大南湖七号煤矿综采工作面智能化设计与实践

刘佳金

（中国煤矿机械装备有限责任公司装备研究院，北京 100011）

0.引言

《国家能源技术革命创新行动计划（2016-2030年）》（发改能源〔2016〕513号）明确提出了煤炭行业重点主攻方向，要求开发智能化工作面等技术，重点煤矿区基本实现工作面无人化[1]。随着人工智能技术发展和人口红利递减，要求煤矿高质量发展和转型升级，建设数字化矿山、智能矿山，推进煤矿“自动化、信息化、智能化”开采，实现高效益高质量发展已成为行业共识[2-3]。2021年6月5日，国家能源局发布《煤矿智能化建设指南（2021年版）》，对煤矿智能化建设提出了总体要求、明确了建设目标，给出了总体架构和建设技术路径[4-5]。

大南湖7号煤矿位于新疆哈密，矿井规模1200万吨，一期建设规模为600万吨，是中煤集团主力生产矿井之一，对其综采工作面进行智能化设计力求达到国内领先、国际先进水平，对保证矿井安全生产具有重要意义。

1.地质条件

矿井断层有15条，井田可采煤层18层，矿井前期主要开采3号、5号、6号和7号煤层。3号煤层煤层厚度为0.8m～4.38m，平均2.89m；7号煤层全区煤层厚度为0.51m～19.63m，平均10.37m；7号煤层首采一分区，布置6个工作面，工作面长度200m，走向长度2500m，开采年限约11年。一分区煤层一般厚度为9.81m～14.53m，平均12.13m。工作面倾角5°，俯仰采2°～3°。

煤层顶板为泥岩、粉砂质泥岩、粉砂岩、含碳泥岩、粉砂岩，底板为粗砂岩、泥质粉砂岩、细砂岩，各煤层顶底板多属于层状结构极软岩，煤层顶底板岩石极易软化甚至崩解，巷道易出现底鼓现象。煤层底板较软，遇水软化、底鼓，支架要充分考虑底板软对开采的影响。煤层顶板较为破碎，要考虑顶板防护。

2.设计总体目标

虽然该工作面整体为近水平工作面倾角5°，俯仰采2°～3°，但该工作面煤层顶底板多属于层状结构极软岩，煤层顶底板岩石极易软化甚至崩解，巷道易出现底鼓现象。煤层底板较软，遇水软化、底鼓，会对自动开采带来很多不利影响。因此需要保障设备整体运行的连续性，需要在开采过程中及时支护、调整，开采过程中宜连续推进，不宜在开采过程中进行往复调整。

鉴于该工作面所有设备均为新购设备，且需保证在采4m放8m的复杂环境下连续作业，因此该工作面定位为以高端耐用型设备为基础，以智能监控系统为手段，设计采用“以工作面前部自动化开采为主，人工干预为辅；后部以时间控制为核心的记忆放煤顺序放煤”的自动化生产模式；在开采环境下远程启停控制，提升整体掌控性和开机效率。开采过程中“煤机记忆截割、支架自动跟机支护和放煤，人员巡视调整、系统整体协同保护”，达到安全、高效、智能开采的目标。该设计以视频识别技术和人员主动防护技术为主要安全手段，简单实用，便于实施，能满足煤矿智能化建设要求，实现了安全、高效、智能、绿色开采。

3.智能化系统设计

3.1 系统结构

为实现上述目标，综采工作面智能化系统主要包含以下部分：集中控制系统、支架电液控制系统、采煤机监控系统、输送机监控系统、语音通信控制系统、皮带机监控系统、视频监测系统、供电系统、供液系统、人员精确定位系统、工作面自动调直系统、地面综合监控管理系统。上述系统的组成及相互关系如图1所示。

3.2 系统功能

3.2.1 井下集中控制系统

集中控制系统作为整套系统的大脑，能够实现对工作面全部系统信息的集成，进行集中监控，并能够与操作人员进行互动，实现对工作面及顺槽设备的协同控制、保护、预警等功能。集中控制系统包含的功能如下。

（1）能够在顺槽监控中心对工作面设备的集中监控。

（2）具有对采煤机工况监测与远程控制功能。

（3）具有对液压支架工况监测与远程控制功能。

（4）具有对工作面运输设备工况监测与远程自动化控制功能。

（5）具有对泵站系统设备工况监测与集中自动化控制功能。

（6）具有对皮带系统设备工况监控功能。

（7）具有对综采设备数据集成、处理功能。

（8）具有自动化系统故障自诊断功能（包括对采煤机、液压支架、三机、泵站、皮带控制的故障诊断）和故障类型显示、故障处理步骤提示、语音提示、管理等功能。

（9）具有组建工作面工业以太环网功能，在工作面实现数据的高速传输。

（10）具有工作面视频系统，实现对主要综采设备进行实时监控。

（11）具有对人员定位信息实时显示和防碰撞控制功能。

（12）具有对工作面直线度进行监测和系统控制功能。

（13）具有工作面LED照明系统，对视频系统采集工作面视频提供良好的光照条件。

（14）集中控制系统具有主机热备功能，当某台主机发生故障时，备用主机能无延迟接替，不影响对各子系统的监视和控制。

（15）具有井上下数据传输功能接口，可提供第三方系统数据接口。

（16）具有工况数据实时存储功能。

（17）具有与地面监控分析系统在线双向通信功能，当地面监控分析系统通过大数据分析技术诊断并发出任何警告或风险提示信息时，会将相关预警下发给集控系统，集控系统可根据信息进行相应的保护控制。当综采工作面自动化控制系统出现故障时，各子系统自动停机保护，切换至就地控制，不受综采自动化系统控制，以保证在检修和自动化控制系统出现故障时，各子系统能单独运行，不影响生产。集中控制系统的网络建设架构如图2所示。

