大倾角放顶煤智能化工作面建设方案与分析

2021-02-25禹明哲

能源与环保 2021年2期

禹明哲

(鹤壁煤业集团有限责任公司，河南鹤壁 458030)

近年来，从国家到省级层面都在大力倡导推进智能化建设，国家《安全生产“十三五”规划》中，明确要求在矿山领域实施“机械化换人、自动化减人”[1-2]，国家煤监局召开的全国性会议上，多次强调要积极推进煤矿智能化建设[3-4]。

河南省工业和信息化厅2019年下发了《河南省煤矿智能化建设实施方案(2019—2021年)》[5]，对加快推进全省煤矿智能化建设提出了明确要求，布置了主要任务，制定了建设标准。总体目标是到2021年底，全省年产60万t以上煤矿基本完成智能化升级改造，各生产系统基本实现自动化控制、可视化操作，实现生产自动化、管理信息化、决策智能化；年产60万t以下的煤矿淘汰炮采工艺，全面实现机械化生产[6]。

2019年6月18日、7月23日，河南省政府2次召开煤矿智能化建设专题会，刘伟副省长就此项工作做了安排部署；8月8日，河南能源化工集团组织召开了煤矿智能化建设专题会，会议传达了河南省煤矿智能化建设有关精神和政策，对集团公司煤矿智能化建设提出了具体要求和明确部署；8月14日，河南省工业和信息化厅又在郑州组织省内各煤业公司召开了加快推进煤矿智能化建设工作座谈会，对全省下一步工作计划和要求做了详细部署。

不难看出，河南省在强力推进煤矿智能化建设工作上的坚定决心和信心，按照政策导向，到2021年底，产能90万t/a及以上矿井如果未实现自动化或智能化工作面开采，下一步只能面临政策性退出关闭。因此，智能化工作面建设已经是“时不我待”，必须在理念上认识到位，在战略上高度重视，坚信智能化是煤矿发展的必由之路，要坚定不移、积极地向前推进。

1 煤矿智能化建设现状、规划及目标

1.1 煤矿智能化建设现状

目前，鹤煤公司所属7对正常生产矿井的生产能力分别为：鹤煤三矿生产能力135万t/a，鹤煤六矿生产能力130万t/a、中泰矿业生产能力150万t/a、党家河矿生产能力150万t/a、苏家沟矿生产能力150万t/a、鹤煤八矿生产能力81万t/a、鹤煤九矿生产能力60万t/a，均在煤矿智能化建设范围内。限于地质构造复杂、煤层厚度变化大、煤层倾角大(普遍在20°以上，最高可达30°)、采煤机煤岩识别困难、大倾角设备防倒防滑、顶煤回收及松软煤层顶板控制等技术难题及资金限制，目前，各矿还没有完整的智能化采掘工作面投入运行，仅在党家河矿110工作面安装了一套电液控系统，已实现液压支架电液自动化控制。

1.2 煤矿智能化建设规划

按照河南省委省政府和集团公司对煤矿智能化建设有关要求，鹤煤公司制定了智能化采煤工作面建设三年规划，编制了鹤煤公司煤矿智能化建设方案。其中，2020年建设智能化采煤工作面4个(鹤煤三矿4101工作面、鹤煤六矿2125工作面、鹤煤八矿3105工作面、党家河矿202工作面)，总投资约18 250万元。

鹤壁矿区煤层赋存特殊，地质结构较为复杂，煤层倾角普遍在20°以上，最高可达30°，在25°以上大倾角放顶煤采煤工作面实施智能化建设，在国内尚无先例，存在较高的技术难度。

1.3 煤矿智能化建设目标

通过采煤机智能控制、液压支架自动跟机、智能记忆放煤、可视化远程监控等系统，在采煤生产过程中实现前部采煤以记忆截割为主，人工远程干预为辅；后部放煤以自动记忆放煤为主，人工就近干预为辅；支架前部以跟随采煤机自动动作为主，人工干预为辅；成套综采设备以集中自动化控制为主，就地控制为辅；以数据监测为主，视频监控为辅；即“以工作面自动控制为主，远程干预控制为辅”的自动化生产模式；实现“智能化作业，有人巡视”，达到工作面少人安全高效开采[7-9]。

2 智能化工作面建设方案

2.1 设备配置

综放智能化工作面设备主要包括采煤机、液压支架、过渡支架、端头支架、转载机、破碎机、前后部输送机、配电系统、净化水装置、电缆单轨吊、乳化液保障系统，具体型号、数量见表1。

