煤矿智能化综采工作面系统设计与应用探讨

张飞

（集团神东煤炭集团，陕西 榆林 719315）

随着经济的发展和社会的进步，我国的煤炭开采技术不断发展成熟，煤炭工业逐渐由劳动密集型产业向资本密集和技术密集型产业转化，煤炭的开采工艺在实现综合机械化的基础上，逐渐向智能化和自动化发展转换，随着可持续发展观念的传播，国内的煤炭企业越来越关注生产上的技术进步和技术换代。实现煤炭生产的智能化综采能够有效地提高煤炭生产的质量，同时降低工人的劳动强度，这充分发挥先进设备的效能，总体上提升了煤炭生产的效率。本文从某矿区的煤炭生产现状出发，研究了综采工作面自动化系统的功能实现问题，力求为矿区的煤矿生产业作出积极贡献，实现综采工作的全面自动化和智能化。

1 智能化综采工作面系统现状

1.1 智能化综采工作面系统技术的发展过程

煤炭开采是一个复杂的过程，煤炭矿井的工作环境十分复杂，相比常见的其他行业，煤炭业的智能化建设相对困难且落后，目前对某矿区的煤炭智能化综采工作面系统的建设仍然存在许多问题，未来仍需要不断的进步和发展。该矿区的智能化综采工作面系统的功能不断完善，已经具备了基础的生产能力，基本实现了自动化生产，但在对智能技术的运用如大数据、云计算等方面仍然存在许多不足，矿区的技术人员需要不断突破现有生产技术的限制，实现从自动化到智能化的完美转换。目前，在煤炭的开采中，常见的技术设备如采煤机、液压支架、刮板输送机，转载机、泵站及组合开关等设备大多具备了数据通信和远程控制的功能，同时，在生产实践中这些设备还能充分利用信息网络系统和多种接口，进行双向的数据传播。而智能化综采工作面系统的发展历经了漫长的发展过程并不断优化成熟。

智能化综采工作面系统是主要由传感技术、通信技术、自动化技术和信息技术等高度集成的技术，其是一种具备采煤机自主导航、三机联动的自动控制和地面设备的实时监控等功能的智能化、自动化和无人化的技术生产模式。这一煤炭生产中的智能化生产模式首先是由王金华等提出的，其较为全面地介绍了智能化工作面系统需要突破的关键技术和应用效果和存在的问题。他们对中厚偏薄的煤层智能化开采的生产模式进行了科学性的验证，其后，宋振骐重点解读了煤矿开采技术需要突破的难点，未来，煤矿开采的发展方向将会逐渐往安全高效的智能化方向靠拢。在煤矿的具体开采工作中，监控系统和决策系统以实现信息化、智能化和自动化为目标，而在实际的开采过程中，开采系统不断改进并力求逐步实现远距离的遥控机械化和自动化，矿区在发生自然灾害事故时则需要更为自动化的决策指挥系统和机械控制系统。而葛世荣系统地阐述了采煤装备在进行智能化转变时所需要的“三个感知，三个自适”的技术构架。马洪礼等研究人员主要提出了采用采煤机滚筒以接触到不同煤层时，截割电动机的负载以及滚筒调高油缸前后腔压力变化的新型煤岩识别技术、记忆切割技术以及井下数据传输技术等，这有利于实现采煤作业的采煤机手动控制、自主控制以及上位机远程控制等3 种控制工作模式以及对相关工作参数的实时监测;黄曾华提出了综采工作面自动化控制技术发展平台，并展望了其技术发展趋势；王国法剖析了综采工作面自动化、智能化和无人化开采的主要技术难题、制约因素及目前发展中存在的问题，探讨了其发展方向和技术。

