大柳塔煤矿厚煤层综采自动化系统应用

2021-02-22王立强高小强任文清

陕西煤炭 2021年1期

王立强，高小强，任文清，王飞

(神东煤炭集团大柳塔煤矿，陕西神木 719315)

0 引言

大柳塔煤矿位于陕西省神木市境内，是神东煤炭集团所属的年产3 300万t的特大型现代化安全高效矿井，孵化出了世界上最大的千万吨矿井群。大柳塔煤矿52603综采工作面位于大柳塔井5-2煤六盘区大巷东侧、5-2煤辅运大巷西侧、52604工作面南侧、52602采空区北侧，工作面储量617万t，推进长度3 127 m，切眼宽312 m，煤层厚4.4～5.7 m，平均煤厚5 m，倾角为1°～3°，煤层稳定，周期来压稳定。自动化割煤是高端采煤机、自动化工作面控制系统需要突破的关键技术，其核心在于摇臂的自动调高，根据采煤机实际情况自动调节左右滚筒的高度，前滚筒割顶煤、后滚筒割底煤，保证良好的工程质量[1-4]。建设厚煤层综采自动化系统，培育厚煤层自动化工作面操作技能，是有效保障煤矿安全生产的必要条件。

1 综采集控系统的应用

1.1 集控系统现状及解决方案

1.1.1 现状描述

52603综采工作面改造前的电气设备配置有移动变电站、组合开关、综保照明系统、变频器电控系统、泵站电控系统、KTC101通讯控制系统等。操作人员配置分别为KTC101控制系统司机一人，破碎机处一人，马蒂尔处一人。所有的电气/电控设备的数据没有集中进行上传及显示，自动化数据集成比较分散，在井下不方便统一管理和监测，人员数量较多，资源上造成一定浪费。

1.1.2 解决方案

在控制台处安装隔爆兼本质安全型交换机，并将计算机内磨砂交换机设置好IP，供连通网络。接着将控制台处移动变电站、照明综保、馈电、联力开关，泵站、三机控制器等设备接入磨砂交换机的RS-485口或者TCP/IP网络接口。再用一根网线将磨砂交换机与控制台处4G分站连接起来，将数据传输至环网，以方便马蹄尔处设备可以读取控制台设备数据。在马蹄尔处安装矿用隔爆兼本安型自动化装置(附带硬盘录像机显示器和操控台及计算机)，用于远程操作设备。用光缆将自动化装置中设备连接至4G分站，来读取环网内控制台设备数据。计算机安装组态王软件读取数据，包括煤机、矿压数据，并实现控制台设备实现控制；在硬盘录像机内设置4个摄像头(马蹄尔处、运输机机头、工作面机头、工作面机尾)，方便实时观察生产情况。

1.2 数据采集及功能

该套集控设备将不同设备、不同接口、不同协议之间的数据通讯接至4G环网，支持多种通讯协议的读写功能，实现了综采工作面采煤机、液压支架、联力组合开关、移动变电站、馈电开关、照明综保、华宁保护装置等设备集中实时显示，包括实时模拟数据显示，开关数据状态，历史数据曲线等。实时监测数据，一旦设备发生故障，就会出现报警信息，让现场人员尽快找到处理故障点，缩短处理故障的时间，提高了生产效率；实现了各设备的远程启停，包括单启/停三机、泵站，也可以一键连启，工作面要生产时，以往都是控制台处岗位工先将控制台处移动变电站等设备送点，确保华宁控制器及泵站控制器有电，开启泵站中乳化液泵和喷雾泵，然后再开转载机、运输机与破碎机。设备集中控制后，不需要控制台处留有岗位工操作设备，只有一人在马蹄尔处操作设备即可，将所有开关设备合闸，一键启停三机控制系统、泵站控制系统，启动煤机开始自动割煤，开启液压支架跟机自动拉架系统。

2 自动化割煤系统

2.1 采煤机选型

大柳塔煤矿52603综采面采用艾柯夫(SL900/6839)采煤机，其电控系统由常州联力厂家改造。该煤机电控控制方式不是传统的记忆割煤法(完全复制上一循环割煤)，而是煤机每割一刀煤均参与下一刀自动割煤轨迹的数据模型计算。通过煤机机身安装采高传感器、位置传感器和俯仰摇摆传感器，分别对煤机滚筒高度、定位、限位、位置修订、机身倾角、俯仰角和滚动角等全方位进行检测。

