中厚煤层智能化综采工作面无人开采关键技术探究

魏东望

[摘    要]煤炭开采施工环境恶劣，风险隐患多，在生产的过程中兼顾安全和效益是煤炭企业研究的重要内容。随着现代技术的发展，越来越多的煤炭企业采用新技术实现了智能化生产管理模式，实现了煤炭生产安全，保障了生产效益。本文围绕中厚煤层智能化工作面无人开采系统及关键技术进行论述，旨在加快推動煤矿生产模式转型升级，实现综采工作面无人则安、少人则安的目标。

[关键词]综采工作面;智能化系统;自动化设备;监控

[中图分类号]TD822.1 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2020）12–00–03

[Abstract]The coal mining construction environment is bad， and there are many hidden risks. It is an important content of coal enterprise research to give consideration to safety and benefit in the process of production. With the development of modern technology， more and more coal enterprises adopt new technology to realize the intelligent production management mode， realize the safety of coal production and ensure the production efficiency. This paper discusses the unmanned mining system and key technologies of intelligent working face in medium thick coal seam， aiming to accelerate the transformation and upgrading of coal mine production mode， and realize the goal of safety in fully mechanized working face with no one and less people.

[Keywords]fully mechanized working face; intelligent system; automatic equipment; monitoring

陕西双龙煤业开发有限责任公司中厚煤层开采过程中采用了智能化工作面开采系统。系统主要包括单机设备层、集中控制层、地面层3个层次。单机设备层由各个子系统完成设备的独立控制，同时各个子系统提供通信接口，向综采自动化系统开放通信协议，实现系统对子系统在数据采集以及在方向控制方面的启停功能。集中控制层位于监控中心，能够对煤矿开采工作面的所有设备进行远程集中控制。地面层可以通过远程数据监控系统实时了解和掌握煤矿井下开采工作面设备的运行状况。

1 中厚煤层工作面开采智能化系统设计

工作面开采智能化系统包括以下组成部分：顺槽监控中心、采煤机控制系统、液压支架电液控制系统、三机设备数据监测子系统、转载与皮带自移控制系统、运顺与回风巷超前支架控制系统、语音通讯控制系统、组合开关监测系统、工作面智能集成供液控制系统、胶带输送机控制系统、工作面视频系统、工作面1 000 Mbps以太网系统、地面分控中心。

系统具备以下特点：①综采工作面监控中心能够将采煤机、支架电液控制系统、泵站控制系统、工作面运输机控制系统、供电系统多个系统有机结合起来，实现多个系统同时运作，并能够实现对单一或多个系统的集中自动化控制目的。②通过监控中心能够对采煤机和液压支架进行远程操控，减少人工，降低操作误差。③不同于普通的一机多系统模式，而是采用了三机集成模式，将控制、通信、监视集成为一体，提高了开采智能化系统的运作效率。④采用主干线的方式，将工作面设备运行数据、控制、通讯、食品监控等进行集成，有效简化了工作面布置，节省工作面空间，降低投入成本。⑤开采智能化系统采用本安化设计，防护等级为IP67，确保了智能化系统运行可靠性。⑥系统设备模块之间采用快速插接方式，简化了安装施工流程，便于设备维护。⑦各个子系统之间能够无缝衔接，提升了系统运行可靠性。⑧采煤机和液压支架采用了远程控制方式，控制延时在500 ms以内，提高了信息传输效率，使工作面开采智能化系统时效性得到保障。

2 智能化控制系统关键技术

2.1 支架电液控制技术

工作面长度：235.5m（巷道中心距）;走向长度1 450m;运输顺槽尺寸：矩形断面5 000 mm（宽）×2 900 mm（高）;回风顺槽尺寸：矩形断面5 000 mm（宽）×2 900 mm（高）;工作面倾角：小于5°;监控中心尺寸：4 500 mm×1 400 mm ×1 800 mm刮板运输机：SGZ764/800刮板运输机，每节1750 mm;采煤机：MG300/730-AWD2型电牵引采煤机;液压支架：ZY7600/14/33D;超前支架：回风顺槽ZQL2×4000/18/35;运输顺槽ZQH2×3400/24/34;配套支架：ZY7600/14/33D，139架。

