姜 寧，劉進平，崔智明

(潞安環(huán)能股份公司 機電辦，山西 長治 046204)

智能綜采工作面建設是以信息化手段提升生產(chǎn)效益、降低安全事故、推進生產(chǎn)方式變革的必然舉措，是促進企業(yè)轉(zhuǎn)型升級的必然選擇 。本文結(jié)合李村煤礦1306工作面煤層賦存特點，聯(lián)合國內(nèi)一流煤礦設備生產(chǎn)廠家，從工作面煤體建模、直線度控制、工作面地理信息系統(tǒng)(GIS)、工作面通訊系統(tǒng)、液壓支架自動控制、綜采設備協(xié)同運行方式、煤量掃描、刮板機智能調(diào)速控制、工作面人員安全識別和高效開采工藝等多個方面進行綜合研究，設計了綜采工作面智能化開采解決方案，采取重點關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)創(chuàng)新、成熟先進技術(shù)集成相結(jié)合的方式，解決了復雜地質(zhì)條件下智能化、少人化高效連續(xù)開采的技術(shù)難題，為潞安集團在綜采工作面智能開采方面奠定了基礎(chǔ)。

1 工作面概況

李村煤礦1306工作面埋深510～540 m，切眼凈煤柱平距長270 m，進風巷長1 398 m，工作面可采長度1 220 m，實測平均煤厚5 m，儲量220萬t。該工作面按Y型+高抽巷布置，利用已掘成的輔助回風巷作為其中一條巷道，回采時在輔助回風巷采用柔模技術(shù)沿空留巷。高抽巷與工作面輔助回風巷平距30 m，設計高抽巷底板距煤層頂板34.5 m。

輔助回風巷距一采區(qū)1號回風下山1 062 m揭露FJ17斷層(H=0～2.5 m，∠51°)?，F(xiàn)實測巷道最大坡度8°，工作面下行運煤傾角2～3°(但相鄰工作面最大傾角11°)，實測平均瓦斯含量8.01 m3/t，計算得采前可解析瓦斯含量5～7 m3/t，設計配風量3 600～4 000 m3/min 。

2 解決方案

綜采自動化控制系統(tǒng)建立在各單機裝備系統(tǒng)的智能化基礎(chǔ)之上，單機設備的智能化包括：電液控制系統(tǒng)、采煤機控制系統(tǒng)、輸送機控制系統(tǒng)、集成供液系統(tǒng)。并構(gòu)建了高速通信、可視化及設備遠程控制自動化平臺 。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 綜采自動化控制系統(tǒng)框圖

實現(xiàn)功能包括：煤體模型的構(gòu)建、地理信息系統(tǒng)(GIS)、直線度控制、調(diào)高控制、機架協(xié)調(diào)控制、液壓支架姿態(tài)與防片幫控制、端頭設備一體化控制、工作面瓦斯?jié)舛汝P(guān)聯(lián)控制、煤流負荷平衡控制，采煤機在工作面煤層的三維實時展示，基于捷聯(lián)慣性導航的采煤機定姿定位。

針對水、火、頂板、瓦斯、作業(yè)人員人身安全等煤礦生產(chǎn)過程中常見的不安全因素，選擇了具有針對性的煤體建模、液壓支架姿態(tài)監(jiān)測及防片幫、工作面瓦斯?jié)舛汝P(guān)聯(lián)控制、綜采設備聲光預警及遠程控制、人員精準定位系統(tǒng)、破碎機紅外閉鎖聯(lián)鎖等功能。

2.1 單機裝備的智能化控制

2.1.1 液壓支架電液控制系統(tǒng)

電液控制系統(tǒng)功能主要有：在控制器界面或上位機界面上顯示立柱工作壓力、推移行程、采煤機位置方向、工作面高度、支架姿態(tài)和護幫板狀態(tài)；單臺支架可實現(xiàn)“降、移、升”自動控制；通過紅外線檢測系統(tǒng)實現(xiàn)跟機自動化；具備支架初撐力自動連續(xù)補償功能；能夠?qū)崟r監(jiān)測工作面礦壓，控制頂梁和頂板平行，保障支護質(zhì)量；通過對工作面以及超前支架的立柱壓力進行分析，實現(xiàn)礦壓分析和對頂板初次來壓和周期來壓進行預警；電液控制系統(tǒng)須向綜采自動化控制系統(tǒng)開放自動跟機啟停功能，保證綜采自動化控制系統(tǒng)可在巷道監(jiān)控中心實現(xiàn)對液壓支架自動跟機的遠程操作 。

