徐川

（冀中能源邢臺礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，河北 邢臺 054000）

0 引 言

我國煤炭企業(yè)以及相關(guān)研究機(jī)構(gòu)對如何推動綜采工作面智能化做了大量探索和實踐，但這些探索大都集中在“三機(jī)配套”裝備實現(xiàn)單機(jī)智能化的基礎(chǔ)上。在采煤智能化的應(yīng)用方面，主要朝著綜合利用多種實用性技術(shù)的方向發(fā)展，如信息網(wǎng)絡(luò)傳輸、音視頻、通訊技術(shù)以及綜合控制、自動化技術(shù)等。綜采工作面采煤作業(yè)的智能化主要表現(xiàn)在3 個方面：人工遠(yuǎn)程輔助采煤機(jī)的記憶割煤作業(yè)；實現(xiàn)運輸設(shè)備的集中化控制，輔以人工現(xiàn)場控制；實現(xiàn)工作面設(shè)備的自動化作業(yè)，輔以人工遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控。其目的在于減少工作人員的工作面作業(yè)，降低人工作業(yè)費用，杜絕采煤安全事故，尤其是威脅作業(yè)人員生命安全的隱患。

煤礦的開采過程具有復(fù)雜性，從作業(yè)裝備的功能方面來說，存在控制方式分散等問題，作業(yè)裝備之間較難實現(xiàn)準(zhǔn)確、快速協(xié)同配合，影響了煤礦開采效率，且各作業(yè)裝備自身的性能價值也難以得到充分的發(fā)揮，造成大量資源浪費。此外，現(xiàn)有設(shè)備較難實現(xiàn)作業(yè)環(huán)境參數(shù)的精準(zhǔn)采集，仍需工作人員利用自身工作經(jīng)驗進(jìn)行合理化判斷，增加了作業(yè)的風(fēng)險系數(shù)、資源損耗以及安全隱患。因此，應(yīng)將自動化技術(shù)與智能化控制技術(shù)緊密結(jié)合，實現(xiàn)各類作業(yè)裝備、設(shè)備之間的協(xié)同作業(yè)，打造“集中化、智能化、人性化”礦區(qū)。

1 綜采工作面智能化控制系統(tǒng)設(shè)計方法研究

1.1 設(shè)計目的及存在的問題

控制系統(tǒng)實現(xiàn)了對采煤機(jī)、電液控支架、刮板輸送機(jī)、皮帶輸送機(jī)、乳化液泵站、破碎機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)等相關(guān)作業(yè)設(shè)備的參數(shù)監(jiān)控及信息處理。其需要實現(xiàn)作業(yè)面監(jiān)控點與集控中心的有效對接，呈現(xiàn)出作業(yè)設(shè)備的各項實時參數(shù)，并分析相關(guān)設(shè)備是否存在異常情況，相關(guān)作業(yè)面是否存在事故風(fēng)險等，一旦發(fā)現(xiàn)風(fēng)險點，實時報警，并儲存、上傳相關(guān)信息參數(shù)，以便技術(shù)人員在處理完相關(guān)風(fēng)險后，能夠進(jìn)一步分析和研究，最大程度上杜絕相關(guān)事件的再次發(fā)生。

通過在綜采工作面配置采煤機(jī)、破碎機(jī)、刮板輸送機(jī)、皮帶機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、電液控支架以及乳化液泵站等設(shè)備的實際生產(chǎn)運行自動化集中控制部件與工作狀態(tài)智能化監(jiān)測監(jiān)控，以及與工業(yè)視頻信號監(jiān)控技術(shù)無縫聯(lián)合，實現(xiàn)上述裝備自動操作/就地手動、工作面順槽視頻信號集中控制與遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，并結(jié)合工作面現(xiàn)場煤層地質(zhì)條件，形成全系統(tǒng)智能化綜采工作面裝備的設(shè)計、制造、安裝及聯(lián)合工業(yè)試驗，實現(xiàn)綜采工作面裝備的少人、無人化操作。將工作現(xiàn)場所有關(guān)鍵裝備信息傳輸?shù)焦ぷ髅骓槻奂刂行?，實現(xiàn)工作面順槽遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制。

系統(tǒng)設(shè)計過程中面臨各個系統(tǒng)層級的技術(shù)難點，見表1。

表1 智能化控制系統(tǒng)設(shè)計的技術(shù)難點Table 1 Technical difficulties in intelligent control system design

