智能化采煤工作面在赵楼煤矿的应用与实践

2022-06-19张培亭孙建华刘敬斌

科技创新导报 2022年3期

张培亭孙建华刘敬斌

摘要：赵楼煤矿位于巨野煤田中部，为山东省境内冲击地压矿井之一。为响应国家冲击地压矿井“少人则安，无人则安”的号召，建设成为智能化矿井，该矿本着循序渐进、分步推进的原则，2019年在7301综放工作面试点进行智能化改造工作，最终实现了工作面支架自动跟机、记忆截割、自动放煤、自动割三角煤等工序，将其建设成安全、高效的智能化采煤工作面。

关键词：综放工作面智能化安全高效应用实践

7301综放工作面是赵楼煤矿七采区首采工作面，面长230m，推进长度1407m，储量343万吨，工作面开采煤层为山西组3煤，平均厚度7.8m，煤层倾角平均3.5°，地质条件相对简单，属于冲击地压工作面。该工作面为进行智能化改造，需要装配全套智能化控制系统，包括支架电液控系统、采煤机记忆截割系统、三机远程控制系统、工作面视频监控系统、智能泵站供液系统、井下集控中心和地面集控中心等几个部分。

1 智能化改造内容

7301工作面智能化系统是一套完整的工作面自动化解决方案，系统将各个独立的子系统集成，通过工业视频监控、无线环网通信、电液控制、惯导导航等多种技术的应用，实现工作面集控中心对设备的整体集中自动化监控，确保工作面各设备协调、连续、高效、安全运行[1]。工作面智能化系统主要包含电液控系统、三机通讯系统、采煤机控制系统、泵站控制系统和工作面监控中心等5个子系统。

1.1 硬件安装

首先为液压支架安装电液控系统，支架配备控制器、液压主阀、压力传感器、红外发射器、电液换向阀和带行程传感器的千斤顶等一系列电液控设备，以实现无线遥控操作和自动跟机移架[2]。为采煤机安装惯性导航系统及高精度传感器，实现采煤机记忆截割和运行速度智能化控制。工作面三机及皮带机安装智能煤流运输系统，配备控制器、本安电源、组合扩音电话、通讯拉力电缆、智能终端和监控摄像头等智能化设备，实现转载点可视监控、三机远程操作和煤量智能化控制功能[3]。配置远程供液、智能泵站控制系统，实现乳化液自动配比、液箱自动补液和流量智能化控制功能[4]。配备运输巷道、工作面高清视频监控中心，实现转载点远程视频监控功能。

1.2 電液控系统融合

由于首次进行试点，7301工作面安装了两套电液控系统，安装完成后为实现无缝对接，主要采取互发红外位置的方式来进行测试和融合，然后再进行自动跟机程序的调试[5]。

1.3 工作面中部跟机程序调试

电液控系统融合、采煤机位置稳定之后，开始调试采煤工作面中间段自动化参数程序，并全面观察，发现问题予以解决排除，例如，放煤和自动推溜的连续性对接不断持续改进，在顶板条件允许的情况下基本可以保证常态的全面自动化使用[6]。