2.1.2 采煤機控制

為適應智能化工作面的設計要求，在滿足基本控制功能的基礎(chǔ)上，采煤機要有精確的采高控制、準確的煤機位置信息以及記憶割煤等功能。

1) 基本功能。采煤機具備按鈕控制和無線遙控等功能，實現(xiàn)采煤機的遠程操作；具有各運行參數(shù)監(jiān)測功能；具有端頭操作、就機操作、應急近控操作、離機遙控操作等常規(guī)操作手段，也可實現(xiàn)巷道自動運行及遠端操作方式；采用大屏幕中文顯示，便捷查看系統(tǒng)內(nèi)部的操作指令及工作信息；可以通過引入礦方的瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測系統(tǒng)的檢測數(shù)據(jù)實現(xiàn)采煤機速度與瓦斯?jié)舛鹊穆?lián)動控制。

2) 自動化功能。采煤機控制系統(tǒng)具備采高自主定位、位置自主定位、記憶截割功能、遠程雙向通訊功能，實現(xiàn)以記憶割煤為主，遠程干預為輔的生產(chǎn)工作模式，其主要功能有：記憶截割、整機檢測、數(shù)據(jù)傳輸、遠程控制、采高定位、位置定位、智能調(diào)高 。

采煤機控制結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 采煤機控制結(jié)構(gòu)

2.1.3 輸送機變頻控制

刮板輸送機及轉(zhuǎn)載機采用“變頻器外部調(diào)速控制器+(高壓變頻器+移動變電站)+單速變頻調(diào)速+彈性聯(lián)軸器+減速器”的驅(qū)動方式，實現(xiàn)刮板輸送機的智能負荷調(diào)速及軟啟動控制 。其主要功能如下：

1) 智能啟動。設備啟動時通過對機頭、機尾部電機速度、加速度等獨立控制，使刮板機先張緊下鏈道鏈條，再順序啟動，降低了啟動沖擊及避免了松鏈跳齒；能夠判斷是否重載或帶載啟動，自動調(diào)整啟動時差及加速度等參數(shù)，實現(xiàn)平滑啟動，避免鏈條重載啟動造成損傷。

2) 煤量檢測與智能調(diào)速。智能控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)煤流量實時掃描，結(jié)合刮板機輸出功率智能調(diào)節(jié)鏈速，實現(xiàn)刮板鏈運行距離的減少、磨損及功耗。

3) 低速檢修功能。根據(jù)檢修需要，智能控制系統(tǒng)可以將刮板輸送機設置為低轉(zhuǎn)速運行，便于進行檢修工作。

4) 功率協(xié)調(diào)。區(qū)分機頭、尾驅(qū)動部的不同角色和能力需求，按刮板機的運行特性配置不同的驅(qū)動包，實現(xiàn)多驅(qū)動單元的協(xié)調(diào)工作。

5) 遠程監(jiān)控功能刮板機智能控制箱自身可以實現(xiàn)對變頻器的啟?？刂乒δ?，同時也可以通過標準的RS485總線通信接口或硬結(jié)點連接形式，實現(xiàn)第三方控制平臺對變頻器的啟?？刂乒δ?；還可通過MODBUS協(xié)議將相關(guān)信息傳至第三方控制平臺，滿足與礦井自動化系統(tǒng)的通訊需求。

6) 故障自診斷功能。智能控制系統(tǒng)能夠?qū)﹃P(guān)鍵部件運行距離、時間等參數(shù)進行記錄；并能夠?qū)﹃P(guān)鍵部件壽命進行預估、預警，自動生成預防性維護報告，大大降低維護時間及故障概率。