1.2 研究方法

通過聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制技術(shù)、采煤機(jī)記憶截割、電液控支架自動跟機(jī)、工作面裝備集中控制和視頻語音通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和對比，從視頻傳輸方面、遠(yuǎn)程控制和綜采工作面設(shè)備自動化設(shè)計方面進(jìn)行研究。系統(tǒng)功能設(shè)計要點見表2。

表2 系統(tǒng)功能設(shè)計要點Table 2 Key points of system function design

在實現(xiàn)表2 所呈現(xiàn)的系統(tǒng)功能設(shè)計要點后，通過配置相配套的視頻監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)綜采工作面的可視化管理，建立起綜采工作面高速、穩(wěn)定的通訊網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)綜采工作面裝備與采煤工藝相結(jié)合的聯(lián)動協(xié)調(diào)操控，以及工作面裝備數(shù)據(jù)監(jiān)測監(jiān)控、故障報警、故障保護(hù)等功能，達(dá)成工作面環(huán)境數(shù)據(jù)動態(tài)監(jiān)測、報警及對各類作業(yè)裝備的聯(lián)動控制。

2 綜采工作面智能化控制系統(tǒng)的應(yīng)用

2.1 工作面情況

老母坡煤業(yè)3112 綜采工作面順槽長度750 m，切眼長度140 m，煤層厚度最大2.0 m，平均1.8 m，煤質(zhì)為主焦煤，工作面內(nèi)煤層賦存穩(wěn)定，3112工作面回采至395 m 處揭露F102 斷層，巷道局部會出現(xiàn)煤層起伏變化情況。工作面主要設(shè)備配套：采煤機(jī)MG200/456-WD1 型，總裝機(jī)功率456 kW；支架ZY3200/12/22 型液壓支架；支架電控系統(tǒng)ZE07-04 型電液控系統(tǒng)；刮板輸送機(jī)SG730/320型，裝機(jī)功率2×160 kW；裝載機(jī)SZZ730/132 型，裝機(jī)功率132 kW；破碎機(jī)PLM1500 型，裝機(jī)功率132 kW；泵站W(wǎng)RB400/31.5 型乳化液泵站。

2.2 系統(tǒng)綜述

綜采自動化系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)人工遠(yuǎn)程輔助采煤機(jī)的記憶割煤作業(yè)、運輸設(shè)備的集中化控制，輔以人工現(xiàn)場控制、工作面設(shè)備自動化作業(yè)，輔以人工遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控。主要包含：采煤機(jī)視頻信號系統(tǒng)、三機(jī)乳化液泵站集控系統(tǒng)、電液控支架系統(tǒng)、視頻監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)、工作面順槽集中控制系統(tǒng)。

2.3 系統(tǒng)的整體智能化技術(shù)

該系統(tǒng)可以通過工作面的網(wǎng)絡(luò)傳輸實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測監(jiān)控與自動化控制系統(tǒng)的協(xié)同作業(yè)，實現(xiàn)多作業(yè)設(shè)備、系統(tǒng)之間的有機(jī)融合，確保對于工作面作業(yè)裝備的集中控制和管理。一旦設(shè)備出現(xiàn)參數(shù)異常情況，系統(tǒng)會定位相關(guān)異常點，并在井下調(diào)度點以及集控中心進(jìn)行報警，方便技術(shù)人員排查異常問題，降低事故發(fā)生幾率，提升采煤作業(yè)效率。

2.3.1 采煤機(jī)記憶截割技術(shù)

采煤機(jī)記憶截割功能主要是通過智能記憶技術(shù)的應(yīng)用來實現(xiàn)自動化割煤，能夠記憶采煤機(jī)傳感器的作業(yè)位置、速度以及高度等參數(shù)信息，并存儲到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，通過對多次作業(yè)參數(shù)的學(xué)習(xí)，實現(xiàn)自動化記憶割煤作業(yè)。通過采煤機(jī)記憶截割功能，準(zhǔn)確辨別采煤區(qū)域，提前設(shè)置水平面。另外，需注重優(yōu)秀數(shù)據(jù)記錄，結(jié)合反饋信息，有序落實采煤工作，提高開采效率。

2.3.2 電液控支架跟機(jī)自動化與遠(yuǎn)程干預(yù)技術(shù)

電液控系統(tǒng)是綜采液壓支架的附加品，需要把支架機(jī)械結(jié)構(gòu)、傳感器及控制器進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)一體化。在自動化跟機(jī)功能裝載后，通過傳感器電液控支架系統(tǒng)可以將作業(yè)參數(shù)與相關(guān)視頻信號進(jìn)行結(jié)合處理，并上傳集控中心，方便技術(shù)人員根據(jù)相關(guān)作業(yè)環(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)程人工干預(yù)，確保不同作業(yè)環(huán)境下各采煤設(shè)備自動化作業(yè)功能的實現(xiàn)。支架電控系統(tǒng)與順槽主機(jī)連接如圖1 所示。