1.2 智能化综采工作面系统需面对的问题

当前，煤炭开采的智能化综采工作面系统尚不稳定，还存在许多不得不解决的问题：一是煤炭综采的工作环境较为恶劣，煤炭开采的工作环境常常是位于几百米以下的地面深处，环境闷热潮湿、粉尘多、光线弱，煤炭开采人员难以在如此复杂艰难的环境中工作，而综采系统的传感器的反应速度和可靠性都会受环境的制约，难以向地面传达最真实可靠的数据。二是煤炭开采的地质环境十分复杂，稳定性弱，相关技术难以在复杂环境中实现普遍应用，各矿区的实际情况也并不相同，技术运用难度大。三是设备的制造厂商的控制系统设备在软件协议、冗余功能等方面标准不一，存在巨大差异，难以实现市场标准的统一，这给设备的集中监控带来了难度。四是由于实际开采环境复杂，在设计设备时需要充分考虑防爆要求，技术难度大。当前，国内外的智能化综采技术都实现了飞跃，为煤炭开采进一步指明了发展方向。

1.3 矿区智能化综采工作面系统面临的技术问题

未来，矿区的智能化煤炭综采工作面系统仍需克服许多关键技术问题：首先是采煤机的位置检测和工作面的自动取直技术。在具体的煤炭开采工作中，由于智能化综采工作面系统是在以往开采数据的基础上进行自动化、高效化开采。因此，在推进工作进程时，为了保证支架和刮板输送机的受力处于最佳状态，需要保证工作面成一条直线并与煤矿巷道处于正交，因此，工作人员需要结合地面的地理信息系统收集相关数据，获取正确的采煤机位置及其运动参数，以帮助采煤机实现自动导航，并通过截割模型传输采煤机的割取数据到液压支架控制系统以实现三机联动。

其二，智能化煤炭综采工作面系统需要更稳定高速、抗电磁干扰能力强的网络通信传输平台，建设好智能化的信息系统和自动化软件平台。煤炭综采系统把以太网作为主要的传输平台，同时利用光纤、无线WiFi 等多种传播形式来保证通信持续。目前某煤炭集团主要采用国家电信网络技术，开发了基于井下小灵通技术的K18 技术系统，此系统能够大幅缩短对突发事件的反应和处理时间，稳定性强，但其仍需克服光纤安装难度大、易折断、修复难度大等问题，同时需要研制更高强度的、速度更快的、安全性更高的矿用光纤技术。在组建软件平台方面，应当针对矿区的具体情况研制多型号、多品种、多功能的组件式软件。其三，矿区需要加大对数据库技术的开发和建设。智能化综采工作面系统的井上和井下的传输数据量庞大，包括监测数据、图像、语音和视频数据等，其需要更复杂更精准的处理手段，以实现对工作面信息的查询分析和应用，但数据库的建设分析和维护工作难度巨大。

2 矿业智能化综采工作面系统设计

2.1 系统架构

综采工作面信息系统是一个综采工作面的采煤机、支架电液控制系统、工作面三机通信控制系统等，各系统有机结合，为煤矿的井下和地面生产、管理人员服务，构建起安全高效生产的现代化信息系统，综采工作面系统包括单个工作面系统集成及数据上传和多个工作面系统集成及数据上传网络体系。当前，矿区智能化综采工作面系统架构主要是多个工作面集成及数据上传网络体系。其是由生产检测系统、数据分析、专家分析、报表分析和具体的运行管理等部分组成的一个复杂系统。处于第一阶梯的检测系统是基于煤炭开采生产状况而开展的工作面检测集成系统，其主要包括综采工作面的数据检测、顺槽层的胶带机检测和煤炭主运输系统检测、主通风机检测和生产执行系统的检测等几大部分。在对其进行数据采集和检测后再进行下一步的数据收集同步，将数据收集后充实数据库并对其进行深层次的分析，最终直接作用于煤炭开采的报表分析、运行管理、设备维修、功能分析等环节（图1）。

图1 系统架构

2.2 集成方案

智能化综采工作面系统的集成主要是以综采工作面智能控制系统为核心，同时将采煤机控制系统，支架电液控制系统、工作面”三机”通信控制系统、运输控制系统、泵站控制系统和供电系统进行集成，最终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。集成系统在地面的调度中心建立综采工作面检测控制平台，以实现工作面的设备检测、诊断和数据分析、数据发布等功能。

