態(tài)，保持其正常運輸能力。

2.3 成套綜采液壓支架及控制系統(tǒng)設(shè)計

成套綜采液壓支架主要包括中部支架、過渡支架及超前支架，其基本結(jié)構(gòu)型式為兩柱掩護式，雙前后連桿、整體式頂梁底座及雙平衡千斤頂結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)件主要采用 Q890 高強度材料，減小支架的質(zhì)量，提高其內(nèi)部空間。液壓支架采用超大伸縮比立柱，以提高支架對煤層高度的適應(yīng)性，側(cè)護板雙向可調(diào)。支架工作阻力為 8 000 kN，支護強度為 0.78～0.89 MPa，推移步距為 890 mm。通過工作面智能控制系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)，以及壓力、行程、角度等傳感器，實時監(jiān)測支架支撐壓力與姿態(tài)，實現(xiàn)自動壓力補償，保持良好的支護效果；推移位置分段控制、自動工作面調(diào)直及支架空間姿態(tài)實時調(diào)節(jié)；按照采煤工藝要求實現(xiàn)工作面“三機”同步聯(lián)動，與等高采煤機自動實時跟機作業(yè)[5-7]。綜采液壓支架及控制原理如圖 7 所示。

圖7 綜采液壓支架及電液控制系統(tǒng)原理Fig.7 Hydraulic support for fully-mechanized mining and principle of its electro-hydraulic control system

工作面運輸巷與回風巷超前支護采用左右分體式6 架 1 組工作面智能超前支護輔助平臺，主要由修復(fù)平臺、智能超前支護支架及自動退錨裝置組成。超前支護強度不小于 0.32 MPa，工作支護長度為 30 m。具備采后自動退錨桿卸壓，采前智能判斷修復(fù)巷道，支護輔助平臺實時監(jiān)測與巷道、設(shè)備之間的空間關(guān)系及壓力狀態(tài)，保證超前支護有效支護巷道頂板，實現(xiàn)與工作面“三機”同步聯(lián)動[8]。工作面智能超前支護輔助平臺如圖 8 所示。

圖8 工作面智能超前支護輔助平臺Fig.8 Intelligent advanced support auxiliary platform on workface

2.4 智能設(shè)備列車及控制系統(tǒng)設(shè)計

工作面運輸巷中的動力負荷中心[9]、泵站、電纜液管、工具箱、集控中心等布置在智能設(shè)備列車上，實現(xiàn)設(shè)備列車與工作面截割、運輸以及支護設(shè)備快速聯(lián)動，以及 60 m 電纜與液管的自動收放。該設(shè)備總長約 260 m，主要有錨固牽引裝置、自移軌道、推移控制系統(tǒng)、38 臺自移式平板車、遠程遙控電液控制系統(tǒng)以及 30 臺自動伸縮管纜裝置組成。錨固牽引裝置與自移式平板車互為支點，通過推移與遠程電液控制系統(tǒng)進行操作，實現(xiàn)設(shè)備列車整體前移[10]，1 個循環(huán)過程大約需要 4 min，移動步距約 3.0 m。該設(shè)備列車無需鋪設(shè)軌道、人工高空懸掛電纜與液管、移動絞車等繁重工作。通過壓力、行程以及傾角傳感器信號反饋及視頻監(jiān)控，監(jiān)測牽引裝置初撐力、推移行程以及平板車姿態(tài)執(zhí)行狀態(tài)，判斷執(zhí)行動作是否滿足設(shè)備整體前移的要求，并通過 CAN 總線實現(xiàn)控制器之間數(shù)據(jù)交互與時序分組控制以及整體同步控制。礦用電控液壓移動列車組及控制系統(tǒng)如圖 9 所示。

圖9 KDYZ40-40/2000 礦用電控液壓移動列車組Fig.9 KDYZ40-40/2000 mine electric control hydraulic mobile train set

2.5 工作面網(wǎng)絡(luò)傳輸視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

薄煤層智能工作面雙滾筒采煤機、刮板輸送機、成套綜采液壓支架、智能控制設(shè)備列車、三維激光視頻掃描機器人等設(shè)備運行姿態(tài)、空間位置、運行參數(shù)等大數(shù)據(jù)主要采用有線與無線相結(jié)合的方式傳輸。沿著回采方向每 6 臺支架設(shè)置 1 臺夜視、低照度、高清晰礦用本質(zhì)安全型網(wǎng)絡(luò)攝像儀；沿著采空區(qū)方向每4 臺支架設(shè)置 1 臺攝像儀；工作面運輸巷中的設(shè)備列車、超前支架及轉(zhuǎn)載破碎連續(xù)運輸系統(tǒng)關(guān)鍵位置設(shè)置攝像儀，實現(xiàn)薄煤層智能工作面視頻監(jiān)控全覆蓋，攝像儀監(jiān)控的視頻信息采用有線傳輸?shù)姆绞酵ㄟ^支架控制器連接智能控制系統(tǒng)，如圖 10 所示。