3.2.2 地面综合监控管理系统

地面综合监控管理系统能够实现工作面设备的地面监控、井上和工作面人员的直接对话、工作面全方位的视频监控、井下设备运行数据的远程访问和专家诊断等功能。该系统通过大数据分析技术实现了设备的在线诊断和健康管理。地面综合监控系统效果如图3所示。

（1）监测显示功能：地面集控系统通过煤矿井下环网与工作面集控系统进行实时数据交互，并将相关数据进行显示。显示的数据包括设备正常运行数据信息、设备设定参数、设备故障信息以及设备运行预警信息等。此外，地面监测系统接受远程访问，访问时只需在浏览器中输入特定的网址即可。

（2）地面远程控制功能：当井下集控中心开放控制权限的前提下，地面监控分析系统可实现对井下设备的远程控制，包括设备单功能的启停、顺序启停和地面一键启停。当地面远程监测系统与井下集控系统通信中断后，井下集控系统按自身逻辑进行保护控制。

（3）井上下语音通话对讲功能：在地面调度室安装多媒体调度系统之后，该系统将与井下的语音系统形成一个语音网络，可通过网络实现地面调度室与井下工作面的对讲和广播功能。能提高工作面的管理能效。

（4）大数据成套装备专家诊断功能：在地面建设大数据成套装备专家诊断系统服务器和应用软件后，便可实现对井下相关设备的全面监测。地面服务器将相关数据进行存储，同时采用自学习算法分析数据，并将分析出的预警信号反馈到工作面集控主机，进行实时预警，确保设备安全。此外，专家诊断系统还可对设备寿命进行数据统计分析，为后期设备维护提出指导方案。

（5）安全控制保护功能：地面调度指挥中心普通操作人员仅具有对综采工作面数据信息的查看权限。通过设置相应的安全机制，在取得相应授权的条件下，可在地面调度指挥中心对综采工作面设备实现一键启停功能。

3.3 系统特点

本系统采用成套装备，实现了各子系统之间的无缝连接，增强了系统的可靠性。具有以下特点：

（1）建设工作面监控中心，通过将综采工作面的采煤机、支架电液控制系统、工作面运输机控制系统、泵站控制系统及供电系统有机结合起来，实现高度集中自动化控制。

（2）系统主机硬件设备及操作系统均采用进口定制化产品，系统稳定性强、具有长期工作不死机的优点。

（3）系统数据采集模块与主机间均为定制化设计，同一品牌兼容性好，数据采集模块为插拔式设计，易更换、易维护。

（4）系统可根据用户要求对显示界面及逻辑保护功能进行定制化开发。

（5）系统模块性强，集中控制系统与各个子系统均为模块化设计，单一系统故障不影响其他系统的正常工作。

（6）设备集成度高，将相关配套的附属设备统一集成到主机壳体内，减少安装和维护量。

4.智能化工作面建设实践

根据以上智能化设计方案，在大南湖7号煤矿某工作面进行项目建设实施。经选型配置后，采煤机选用西安煤矿机械有限公司MG620/1660-WD型号。选用中煤张家口煤矿机械有限责任公司的前部刮板机SGZ1000/2000型，后部刮板机SGZ1200/2000型，转载机SZZ1350/700型号，破碎机PCM700型号，转载机自移装置ZY1100，皮带机自移机尾ZY2700。液压支架选用中煤北京煤矿机械有限责任公司的ZFY10000/23/45D液压支架中间架、液压支架排头架ZFP11000/24/36D、液压支架端头架ZT27000/23/40D、运输巷超前支架ZQL40500/23/40D、回风巷超前支架ZQL4X7500/23/40WD。供液系统选用浙江中煤机械科技有限公司的BRW500/31.5智能乳化液泵和BPW516/16喷雾泵。经过智能化建设，其工作面实现了工作面设备智能化运行为主、人工干预为辅的智能化开采模式。

5.结语

通过大南湖七号煤矿智能化建设实现了工作面采煤机记忆截割、支架跟机动作、时间记忆放煤、视频动态实时监控、人工远程干预、系统整体协同保护的智能化开采模式。大大改善煤矿信息化、自动化和智能化水平，实现井下少人无人作业，根本上实现矿山安全，也解决了矿山普遍面临招工难、用工难问题。提高生产效率和生产效益，防止和减少安全事故发生，提高企业经营管理水平和决策水平，实现煤矿高质量发展，增强企业可持续发展能力。