7) 破碎機紅外安全裝置。在轉(zhuǎn)載機入口處設計安裝紅外線安全閉鎖聯(lián)控保護裝置，保證人員人身安全。

2.1.4 集成供液變頻、自動配比

1) 智能變頻控制系統(tǒng)。泵站控制系統(tǒng)具有集中、就地、遠程等多種控制方式。統(tǒng)一、標準的通訊協(xié)議保證系統(tǒng)能夠快速、可靠地與智能綜采自動化控制系統(tǒng)無縫對接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測，遠程單動、聯(lián)動、時間均衡等多種控制，完全滿足工作面自動化的使用需求。

2) 多級過濾系統(tǒng)。系統(tǒng)從整體層面考慮，根據(jù)工作介質(zhì)的流向，采取分段、分級、按需處理的方案，將功能過濾與安全防護有機結(jié)合，以進水過濾站、加水過濾器、高壓過濾站、回液過濾站為核心設備，將不同精度和流量過濾元件組合，形成以液壓介質(zhì)為核心的多級過濾系統(tǒng)。

3) 乳化液自動配比系統(tǒng)。以定量泵、原裝進口混合器、高精度濃度傳感器及控制器為主體的自動配比系統(tǒng)，大幅提高了乳化油的利用率和乳化液配比的穩(wěn)定性。

2.2 智能化控制平臺

通過建立智能化的通信平臺、可視化平臺及集中控制平臺，為整個智能化工作面構(gòu)建起基礎(chǔ)平臺，保證所有智能化功能的實現(xiàn)。

2.2.1 工作面通信平臺

利用工作面以太網(wǎng)，通過交換機、光電轉(zhuǎn)換器及綜合接入器將數(shù)據(jù)傳輸?shù)较锏兰刂行姆掌?，實現(xiàn)了工作面設備信息采集及自動化控制。網(wǎng)絡管理具備流量優(yōu)先級、虛擬局域網(wǎng)等管理功能，確保重要數(shù)據(jù)獲得優(yōu)先動態(tài)支持，且具備自診斷功能。

2.2.2 工作面可視頻化平臺

每6架支架安裝1臺與工作面平行的監(jiān)控支架用本安攝像儀，每2架支架安裝1臺與工作面垂直的監(jiān)控煤壁視頻用本安攝像儀，在具備上述監(jiān)控要求外，在刮板機機頭及監(jiān)控中心各安裝1臺本安攝像儀。本安攝像儀通過工業(yè)環(huán)網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸至本安顯示器，實現(xiàn)4臺攝像儀圖像一次顯示，且能夠根據(jù)采煤機位置進行視頻自動切換，同時將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛嬲{(diào)度中心顯示并保存 。

2.2.3 遠程控制平臺

巷道監(jiān)控中心通過隔爆主機的電液控主機實時監(jiān)測工作面全部液壓支架當前的立柱壓力等狀態(tài)信息，并通過視頻主機軟件直觀地監(jiān)測支架當前姿態(tài)信息，同時通過支架操作臺實現(xiàn)對工作面液壓支架的動作控制干預。該操作人員同時兼顧采煤機、三機及泵站的集中控制。

支架操作臺通過CAN協(xié)議保證控制命令實時發(fā)送至工作面支架控制器進而完成動作干預。采煤機、三機及泵站控制指令通過操作臺發(fā)送給主機，由主機向各設備發(fā)出。

2.3 智能化功能

2.3.1 基于地理信息系統(tǒng)與慣性導航的采煤機煤層識別及定位功能

1) 采區(qū)三維數(shù)字化GIS模型。結(jié)合工作面實際情況，采用礦井地震波CT探測方法來探明影響工作面安全高效回采的煤厚信息、地質(zhì)情況，建立描述煤層的三維數(shù)字化GIS模型。方案見圖3。

2) 采煤機絕對定位系統(tǒng)。通過慣性導航系統(tǒng)，實時測出采煤機的三維位置坐標，結(jié)合采煤機左右搖臂的擺角，反映采煤機當前割煤作業(yè)時左右兩個滾筒與GIS頂?shù)装尻P(guān)系，避免截割到頂板或底板。

