煤矿综采工作面智能化升级改造设计

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

智能化是煤炭企业转型发展过程中的必然趋势，是世界煤炭技术革命的新方向，也是今后一个时期国家煤炭科技发展的主要支撑领域[1-3]。随着智能技术的不断发展，通过运用各种感知、网络、通信、集成等技术，提升开采装备的自动化和智能化水平，矿井的生产和组织方式将会向“安全、高效、绿色、智能”的方向发展，逐步实现矿井“少人则安、无人则安”安全发展的现实需要，同时也是提高劳动生产率、增加经济效益的有效途径，更是实现煤炭产业高质量发展的必然选择和提升核心竞争力的根本保证[4-5]。

本次拟对中煤集团某煤矿回采工作面进行智能化升级改造设计，力求达到国内领先、国际先进水平。

1 地质条件

该煤矿回采工作面煤层厚度0.7～4.2m，平均3.6m。平均属于厚煤层，煤层倾角2°～6°，平均4°。煤层顶底板有一定起伏，工作面机巷侧局部存在煤层变薄区域，煤层结构简单，煤体结构为原生结构。机巷巷道中宽3.8m，中高2.88m，巷道净断面10.63m2。副巷巷道上宽2.6m，下宽4.95m，净高2.65m，巷道净断面10.0m2。工作面长150m，走向长度1000m。

2 方案目标

2.1 升级改造目标

根据省级监管部门相关要求，该煤矿建设智能化综采工作面主要以低投入且现场较实用、通过初级验收为建设目标。主要设备选型以技术先进、性能可靠为前提，同时兼顾设备间的相互配套，保证运输系统流畅，以期达到采运平衡，最大限度地发挥综采设备优势。

2.2 升级改造内容

设备升级改造内容主要包括以下方面：

(1)对原有采煤机系统电控系统进行升级改造，使之满足智能化开采要求。

(2)支架纯手动控制液压系统改为电液控制系统，同时优化支架控制工艺。

(3)前部刮板输送机新增三机电液监测系统，实现对三机设备运行工况的监测和控制。

(4)新采购全新泵站供液系统，以实现泵站系统集中控制和随动控制。

(5)增加视频监控及工作面环网系统，对工作面设备的运行状态及工作面环境进行可视化监控，视频系统具备动态自动跟机监测功能。

(6)新增工作面人员精确定位系统，以实现工作面人员精确定位。

(7)新增集控系统，实现工作面及顺槽系统融合和集成功能，对采煤机、运输三机、液压支架、视频、供电系统、供液系统、皮带运输系统、工作面人员精确定位系统等多项系统及设备进行远程统一监测、协同控制、协同保护，并可将全部数据打包上传或提供给第三方系统。

(8)新增地面监测及调度展示系统，实现在地面调度室对工作面设备的全自动顺序启停控制，并可查看设备的运行状态。

3 智能化系统设计

为实现上述目标，该系统由井下智能集中控制系统和地面智能化综合监控管理系统组成，其工作面整体架构如图1所示。

3.1 智能集中控制系统

综采工作面智能集中控制系统主要负责与各个子系统之间的通信、数据采集、数据分析以及智能化控制，是整套工作面自动化控制系统的核心，是实现在工作面顺槽监控中心对综采设备进行智能化控制，确保各设备间协调、连续、高效、安全运行，实现工作面少人化、无人化的关键。

3.2 智能集中控制系统结构

集中控制系统与各个子系统之间采用光纤、Modbus、CANBUS、Profibus、OPC、无线等通信方式进行连接。通过通信数据交互实现与各个子系统之间的远程监测和控制，具体连接方式如图2所示。

3.3 集中控制系统监测功能

集中控制系统的监测画面由主界面和各个系统的子界面组成。主界面对系统核心的运行参数进行监控，对三机的运行状态和信息能够直观地监测，便于操作人员及时掌握相关工况信息，进行控制。具体的监测信息包括集中控制系统与工作面设备间的通信状态显示。采煤机运行状态信息、采高及工艺信息；刮板运输机的运行状态信息、工作负荷信息；支架的压力及推移行程等相关信息；能够将工作面语音系统状态显示，包括电话闭锁状态显示、急停状态显示和断路位置显示(断路的具体架号)。各个子系统的就绪状态信息；工作面产量信息、采高信息；设备运行的故障信息等相关参数。

此外在集中控制系统的主界面中还能够显示工作面设备与监控中心各主控计算机的通信状态显示。集中控制系统在实现上述界面的监测功能外还能够实现对各子系统设备重要运行参数历史数据存储功能，能以历史曲线和数据列表方式查询；具有历史故障查询功能，对所有可能出现故障的地方进行记录。管理员权限的人员还可在监控中心进行工作面视频显示，可对视频进行管理、查询、存储。

3.4 地面监测及调度展示系统功能

3.4.1 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。

3.4.2 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，综合监控管理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。

3.4.3 视频监视画面显示功能

地面视频处理系统将井下发送上来的数据解压并可跟现有矿井使用的视频监控系统相兼容，同时实现视频信息归类和存储录像、录像反调等功能，该系统具备整个工作面视频录像的处理容量，可供一个工作面加部分其他监控摄像机的图像处理。

远程视频访问系统是基于网络视频的系统，该系统可将视频信息以局域网、工业环网、以太网等模式发送到个人电脑、办公电脑、工业服务器等客户端查看；且该系统具备手机WAP访问功能，可在智能手机上安装手机客户端软件，从而支持手机上网的用户实现登录查看视频图像。

3.4.4 安全控制保护功能

(1)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；

(2)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起停功能。

3.5 数据远程发布功能

数据发布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运行状态、正常运行的实时数据信息、设备设定参数、设备预警信息和故障信息等。

数据发布系统以移动终端设备如手机、平板电脑为基础，实现通过APP发布生产数据，同时也可用台式机或笔记本电脑进行WEB访问。该系统应允许授权过的终端进行访问，便于煤矿的生产管理。

结语

本建设方案以省级地方标准为主，综合考虑煤矿基本地质条件、现有设备人员、开采方式、生产接续及资金预算情况，以满足地方政府基本建设验收要求为标准。实现以“采煤机记忆截割、支架自动跟机动作、键盘遥控放煤、三机顺序启停、视频实时监测监控”的智能化开采模式，达到地面一键启停控制的远程监测监控应用和展示、示范的目标。