（1）液压支架智能化控制系统是在支架电液控制系统的标配基础上通过增加多种传感器的方式来实现支架的智能化控制功能。其配置有支架控制器、驱动器、传感器和各种信号转换器、地面监控中心服务器等各种仪器。（2）采煤机的智能控制系统通过工作面的视频系统来实现对采煤机的定位和视频跟踪，其能通过工作面的巷道远程操作台来控制采煤机的速度，能使采煤机依据特定的速率和程序来自动运行，同时工人根据采煤机的具体运行情况在需要进行人工干预时及时采取措施。这种智能化操作系统要求采煤机具有更成熟和强大的功能，如参数检测功能、感知和控制功能、定位功能、主动式采煤机与运输系统的状态自动协调的功能，紧急闭锁功能等。（3）刮板输送的智能控制系统是以工作面刮板输送机、转载机和破碎机等机器综合利用为基础的在线监测集中控制系统，其具备检测减速器和电动机温度、降压启动双速电动机、“三机”启停和软启动集成控制等多种复杂功能。第四，泵站智能控制系统是配置有各种传感器来对泵站进行状态预警与保护，具备电控液压等功能，能够实现乳化液泵站的空载启停、系统压力波动的最小化及系统瞬间供液最大化的智能控制系统。

3 实现功能与效果

随着技术的发展和进步，我国多数矿区已经实现了综采工作面的机械化生产，其中国产综采成套技术和装备的研发成功更促进了综采机械化的发展，为智能化综采系统的发展成熟提供了条件。2000 年天地科技股份有限公司北京开采所与外企合作开展了薄煤层的自动化无人工作面研究并开展了实践操作。2005 年大同煤业集团引进了国外技术并实现了综采工作面的无人操作，2008 年中国已经达到了国际领先水平，打破外企的技术封锁。而在某矿区进行的智能化煤炭综采工作面系统的运用效果明显，采煤机、液压支架、运输设备等都实现了PLC 或嵌入式控制，矿区工人的劳动强度大幅降低，未来矿区将以无人化和自动化操作为最终目标，同时矿区对工作面总控制网络技术、围岩的支架耦合控制技术、高清可视化技术、快速移架控制技术和设备三维虚拟技术进行了煤矿开采的现场实践应用。矿区已经初步搭建了自动化网络和区域自动化控制系统，未来，矿区将会持续利用云计算、大数据进行技术创新换代，不断提高煤炭综采工作的效率。

4 实际应用

在矿区智能化煤炭综采工作面系统运用中，通过技术革新和数据监控分析，矿区煤炭开采工作取得了十分明显的成效：2016 年采煤机的平均开机率为57.1%，2017 年前三季度的采煤机平均开机率为61.4%，而在生产效率方面也取得了显著成效，2016 年采煤机平均生产效率为37.1%，而2017 年前三季度的采煤机平均生产效率为45.2%。目前矿区的综采工作开机率和综采工作面的生产效率不断提高，这为提高煤炭开采的经济效率做出了重要贡献，预计大采高开机率每提高1%，单个综采工作面每年就将增产10 万吨，而中厚煤层开机率每提高1%，单个综采工作面每年将会增产7 万吨，这大大提高了煤炭开产的效率，经济效益持续增加，预计在生产效率全面提高的同时，相关开采设备的大修率将会不断降低，大修费用将会不断减少，矿区已经逐渐实现其减少设备故障率、提高设备利用率、降低设备营运成本等目标，开采工作已不断实现智能化、自动化、高效化和安全化，未来，矿区将会持续成长为开采效率更高、设备智能化水平更高、操作安全性更高更稳定、经济效益更佳的成熟性煤炭开采矿区，为我国煤炭开采的现代化做出更多贡献。

5 结语

智能化的煤炭综采工作面系统是条件适宜的煤层高效开采技术的发展方向，智能化、自动化、安全高效的煤炭开采理念是时代发展的需要。目前神东矿区进行了智能化综采工作面生产的应用探索，其智能化综采工作面系统已经得到了巨大发展，取得更好的经济效益和科学效率，但距完全自动化、排除人工干预的全智能化还有一定差异。未来，神东矿区将致力于构建更成熟更全面的专家数据库，建立起专业的机电专家支持机制，不断研发煤炭开采的核心技术，将煤炭工人从人工生产中解放出来。