支架电液控制技术主要通过功能出口电液控换向阀来实现，系统中具有中文菜单操作功能，工作人员很容易掌握使用方法;液压支架带有自动操作功能，可以对邻架进行电动控制，也可以通过电磁阀按组来进行手动操作;系统具备红外线发射和接受功能，通过红外线发射和接受可以对工作面采煤机进行联动自动控制;支架电液控制系统能够监测立柱的工作压力、监测千斤顶行动进程、监测采煤机的位置和运动方向，监测到的信息显示在控制主机显示屏上，可进行存储或传输，当地面调度中心接收到监控信息后可以根据工作面工况发出指令;支架电液系统具有故障诊断功能、紧急状况警报功能，在突发状况下可进行急停或本架闭锁，同时将故障或紧急信息显示在显示屏上，便于工作人员进行手动操作，及时根据工况调整设备参数;支架设置有自动喷雾装置，喷雾装置启闭和调节由电液独立控制;系统对初撑力能够自动保持，同时还可以根据实际情况调节补偿初撑力大小和补压次数;支架电液控制系统中含有数据传输单元，能够将综采设备的信息上传到地面并在井下和井上计算机上显示，数据接入到煤矿自动化系统;支架电液控制系统每台设备的顶梁配备两个倾角传感器，对支架顶梁姿态进行控制，保证放煤支架姿态良好，能够对工作面走向倾角和方向倾角进行测量;电液控制系统具有防碰撞功能，避免了采煤机和支架相互碰撞。

2.2 工作面运输控制技术

智能化系统能够对工作面转载机、刮板运输机、破碎机进行起停状态控制，系统中设有控制器，工作人员可以通过显示屏观察到上述设备启停状态的信息;系统能够显示工作面运输设备的运行状态、沿线电话状态、沿线电缆状态、传感器状态、控制器的自检信息、各监测点的输入数值、其他连锁设备运行状态等信息;系统采用了强制闭锁技术，当按下闭锁后能够强制切断控制输出，由于采用非软件控制的方式，同时设置人工闭锁装置，因此可以最大限度地保证信息安全;闭锁位置采用汉字和动态图形的方式进行显示，工作人员可以很方便直观地看到信息;沿线电话采用扩音式，声强超过105 dB，同时电话带有电池，停电后仍可进行至少4 h的正常通话，确保工作面通讯可靠、顺畅;系统设置有报警装置和扬声器，能够对工作面运输设备的起停、设备运行状态、沿线闭锁故障等情况进行语言报警;工作面运输控制系统可以进行参数调整设置，同时可以选择集控、就地、检修、点动等控制方式，满足工作面运输作业需求;控制器具有远程控制接口，提供一路电缆接入接口，通过RS485接口连接，工作人员可根据实际情况对数据位进行选择，可以选择校验、停止，可对站地址进行设置，有效接收上位机发出的控制指令，实现对运输、破损设备的远程启停控制。

2.3 顺槽皮带控制技术

系统中的综合保护模块中含有防止纵向撕带监测装置、胶带防跑偏装置、堆煤保护装置;还含有温度监测保护装置，能够对皮带绕组和其他主要运转部件的温度进行监测;含有烟雾检测装置、烟雾警报装置、皮带打滑监测装置、胶带沿线急停保护装置、超温自动洒水装置，沿线急停开关具有通话功能，工作人员可以通过沿线拉力电缆使急停开关动作实现胶带机的急停闭锁。系统中的通讯控制模块具有中文显示功能，通过控制系统可以对顺槽皮带等运输设备进行集控、单控、闭锁、手动控制功能的切换。此外，皮带控制系统能够通过电缆与工作面通信控制系统进行通信，将皮带控制系统相关信息，包括沿线保护状态、故障状态、温度参数等信息通过通信接口传输至工作面运输设备控制系统，然后工作面运输设备控制系统再将皮带控制信息传输至综采自动化系统。控制器具有远程控制接口，提供一路电缆接入接口，工作人员可根据实际情况对数据位进行选择，可以选择校验、停止，可对站地址进行设置。