圖10 視頻監(jiān)控系統(tǒng)Fig.10 Video monitoring system

薄煤層智能工作面機頭與機尾各布置 2 臺三維激光掃描機器人，監(jiān)控工作面機頭與機尾工作狀態(tài)及巷道空間位置關(guān)系；雙滾筒采煤機左右兩側(cè)各布置 1 臺三維激光巡檢機器人，監(jiān)控采煤機工作狀態(tài)及空間位置關(guān)系，同時分析工作面三維空間形態(tài)；工作面運輸巷轉(zhuǎn)載破碎連續(xù)運輸系統(tǒng)與長距離帶式運輸系統(tǒng)上布置若干臺三維激光巡檢機器人，監(jiān)控工作面運輸巷設(shè)備運行狀態(tài)；三維激光掃描機器人采用無線傳輸?shù)姆绞脚c支架控制器連接，接入智能控制系統(tǒng)，如圖 11所示。

圖11 三維掃描視頻機器人工作面分布Fig.11 Distribution of 3D scanning video robots on workface

薄煤層智能工作面通過攝像儀與三維激光掃描巡檢機器人采集信息，視頻數(shù)據(jù)通過支架控制器接入無線信號轉(zhuǎn)換器，無線信號轉(zhuǎn)換器通過網(wǎng)絡(luò)與支架控制器和工作面網(wǎng)絡(luò)交換機連接，工作面網(wǎng)絡(luò)交換機之間通過雙路千兆網(wǎng)絡(luò)連接，工作面網(wǎng)絡(luò)交換機與井下環(huán)網(wǎng)交換機通過單獨千兆網(wǎng)絡(luò)連接；工作面機頭、機尾兩端各安裝 1 套 4G 無線基站，工作面上隅區(qū)和下隅區(qū)各安裝 1 套通信分站，4G 無線基站與通信分站接入工作面交換機，建立回采工作面三維立體模型，監(jiān)控工作面設(shè)備運行狀態(tài)，達到智能開采的目的，實現(xiàn)井下運輸巷集控中心對整個工作面監(jiān)控及通過井下環(huán)網(wǎng)實現(xiàn)地面遠程監(jiān)控，如圖 12 所示。

圖12 工作面網(wǎng)絡(luò)傳輸視頻監(jiān)控系統(tǒng)原理Fig.12 Principle of network transmission video monitoring system on workface

3 應(yīng)用效果

43107 薄煤層智能化工作面煤層厚度為 1.1～1.6 m，平均采高為 1.3 m，工作面布置長度為 300 m，走向長度為 2 500 m，煤層傾角為 3°～7°，平均為 4°，煤層硬度f=0.22～0.48，直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚度為0～1.5 m，直接底為細砂巖，厚度為 0.10～0.70 m，煤層結(jié)構(gòu)簡單。工作面最高月產(chǎn)量為 11 萬 t，預(yù)計年產(chǎn)量達到 120 萬 t。

(1)建立智能集中控制中心與地面控制樞紐，實現(xiàn)工作面“三機”、工作面運輸巷設(shè)備與地質(zhì)環(huán)境協(xié)同聯(lián)動控制。

(2)通過有線與無線網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，保持工作面設(shè)備可靠通信，視頻、語音和數(shù)據(jù)三網(wǎng)合一的智能化控制模式。

(3)等高采煤機采用垂直進刀方式，減少了割三角煤、回空刀、切底煤等流程，效率提高了近 1 倍，截割功率與同等功率采煤機相比，單刀力提高了 1倍，破巖能力強。

(4)綜采液壓支架支撐效率達到 85%，支護效果良好，有效保證了頂板的安全。

4 結(jié)語

自動化、智能化裝備，高效的網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺，以及智能控制系統(tǒng)是實現(xiàn)薄煤層工作面減人增效的有效途徑，通過對薄煤層智能回采工作面成套裝備及其關(guān)鍵技術(shù)研究，可有效提高薄煤層開采效率，實現(xiàn)智能化工作面無人操作、有人值守開采模式，為薄煤層工作面無人開采積累經(jīng)驗，最終實現(xiàn)無人化開采的目標。

(1)薄煤層智能化無人工作面鏈牽引式薄煤層采煤、運輸、支護、集中控制為一體的多平臺設(shè)備協(xié)同智能控制技術(shù)，以及三維立體工作面環(huán)境識別技術(shù)，實現(xiàn)了工作面割煤、及時支護、推溜、姿態(tài)調(diào)整、環(huán)境自適應(yīng)及全環(huán)境監(jiān)控全覆蓋。

(2)視頻監(jiān)控系統(tǒng)及三維激光掃描機器人的應(yīng)用，為薄煤層智能化無人工作面開采帶來指揮的眼睛，提高成套系統(tǒng)的安全檢測，保持多設(shè)備間良好的空間位置狀態(tài)，實現(xiàn)自適應(yīng)智能開采。

(3)薄煤層智能設(shè)備列車以工作面乳化液為動力，通過遠程遙控實現(xiàn)列車自移、調(diào)偏，管纜自動收縮、防掉道、自適應(yīng)等功能，達到了高產(chǎn)高效礦井快速推進的目的。