大采高智能化采煤控制技术在黄陵二号煤矿的发展

吴 宁，杨 波

（陕西黄陵二号煤矿有限公司，陕西 黄陵 727306）

0 引言

大采高综采是一种煤矿开采的技术，我国综采工作面发展迅猛，但是却远落后于国外的发展脚步，尤其是在智能化方面还处在起步阶段。在新技术不断涌现的大背景下，各行业的发展和变革都受到了巨大的冲击，智能化、高度自动化和无人化成为工业设备发展的主流方向［1-3］。近年来，我国煤炭开采技术及工作面装备水平取得重大进步，推动了煤矿开采向着安全、绿色、高效的方向发展，全国各地区结合自身矿井环境，搭建起大批量高自动化程度和综合性机械化装备的现代化矿井。2017年陕西黄陵二号煤矿有限公司根据416工作面的实际情况，与北京天地玛珂电液控制系统有限公司在大采高工作面的自动化开采问题上作出重大突破，经过深入探讨论证，搭建起大采高智能化综采工作面控制系统方案，并成功应用。

煤炭的开采需要面对极为复杂的作业环境，传统的煤炭开采方式面临着巨大的潜在风险，对于安全生产产生不利的影响，对于生产效益的提高形成了制约。而智能化综采工作面的成功应用，尤其是在大采高环境下的实践有着极其重要的意义［4-6］，为此，对大采高智能化采煤控制技术在黄陵二号煤矿的应用发展进行探讨。

1 大采高智能化开采技术

综采工作面是矿井生产的核心，对综采工作面进行自动化控制是现代化矿井实现生产管理的关键，大采高综采智能化工作面的顺利实施，探索出了厚煤层少人化生产的技术路线［7-10］，促进了综采技术进步，对降低工人劳动强度、提高综采生产效率、减少人员、降低劳动风险具有十分重要的意义。

智能化开采是指在不需要人工直接干预的情况下，通过环境的智能感知、设备的智能控制，由设备独立完成的回采过程［11-13］。智能化开采是在机械化开采、自动化运行的基础上，集信息化与工业化深度融合的煤炭开采技术变革。将采煤机控制系统、支架电液控制系统、工作面运输控制系统、三机通信控制系统、泵站控制系统及供电系统有机结合，实现对综合机械化采煤工作面设备的协调管理与集中控制。实现集视频、语音、远程集中控制为一体的综采工作面自动化控制系统，实现工作面采煤机、运输机和液压支架等设备的联动控制和关联闭锁等功能。

综采智能化工作面控制系统主要由综采单机设备、顺槽监控中心、调度指挥中心3部分组成。在工作面原有采煤机、液压支架、刮板输送机等单机子系统的层级之上构建了统一开放的1000M工业以太网控制网络，实现单机设备信息汇集到顺槽监控中心的服务器上，供其分析决策与控制。智能化开采具备以下技术内涵：采煤设备具备自动运行功能、智能化控制系统具备实时获取采煤工艺数据的功能，能根据采场条件人工干预调整采煤工序过程。

2 大采高智能化开采关键技术

2.1 “一键启停”全自动控制启停技术

将集成控制系统设置为“全自动”工作模式，通过“一键启停”按键控制工作面综采设备。“一键启停”功能包括：顺槽胶带输送机启停、泵站启停、破碎机启停、转载机启停、刮板输送机启停、采煤机记忆割煤程序启停、液压支架跟随采煤机自动化控制程序启停。自动化运行过程中，实时监控工作面综采设备运行工况，当设备运行异常，在监控中心操作人员可以通过人工干预手段对设备进行远程干预。

2.2 跟机自动化与记忆截割高效协同技术

采煤机智能控制系统依据采煤机行走编码器和调高油缸行程传感器，实现采煤机的记忆割煤和远程干预等功能。根据采煤机储存系统中示范刀的记忆曲线作为采煤机智能调高系统的反馈依据调节前后滚筒，通过行走编码器记忆运算功能控制煤机行走运行距离，实现采煤机自动割煤。依据采煤机主机系统及工作面视频，通过操作采煤机远程操作台实现对采煤机的远程控制功能，可以对采煤机进行启停控制、运行速度控制和前后滚筒摇臂高度控制等。在液压支架电液控制系统基础上，增加护帮传感器、倾角传感器、测高传感器等实现液压支架的自动化控制。护帮板依据传感器值判断护帮板是否收到位，防止采煤机自动化割煤时与液压支架发生干涉。实现了液压支架的辅助动作可与支架移架的主要动作同时进行，每个支架移架时间15 s左右的目标，可以满足采煤机最高0.1 m/s的运行速度。在大采高工作面液压支架电液控制系统实现全工作面跟机自动化的基础上，结合采煤机记忆割煤“象限”分割，将支架全工作面跟机阶段点和“象限”距离转换点进行精确整合，实现工作面支架自动化控制和采煤机记忆切换的准确匹配，降低人工就地干预频率，提高工作面自动化生产效率。