表1 综放智能化工作面设备配置Tab.1 Equipment configuration of fully-mechanized caving intelligent working face

2.2 综放工作面智能化控制系统

综采工作面智能化控制系统是一套完整的工作面自动化解决方案，系统将多种技术(如控制、以太网、无线、视频、通信、液压等)应用于综采工作面，实现在工作面巷道监控中心对综采设备进行集中自动化控制，确保各设备协调、连续、高效、安全运行，将工人从工作面解放出来，实现工作面少人化。

采煤机通过记忆割煤功能行走割煤；并通过采煤机上安装的红外发射器和液压支架立柱上安装的红外接收器，识别采煤机当前位置；采煤机割煤后，控制系统通过电磁阀控制液压支架走架走架、推刮板输送机、放煤。其中，液压支架拉架、推刮板输送机通过位移传感器控制行程，升降、后插板放煤等动作均通过提前定量好的动作时间控制行程。其余设备如刮板输送机、转载机、破碎机、胶带机均由自动控制系统实现状态监测和启停控制[10]。

系统主要由3部分组成，分别是工作面部分、巷道监控中心、地面部分。综采智能化控制系统结构如图1所示。

图1 综采智能化控制系统结构Fig.1 Structure of intelligent control system for fully-mechanized mining

2.3 液压支架电液控制系统

通过在液压支架安装电液控系统，实现具备双向邻架或隔架单动作、双向邻架自动顺序动作、双向成组自动控制、初撑力自动保持及带压移架、设备信息数据上传及存储功能。系统具备声音报警、急停、本架闭锁及故障自诊断显示功能，并能方便地进行人工手动操作。工作面电控系统包括单个支架控制单元系统及将所有支架上的单元系统通过必要的共用或附加设备联接起来的控制网络，实现对液压支架动作的控制和状态的监测。电液控单架配置如图2所示。

图2 电液控制系统单架配置Fig.2 Single frame configuration of electro-hydraulic control system

2.4 工作面视频系统

每6架支架安装1台云台摄像仪，用于三机状态监控，视频系统通过通信获取采煤机运行位置和方向，实现在视频显示器上跟随采煤机自动切换视频画面。监控中心安装1台云台摄像仪，实现地面调度中心对监控中心的监测，每3个支架配备1台矿用隔爆巷道灯，安装于支架的顶梁上。在刮板输送机机头和机尾、转载点、胶带机头处各安装1台矿用本质安全型摄像仪，进行实时监控。

2.5 巷道集控中心

监控中心主要用于集中安放自动化控制系统项目的相关设备，在巷道列车上打造一个“井下中控室”。操作者只需坐在监控中心即可通过显示器观察到工作面各设备运行工况，并可通过语音通信进行调度、联络，通过操作台远程操控工作面各设备，系统还具备故障诊断报警功能。

2.6 工作面原煤破碎运输集中控制系统

工作面语音通信系统和巷道胶带系统具备数据传输功能，综采自动化与此2套系统进行通信，实现对工作面“三机”、巷道胶带机的状态监测及集中控制功能。

该系统实现了对前后刮板输送机、转载机、破碎机及带式输送机的单设备远程启停控制及顺序远程启停控制。启动顺序：带式输送机→破碎机→转载机→前后刮板输送机；停止顺序：前后刮板输运机→转载机→破碎机→带式输送机，具体如图3所示。

图3 破碎机、转载机、刮板机、带式输送机集中控制Fig.3 Centralized control diagram of crusher，transfer machine，plate scraper and belt conveyor

2.7 乳化液保障系统

通过安装乳化液泵站、乳化液自动配比系统、远距离供液管路，通过与巷道集控中心数据通信，实现乳化液泵站的远程控制、状态监测、自动供液功能。

泵站集中控制系统具有泵站出口压力、泵站油温、泵站油位状态、泵站电磁阀动作情况、液箱液位、乳化油油箱油位检测功能，实现对泵站的单设备启停控制以及多台泵站的联动控制。

2.8 地面监控中心

采用以太网实现综采设备数据上传，通过矿井自动化网络，将综采设备的数据传到井上，实现地面调度指挥中心对综采设备的监测、显示；实现综采设备(液压支架、采煤机、刮板输送机、转载机、破碎机、负荷开关、泵站)数据的集成，在地面调度中心对综采设备的远程监测、显示。实现“三机”联动，巷道胶带集中控制，地面“一键启动”，智能化操作。地面监控中心系统组成如图4所示。