2.4 智能集成供液技术

泵站控制系统可以通过远程控制接口与综采自动化控制系统进行通信，工作人员可根据实际情况对数据位进行选择，可以选择校验、停止，可对站地址进行设置。通过综采自动化控制系统传输给泵站控制系统的指令，可以对单台泵站运行状况进行控制，还可以对泵站实现闭锁;对多台泵站的联动运行状况进行远程控制，对多台泵站实现闭锁;系统能够对泵站设备系统进行数据采集，具体包括乳化液泵站及喷雾泵站的油位、压力、缺陷故障保护情况、配液情况、泵组油温、泵组油壓、泵组液位等参数信息，并能够将上述采集到的信息传输给综采自动化系统。

2.5 采煤机跟机自动化技术

工作人员可以在地面调度中心或者顺槽监控中心对井下设备进行启停或其他干预操作;可以在地面调度中心或顺槽监控中心对井下设备的运行工况进行监测和远程自动控制;能够对综采工作面设备数据进行集成和处理，同时具有对设备的自动故障诊断功能，当发现设备存在缺陷或异常时，系统通过显示屏或者语音播报装置进行提示，便于工作人员及时处理解决;能够对皮带自移系统以及对两顺槽超前支架电控、就地遥控及远程控制;连接工业以太网，在运行过程中实现视频信息与文字数据信息的高速传输;具有采煤机与支架的防碰撞功能、支架顶梁姿态监测功能;各个子系统与综采工作面自动化控制系统之间可独立运行，当综采工作面自动化控制系统出现异常时，子系统不受影响，可以单独开车，保障生产效率。

2.6 采煤机记忆截割技术

采煤机记忆割煤技术可以对采煤机实施自动启闭。当刮板输运机实际负荷超出限定值时，自动化控制系统能够对采煤机实施自动闭锁控制，实现采煤机急停闭锁。

3 智能化开采产量保障措施

3.1 从管理方面进行保障

智能化开采系统的操作和维护应配备专业技术人员，并由专业技术人员向所有操作使用人员进行操作技术培训指导，并告知操作使用的注意事项。系统设置密码授权模式，由专门制定的专业操作人员掌握，并不得泄露给其他人员。非专业人员不得擅自修改系统原有的参数。

3.2 从操作方面进行保障

系统运行时，所有操作人员必须保持精力集中，对系统监控画面保持密切监控，不能疏忽大意。为了防治工作面设备误动作从而造成人身安全威胁或者造成设备故障，应密切注意工作面状况。如果发现系统发出警报，应立即根据系统提示了解故障原因，采取措施直到警报解除，认真做好报警处理信息记录。

3.3 从维护维修方面进行保障

智能化系统的维护维修采用专人维护，结合系统运行状况制定合理的检查和维护计划，定期开展专业检查，及时对发现的异常问题处理和解决。对一些重要的电气元部件，应严格按照《煤矿安全规程》中的相关管理规定中的内容进行管理和维护。如果需要对系统的零部件进行更换，只允许更换原供货商提供的零部件。

3.4 从人才培养方面进行保障

随着综采工艺技术的升级，现有人员的知识结构无法满足新工艺新技术的要求。为此，加强对人员队伍的知识技术培训，采取理论知识教授和事件操作指导相结合的方式，培训后进行考核，通过考核方能上岗，确保人员队伍素质水平与综采智能化工艺需求相匹配。

4 结束语

综上所述，中厚煤层工作面开采智能化系统的应用集合了综合应用控制技术、无线技术、视频音频技术、以太网技术、通信技术、液压技术等多种技术。因多种技术的集成使煤矿井下生产过程进入到了记忆割煤为主，人工远程干预为辅的现代化高效开采模式。借助液压支架自动化技术实现了采煤机自动控制，减少人工劳动量，提高了采煤效率。通过对综采设备智能化感知，借助现场视频监控系统，实现了对综采工作面设备现场控制和远程干预相结合的生产模式，实现了综采工作面无人则安、少人则安的目标，大大提升生产安全和开采效益。

参考文献

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