1.4 端头自动割三角煤调试

重点调试端头割三角煤自动跟机和采煤机记忆截割，通过研讨确定了割三角煤支架自动跟机的7个工序段和采煤机记忆截割的23个工序段，并据此编写程序，现场予以实施[7]。

1.5 全面自动跟机常态化运行

自动割三角煤程序和采煤机记忆截割运行稳定，实现了常态化使用，自动跟机率和记忆截割率均达到95%以上。

2采煤工作面智能化系统的主要组成部分及应用

2.1液压支架及超前支架电液控制系统

电液控制系统重点是控制工作面液压支架及超前支架，并且可以充当传输数据的工作面平台。智能电液控制系统实施以太网场地总线控制模式，跟以往的CAN总线控制模式相比来讲[8]，其显著提升了执行水平和传输数据速率，拓展了控制范围。结合工控平台控制，电液系统可以实时调整和优化全部、局部工作面范围的液压支架的工作情况，确保支架成组或单架动作的高效精准完成，确保自适应控制液压支架。其中，供电系统、传感器、上位机、液压主阀、控制器等5个组成部分构成了液压支架以及超前支架电液控制系统[9]。液压主阀连接了传感器和控制器，视频摄像头和LED照明等连接在控制器下，结合标准型电缆连接控制器，以使电液控制系统形成，且结合交换机向工控平台接入。该系统应用了以分层技术在相同界面上统一呈现液压支架的工作情况和数据分析报告[10]。此控制系统具备的作用有预警、采煤路径规划设计、无线遥控、呈现支架工作情况、急停闭锁、支架运行管理等。其中，直观呈现支架护帮板情况、采煤机推移位置和轨迹行程、煤机方向和位置、支架立柱压力等是支架运行状态显示功能的作用;结合对隔架或邻近支架的组合及单组动作进行控制，并且进行跟机自动化操作，确保自动截割三角煤，这是支架运行控制功能的作用;结合无线遥控质量对工作面超前支架或支架的推进情况进行远程指导，以使智能化的工作面支护工艺实现，这是无线遥控功能的作用;根据突发情况有效地控制设备的运行情况是急停闭锁功能的作用，即在突发情况存在于工作面的时候，结合对急停按钮的控制，暂停设备运行，保障工作面设备和人员的安全性;结合工控平台的智能化控制功能建构路径运行规划，确保智能化控制采煤机，这是采煤机路径设计规划功能的作用[11];结合工控平台矿压规划指令的接收可以很好地探究工作面顶板周期来压的强度及初期来压的周期等，进而预测下次顶板来压的状态，从而更好地预防事故的形成，这是矿压分析与预警功能的作用。

2.2三机控制系统

验证煤矿高效安全生产及智能化工作面建设指标的是工作面设备的“三直两平”。三机控制系统的基础是采煤机的精准定位，其结合工控平台处理和分析数据的功能、图像识别技术、行程传感器等生成刮板运输机的轨迹曲线，且以此为前提条件及时调整工作面液压支架的部位，确保采煤机、刮板运输机、液压支架的平直12]。并且，三机控制系统可以结合工控平台对工作面端头的视频数据进行分析处理，以及很好地识别和处理大块煤体，防范损坏转载机。三机控制系统的组成部分是工控平台、数据交换机、就地控制箱。其中，三机就地控制箱可以结合工作面传输数据的平台连接工控平台，从而实时传输或交换数据。5ACDBFB3-5564-42F5-BC02-264395F5F732

2.3采煤机控制系统

作为智能化采煤工作面的关键组成部分，采煤机控制系统也属于高效回采煤炭资源的中心环节。采煤机控制系统的两大组成部分是工控平台和就地控制，其功能是环境和综采联动、安全防护、采煤路径规划等。采煤机应用双向传输的方式传输数据，不但能够结合本身具备的数据线交换数据，而且可以通过工作面传输数据的平台接收与传输数据，其环境适应能力和抗干扰性非常强。采煤机控制系统的主要组成部分是数据交换机、工控平台、上位机[13]。在顺槽控制室当中安装了控制系统，经由交换机跟工控平台连接着采煤机，结合工作面传输数据的平台向工控平台接入生产数据，以使双向传输数据的通信作用实现。总之，采煤机控制系统旨在控制和规划采煤机路径。当今，针对赋存构造不存在显著改变和巷道顶底板稳定的条件下，智能化采煤工作面应用记忆截割方式业已实现了相应的效果，然而，针对工作面存在较大改变和结构复杂的巷道顶底板条件，智能化工作面采煤生产依旧面临相应的缺陷。为了完善这种不足之处、确保采煤生产的稳定进行，采煤机智能控制系统结合工控平台可以分析和处理数据，从而有效规划采煤机下六刀的路径，并且结合顺槽控制室采煤机上位机将工作面高度修正值输入这种手段，确保取得有关的工作面地质结构截割曲线，从而智能化、高效化截割煤层。跟以往的采煤机记忆截割工艺技术相比，此系统显著提升了适应性与精确度。