圖1 支架電控系統(tǒng)與順槽主機(jī)連接示意Fig.1 Connection of support electrical control system with main machine in the roadway

2.3.3 工作面實景成像技術(shù)

工作面實景成像技術(shù)可真正實現(xiàn)采煤工作面無人化，將采煤機(jī)、電液控支架、刮板輸送機(jī)等工作面設(shè)備實景影像與系統(tǒng)模型相結(jié)合，建立3D 模型。通過檢測前探梁、底座、四連桿的傾角即可確定工作面支架姿態(tài)，以及通過推移千斤頂伸縮量，可以建立工作面三機(jī)相對位置關(guān)系。通過監(jiān)測三機(jī)姿態(tài)以確定其相對空間關(guān)系，實現(xiàn)遠(yuǎn)程操控采煤機(jī)采高調(diào)整。在支架實景成像中，在操作系統(tǒng)加入邊界輔助線，遠(yuǎn)程操作人員可借助輔助線確定工作面設(shè)備間及設(shè)備與煤壁間距離，保證遠(yuǎn)程操控安全性。在采煤機(jī)和支架前探梁安裝攝像頭，替代人眼跟隨采煤機(jī)完成遠(yuǎn)程控制割煤過程，并實時觀察工作面煤壁狀況。

2.3.4 綜采智能化遠(yuǎn)程集控技術(shù)

實現(xiàn)綜采工作面遠(yuǎn)程集控的關(guān)鍵是采煤機(jī)自主導(dǎo)航、數(shù)據(jù)分析策、采煤工藝自動檢測、電液控支架、視頻監(jiān)控等技術(shù)的相互聯(lián)合，保證采煤工作面實現(xiàn)無人值守。其重點是視頻信號動態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)傳輸自動控制采煤設(shè)備、數(shù)據(jù)存儲設(shè)置。采煤作業(yè)的各類設(shè)備可通過本系統(tǒng)實現(xiàn)協(xié)同合作，在人工遠(yuǎn)程操控的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)一鍵啟停及順序啟停功能，滿足不同作業(yè)環(huán)境需求。

2.3.5 工作面自動找直技術(shù)

保持采煤工作面的平直是安全質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化的重要指標(biāo)，也是保證智能化工作面正常連續(xù)推進(jìn)的重要保障。利用導(dǎo)航技術(shù)和長臂自動化系統(tǒng)，實時檢測采煤機(jī)三維空間內(nèi)的位置變化，俯仰角度控制采煤機(jī)搖臂采高，水平位移控制支架推移行程，根據(jù)工作面直度要求，控制程序計算出每臺支架推移量，精準(zhǔn)控制推移行程，保證支架整齊推移，使工作面三機(jī)實現(xiàn)自動校直及操控功能。

2.3.6 信息存儲及發(fā)布技術(shù)

在本系統(tǒng)中，作業(yè)面各類作業(yè)設(shè)備、裝備的數(shù)據(jù)和參數(shù)等都可以通過WEB 底層平臺上傳到相應(yīng)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲。WEB 系統(tǒng)應(yīng)用于集中控制軟件，集控軟件將綜采工作面的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絎EB系統(tǒng)中進(jìn)行處理。WEB 系統(tǒng)模塊包含電控監(jiān)測系統(tǒng)、采煤機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)、供液監(jiān)測系統(tǒng)、歷史查詢系統(tǒng)、開發(fā)API。

3 結(jié) 語

老母坡煤業(yè)3112 智能化綜采工作面智能化控制系統(tǒng)實現(xiàn)了對采煤機(jī)、電液控支架、運輸設(shè)備、乳化液泵站控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程操控，通過觀察作業(yè)現(xiàn)場的實時超清視頻監(jiān)控畫面，及時調(diào)整作業(yè)次序，以應(yīng)對作業(yè)環(huán)境的變化、設(shè)備異常等問題。同時，信息處理系統(tǒng)可及時歸類出異常信息，如作業(yè)環(huán)境參數(shù)變化、作業(yè)設(shè)備存在異常點等，并進(jìn)行報警，方便技術(shù)人員對各類作業(yè)設(shè)備、裝備的遠(yuǎn)程人為控制，降低安全事故的發(fā)生率。該系統(tǒng)的應(yīng)用為其他礦井自動化工作面的建設(shè)提供現(xiàn)場經(jīng)驗，具有推廣意義。