3) 煤層識別系統(tǒng)與截割路徑規(guī)劃系統(tǒng)。根據(jù)采煤機在煤層中推移的位置，調(diào)取推進方向采煤機附近一段距離的煤層GIS三維數(shù)字化模型中的信息，識別出當前和下幾刀煤層的數(shù)字化信息，與記憶截割記錄下的截割模型比對，以此規(guī)劃出采煤機行走及搖臂的調(diào)高信息 。

圖3 GIS方案

2.3.2 工作面調(diào)高控制

以記憶截割技術(shù)為基礎(chǔ)，附加多種感知數(shù)據(jù)，融合人工調(diào)高控制經(jīng)驗及采煤機調(diào)高控制模型，建立基于感知—分析—決策機制的智能調(diào)高截割模板，實現(xiàn)基于外部主控計算機(非采煤機)的遠程智能調(diào)高控制技術(shù)應用。同時對采煤機數(shù)據(jù)的讀取、存儲、分析、界面展示幾個方面進行優(yōu)化 。

1) 煤機數(shù)據(jù)讀取、記錄方式完善優(yōu)化。完善采煤機狀態(tài)數(shù)據(jù)中煤機里程位置數(shù)據(jù)的讀取功能，并以此為數(shù)據(jù)記錄基準軸，開展煤機工況數(shù)據(jù)記錄完善工作，當讀取到煤機調(diào)高控制操作時，每隔一定時間記錄當前煤機工況狀態(tài)，間隔時間可以根據(jù)實際情況進行調(diào)整，范圍是0.5～5 s。當煤機在運行過程中出現(xiàn)折返情況時，若滾筒高度數(shù)據(jù)發(fā)生變化，需要記錄下各里程記錄點的最高采高、最低臥底量。

2) 煤機數(shù)據(jù)存儲方式完善優(yōu)化。將主控計算機讀取的數(shù)據(jù)進行存儲，同樣以煤機里程位置作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)軸，輔以數(shù)據(jù)讀取時間點進行數(shù)據(jù)存儲，煤機各數(shù)據(jù)可單獨存儲，也可整體儲存。

3) 煤機數(shù)據(jù)分析功能完善優(yōu)化。針對采煤機存儲的數(shù)據(jù)，軟件中可實現(xiàn)運行工況數(shù)據(jù)導出，導出的煤機工況數(shù)據(jù)以煤機里程位置作為坐標軸。依據(jù)讀取存儲的煤機里程位置及滾筒采高、臥底高度數(shù)據(jù)，建立單次循環(huán)過程二維的煤層賦存狀態(tài)描繪曲線，以及多次循環(huán)推進過程的煤機賦存狀態(tài)三維圖形。

2.3.3 基于可視化的遠程控制

建立井下巷道集中控制室，實現(xiàn)工作面視頻監(jiān)視、語音調(diào)度、聯(lián)絡及遠程操作工作面相應設備，其主要功能有：液壓支架跟機自動化及遠程控制、采煤機記憶割煤及遠程控制、運輸設備集中自動化控制—一鍵順序啟?？刂?、乳化液泵站集中自動化控制、供電系統(tǒng)集中監(jiān)測。

2.3.4 基于慣性導航技術(shù)的工作面直線度控制

工作面直線度控制功能的主要內(nèi)容有：采用基于慣性導航技術(shù)進行綜采工作面直線度檢測，通過電液控及慣性導航實現(xiàn)直線度控制，以高速以太網(wǎng)為基礎(chǔ)搭建工作面視頻監(jiān)控系統(tǒng)，并應用虛擬局域網(wǎng)等技術(shù)，提升整個礦井網(wǎng)絡的穩(wěn)定性與安全性，實現(xiàn)了自動化跟機采煤的常態(tài)化應用 。

2.3.5 機架協(xié)同控制

所謂“機架協(xié)同”功能，指當采煤機運行在記憶模式下自動割煤，支架電液控系統(tǒng)運行在跟機模式下執(zhí)行跟機自動化時，系統(tǒng)軟件能夠根據(jù)采煤機位置和當前跟機自動化階段，智能判斷工作面支架狀態(tài)是否滿足采煤機進行下一階段作業(yè)的邏輯計算，并向電液控系統(tǒng)和煤機系統(tǒng)發(fā)出相應的協(xié)調(diào)指令功能。協(xié)同控制流程見圖4。