2.4工作面视频控制系统

作为智能化采煤工作面的“眼睛”，工作面视频控制系统担负着记录和监控工作面整体的任务。工作面视频监控系统结合工控平台分析、识别视频图像信息，可以明确工作面顶板赋存、巷道围岩、工作面煤壁等现状，并且可以实时追踪工作面液压支架底座前面部位、刮板运输机、液压支架内护帮板。根据视频分析结论，能够适度调整和优化三机的部位，保障设备平直度，实现巷道、工作面支护强度和质量的提升。总之，工作面视频控制系统重点主要实现监测工作面设备运行情况、视频跟机自动切换、追踪井下定位人员、通过红外补光生成高清晰度矿井生产现场视频资料，并通过对视频数据的有效分析，生成对工作面智能化控制指令等功能。

3 实现的功能及取得的成效

3.1 实现的功能

经过调试，7301智能化主要实现了以下功能。

液压支架采用ZF17000/22/42型高阻力放顶煤支架，配套电液控系统和压力、行程、红外、声光报警等各类传感器，能够对支架姿态进行自主感知、自动控制。目前，工作面支架全部实现了自动跟机，自动跟机率保持在90%以上。

采煤机采用MG900/2395-WD型大功率采煤机，配备记忆截割组件和惯导系统，具备就地/远程控制、自主定位、采高精确控制功能。现已实现工作面生产全程记忆截割，记忆截割率保持在90%以上。

运输皮带采用DSJ140/260/4×500型胶带输送机，配备变频驱动和自动张紧装置，实现了驱动工况监测、自动调速、自动张紧。同时，转载机身和溜煤眼上口各安装一台破碎机，实现了大块煤矸的分级破碎。皮带机头和转载机头通过设置可视化监控，取消了岗点司机，实现了工作面强冲击危险区域无人作业，大幅提升了矿井安全生产水平。

泵站采用BRW630/37.5型乳化液泵和BPW500/16型喷雾泵，配备智能流量控制系统、净化水装置、乳化液自动配比装置、高压反冲洗过滤器和蓄能器，具备多泵联机启停、恒压供液、乳化液自动配比、状态监测、液位显示、自动反冲洗和流量自动控制等功能，实现了远程集中控制、无人值守。

工作面和地面分别配备一套集控中心，能够对工作面各设备、各系统的数据进行汇集、处理、显示和控制，现已实现工作面各设备的远程/就地和远程控制，煤机、支架、三机协同控制和流程启停。

3.2 取得的成效

目前，7301智能化采煤工作面每班生产人员只需7人，与传统开采相比减少9人，降幅达56%;同时通过转载点视频监控，取消了转载机司机，实现了工作面强冲击危险区域无人作业，大幅提升了矿井安全生产水平。

智能化控制系统的成功应用，克服了高温、高湿、强腐蚀性水质等恶劣环境的影响，检验了智能化设备的可靠性，验证了智能化系统在千米埋深复杂地质条件冲击地压矿井应用的可行性。

4 结语

实践证明，通过采煤工作面智能化改造，可以达到减人增效的效果，符合“人少则安”的指导思想，同时，智能化建设需从自动化调试转变到自动化常态化使用上来，不能昙花一现，这是个任重道远的任务，需要及时暴露和发现存在的问题，持续改进、不断进步。

参考文献

[1] 王国法，庞义辉，任怀伟.煤矿智能化开采模式与技术路径[J].采矿与岩层控制工程学报，2020（1）：1-15.

[2] 王国法，刘峰，庞义辉，等.煤矿智能化——煤炭工业高质量发展的核心技术支撑[J].煤炭学报，2019（2）：349-357.

[3] 刘峰，曹文君，张建明.持续推进煤矿智能化促进我国煤炭工業高质量发展[J].中国煤炭，2019（12）：32-36.

[4] 王国法，杜毅博.智慧煤矿与智能化开采技术的发展方向[J].煤炭科学技术，2019（1）：1-10.