2.2 自动割煤原理

自动化割煤运用的是高端采煤机电控系统，其核心技术在摇臂的自动调高[5-7]。根据采煤机实际情况，各传感器发挥作用，实时监测并主导编码器对前后滚筒的高度进行调节，前滚筒割顶煤，后滚筒割底煤，分析历史截割数据，自动识别煤层规律预测下一刀的割煤轨迹，自动调节模型参数，自适应外部条件变化。同时，可灵活选择对煤机进行人工干预，参与到下一刀的自动割煤，保证良好的工程质量，自动割煤如图1所示。

图1 自动割煤流程示意

2.3 自动割煤参数设置

自动割煤运用了基于AI的预测算法，建立了基于运动坐标系的数学模型，把煤层离散化，分成多段小区间。在每个小区间内，假定煤层不变化，是一个矩形进行运算。精准的割煤，对参数的设定有极大的依赖性[8-11]。以52603综采面自动化工作面为例，要设定好基本参数，重要参数主要有综采面的长度为312.1 m，最大采高4.9 m，最小采高4.2 m，滚筒直径2.7 m，该面共有液压支架183架，每架宽为1.75 m，煤机机身长约13.5架，位置传感器在工作面机头处割头位置设定为7架，工作面机尾处设定为177架，按照作业规程要求，两端三角煤折返点机头、机尾设定的位置分别为24.5架、156架，三角煤进煤窝高度值为3 m。如果煤层发生变化，就需要对参数进行微调，利用按压遥控器组合键，输入密码后，进入自动化参数配置，对参数进行调整，自动化割煤。

2.4 自动割煤步骤

首先观察显示屏各传感器显示正常，煤机位置显示准确，工步显示正确，手动完成一个完整的示范刀学习。通过人工识别煤岩界限，调整好割煤高度与参数设置后，将手动改为自动，煤机将会依据示范刀一刀的割煤轨迹，预测下一刀割煤高度，并按照自身设定的“十二工步割煤法”进行割煤，如图2所示。

图2 十二工步割煤法示意

3 液压支架自动化跟机系统

3.1 矿压电控系统的选型

大柳塔煤矿52603综采面支架控制系统采用德国玛珂电控系统，该系统能够准确的通过大数据分析矿压电控系统存在的问题，迅速处理支架自动化故障，减少处理故障的时间，减员提效；通过对参数设置可以对液压支架进行自动化控制(收打互帮板、移架、推溜)，识别红外发射器所在位置，与煤机配合进行跟机自动拉架。在煤机机身安装红外发射器，每台液压支架上安装红外接收器。红外发射器能够发射红外信号与红外接收器对应使用，红外接收器能够准确识别红外发射器信号，并将信号传输至玛珂主机，确定煤机所在位置(架号)。

3.2 跟机自动拉架原理

借助煤机机身红外发射器与支架上红外接收器设备，确定煤机所在位置[12-15]。当红外接收器收到红外发射器信号时，将煤机位置信号通过支架控制器及其总线传递给矿压主机。当开启自动拉架时，支架会按照生产工艺，设定好的参数，进行收/打互帮板、移架、推溜，完成跟机自动拉架，如图3所示。

图3 煤机自动化割煤与支架自动化联动示意

3.3 支架电控系统参数设置与开启方法

3.3.1 参数设置

工作面全长183架，先将红外发射器固定在机身，这样可以通过红外发射与接收信号来识别煤机所在位置。通过观察采煤机在机头、机尾割透时红外发射器位置(煤机位置)分别为7架、177架。通过采煤机机身长度，可在支架电控系统中设置以下参数，开启支架自动控制后，当煤机通过时，自动识别红外信号，并以此判断煤机割煤位置，进而触发支架自动跟机程序，实现支架自动移架、成组收打护帮板和自动推溜等功能。为了防止煤机位置不准确，造成设备误动作，造成不可挽回的损失，可在矿压电控系统中设置位置跳动及位置不变时，自动停止自动跟机拉架，该面实际生产中设置为5架和10 min，即当煤机位置发生跳动超过5架或者有10 min煤机位置不发生变化，系统会自动停止，确保设备及人身安全。

3.3.2 开启自动拉架方法

当采煤机设置为自动割煤后，确保煤机位置准确，在集控系统中，打开矿压主机画面，选择启动支架自动跟机拉架，根据工作面状况打开推溜、移架、互帮板，合理选择开启自动拉架范围。当工作面有异常时可以随时压下急停或者远程停止自动拉架。

3.4 现场应用成果

综采自动化系统的运用，生产班每班由原来的11人减少到目前7人，两班生产年节约人工成本2×4×25=200万元，减员提效，同时节约了生产成本。大柳塔煤矿52603综采工作面自动化自2019年投用以来，运行效果良好，实现了对厚煤层自动化开采的探索，发现了困难与不足，为其他矿井厚煤层自动化开采提供了宝贵的实践经验。