圖4 機架協(xié)同控制流程

2.3.6 端頭設備一體化控制

在常規(guī)工作面的設計與使用中，并未將端頭的轉(zhuǎn)載自移系統(tǒng)與超前支護納入控制范圍，主要依據(jù)人工手動操作，本項目通過整體設計，將端頭設備進行一體化控制。

1) 膠帶機自移機尾及轉(zhuǎn)載機自移系統(tǒng)和控制。膠帶自移機尾控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)遙控及電控控制，且具備聲光報警功能；轉(zhuǎn)載機自移系統(tǒng)與端頭支架電液進行關(guān)聯(lián)控制，實現(xiàn)轉(zhuǎn)載機自移，亦可單獨進行遙控及電控控制。

2) 超前支架控制。通過改造支架液壓管路結(jié)構(gòu)，增加交替閥及液壓管路，使超前支架能夠在前后相連兩架共同控制推移千斤頂，左右相連兩架共同控制防倒千斤頂，從而在本架可以實現(xiàn)所有控制部件動作；控制系統(tǒng)中增加無線接收棒，布置在超前支架，實現(xiàn)就地遙控器控制支架；在巷道監(jiān)控中心通過視頻監(jiān)控對超前支架進行遠程遙控。

2.3.7 煤流負荷平衡控制

根據(jù)采集的采煤機滾筒電機、牽引電機的電流和溫度等數(shù)據(jù)，刮板機電機電流溫度數(shù)據(jù)，以及泵站、三機等其他相關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)合煤量信息，智能分析煤流負荷，根據(jù)負荷情況，反向調(diào)節(jié)煤機牽引速度、三機轉(zhuǎn)速等。監(jiān)控主機對工作面采集的各相關(guān)數(shù)據(jù)進行分析計算，將工作面采煤機、液壓支架、刮板機等多種單一設備的工作進行集成，實現(xiàn)綜采設備的協(xié)同控制。

2.3.8 工作面瓦斯?jié)舛汝P(guān)聯(lián)控制

李村礦1306工作面瓦斯?jié)舛容^大，為防止生產(chǎn)過程中由于瓦斯?jié)舛瘸薅鴮е碌臄嚯?，在工作面與回風巷安裝瓦斯?jié)舛葌鞲衅?，由綜采自動化控制系統(tǒng)對工作面與回風巷的瓦斯?jié)舛冗M行實時監(jiān)測，并設定相應的閾值，當瓦斯?jié)舛冗_到閾值后，由自動化控制系統(tǒng)對采煤機割煤速度進行調(diào)節(jié)，降低采煤速度，從而降低瓦斯涌出量，當瓦斯?jié)舛冉档偷秸Ｋ揭韵聲r，再將采煤機恢復到正常的運行速度，保證采煤過程的連續(xù)性與自動化調(diào)節(jié)功能。

2.3.9 支架姿態(tài)控制

在支架底座與頂梁安裝傾角傳感器，對液壓支架的姿態(tài)進行檢測，當支架姿態(tài)超過正常閾值時，由電液控制系統(tǒng)對支架姿態(tài)進行調(diào)整，防止由于頂板冒空導致支架姿態(tài)異常；在支架一級護幫千斤頂安裝壓力傳感器，在護幫板打出去后，檢測到壓力傳感器值未達到補壓功能，保證護幫板對煤壁的有效支護，防止片幫。

3 結(jié) 語

智能綜采工作面關(guān)鍵技術(shù)的研究及應用，重點解決了在大采高工作面復雜地質(zhì)條件下快速連續(xù)推進難題，實現(xiàn)了采煤生產(chǎn)過程記憶割煤為主，人工干預為輔；液壓支架跟隨采煤機動作為主，人工干預為輔；綜采運輸設備集中自動化控制為主，就地控制為輔的自動化、少人化高效連續(xù)開采生產(chǎn)模式。工作面作業(yè)人員由原來28人減少至15人，大大降低了員工勞動強度，極大改善了員工作業(yè)環(huán)境，切實提高了單產(chǎn)單進水平，真正實現(xiàn)了減人提效和安全高效發(fā)展。