2.3 胶带机“三控”融合技术

胶带机控制系统较为复杂，需将CST控制系统、华宁控制系统、天玛自动化控制系统串联。CST离合器流量、压力、温度、比例阀输出、冷却流量等运行参数由CST自控，如有故障可自行停机。皮带的烟雾、带速、堆煤、闭锁、跑偏、张力、超温洒水等功能由华宁监控。通过综采SAM自动化控制系统将以太网、音频、通信等信号有机融合收发指令。总体概括为自动化控制系统发出指令，华宁系统执行语音、开停信号，CST接受命令自动运行的“三控”逻辑方式，达到一键启停效果。

2.4 设备防碰撞控制技术

根据工作面跟机过程中，顺槽监控中心主机对采煤机前滚筒与支架护帮板位置关系、后滚筒与支架移架速率关系、采煤机在端头三角煤区域作业时支架跟机动作关系进行实施监控。通过在支架护帮板安装行程和压力传感器的方式，监控采煤机前滚筒与护帮板收回状态的相对位置关系，防止采煤机滚筒与支架护帮板碰撞。由支架上红外传感获得采煤机位置信息，通过监控主机和工作面电液控制系统设置支架跟机动作触发点，保证采煤机在端头三角区域作业时机身范围内支架与煤机滚筒的相对位置安全。

2.5 支架自适应控制技术

在特殊底板条件下，支架跟机自动移架过程模拟人工操作动作序列，将支架整个自动降移升动作增加抬底、降架时间次数，既能满足跟机速度，又能保证支架姿态和移架质量。在顶板破碎和煤壁片帮的条件下，支架跟机护帮伸收过程中，采用两级护帮的动作序列组合方式：在伸一级护帮15 s过程中，增加两次收二级护帮3 s动作，满足护帮联动靠近煤壁时二级能够完全贴合煤壁，收护帮时增加先收二级2 s动作，避免卡顿或不到位，达到护帮板自适应跟机作业。

2.6 模拟人工护帮智能精准控制

大采高厚煤层采煤工艺最大的控制难点是两级护帮板与煤壁贴合的工艺控制，采煤机与液压支架在机架协同工艺过程中，护帮板的收打工艺、抬底拉架工艺、运输机三角煤蛇形进刀段的阶梯推移距离工艺等软件运行参数误差较大，导致架前涌煤、蛇形弯曲段曲线不尽人意。通过观察人为操作习惯，调整蛇形段程序距离、支架推移增设慢速逻辑阀、增加2次抬底、修改降柱压力参数为25 MPa等办法，达到自动跟机动作模拟人为操作的目的，实现减少人为干预和精准自动运行的效果。

3 仍需研究的技术

3.1 视频死角与透尘技术

制约大采高远程干预的主要矛盾是视频死角太多、采煤过程中随着采煤机滚筒割煤和落煤伴随的扬尘导致视线不清晰，当煤层发生变化时顺槽集控中心不能清晰地反应煤壁情况，使得人为干预较为困难。通过抑尘剂、高效雾化降尘、煤层注水等方式治理煤尘，红外热成像、增加广角高清摄像仪等提高视频透尘技术还要继续研究。

3.2 工作面自动找直技术

工作面在推采过程中由于运输机的上窜下滑、进刀尺寸、支架推移步距等原因会造成煤壁不直，机头机尾推采距离不一致，工程质量较差，影响设备的自动化运行。智能化系统中运输机自动找直技术是目前的技术瓶颈，国内还没有完全研制成功。目前澳大利亚研制的lasc惯导技术是国内外采用较多的，并在美国久益采、德国艾柯夫、我国上海等煤机上都有应用，该技术的引进能够解决工作面自动找直的瓶颈。

3.3 智能化系统故障自诊断技术

智能化系统是将综采工作面的胶带机、泵站、三机、煤机、支架、语音通讯等控制系统通过控制主机、以太网搭建平台全部有机融合，实现实时监测、数据上传、智能控制、一键启停功能。对于各子系统的故障没有自检和诊断功能，发生故障后不能及时报告故障原因，对处理故障不能提供详细信息，存在设计不足。对目前控制系统增加扩展功能，把各子系统故障代码全部对接，形成全方位的故障自诊断系统还需研究。

3.4 煤岩识别技术

煤岩界面智能识别技术是当前制约智能化采煤的重大难题。目前，现有的煤岩识别办法有红外探测法、有功功率检测法、图像识别法等。国外研发的红外遥感技术自动测量煤壁温度进而识别煤层结构的方法，这种实时监测方法克服了当前采煤机摇臂自动调整智能操作的制约，此技术在我国还在起步阶段，要实现煤岩识别技术还要继续研究。

4 结语

智能化技术是实现我国煤矿人才技术密集型转变的重要手段，也是顺应煤矿开采的少人化，甚至是无人化趋势的必然要求。随着科学技术在不断进步，采煤自动化水平也在不断提高，综采工作面智能化控制系统提高了整个矿井开采的高效性、安全性；在工作面巷道监控中心，采用网络传输视频信号，提高了工作面实时监测的效果；自动化水平减少了人员投入，提高了采煤效率，促进了采煤技术朝着自动化、高效化以及安全化的方向发展。