武甲矿智能掘进工作面初步设计及效益分析

吕泽波

（山西阳城阳泰集团晶鑫煤业股份有限公司， 山西 晋城 048105）

0 引言

掘进工程是煤矿井下主要的生产系统之一，我国每年需要掘进大量的巷道来保证综采工作面的顺利回采[1-3]。随着科学技术的不断发展，以智能化为标志的掘进技术已日益受到重视，为提高掘进效率，响应国家及山西省政策，武甲矿决定升级煤矿井下掘进工作面智能化水，本文以武甲矿11201 运输顺槽掘进工作面为研究背景，初步确定了智能化掘进装备，并对智能化掘进工作面进行了初步设计，并进行了效益分析。

1 智能化掘进工作面概述

通过配套一套完整的智能掘进工作面生产技术装备，主要包括掘进机、煤矿用液压锚杆钻车、煤矿用带式转载机、带式输送机用自移机尾、移动变电站等设备的工作状态智能化监测与生产运行智能化集中控制，与工业电视监控技术无缝结合，实现上述设备的就地手动/自动操作、视频化集中控制与远程网络化监控，并结合现场煤层地质条件，完成全智能化掘进工作面装备的设计、制造、安装和井下工业试验，实现掘进工作面设备的无人少人化操控[4-5]。

2 智能掘进装备

2.1 掘进装备

根据11201 运输顺槽掘进工作面开采技术条件，初步确定选用EBZ200R 型悬臂式智能掘进机，该设备由切割机构、铲板总成、第一运输机、本体总成、行走机构、后支承、操纵台、液压系统、除尘喷雾系统、电气系统、润滑系统、护板、标识与涂装构成,整机配置高，安全可靠。配置的切割电机和油泵电机均为适于矿井使用的隔爆型三相异步电动机。掘进装备主要参数如下：总体长度为11.47 m；总体宽度为3.2 m；总体高度（切割臂水平）为2.345 m；切割头卧底深度为0.225 m；爬坡能力为±18°；经济切割硬度≤60 MPa。

2.2 掘进装备智能化控制系统组成

1）动态倾角传感器、角度传感器及油缸内置传感器的截割头运动检测单元的冗余设计，实现截割头相对于机身的位姿检测，通过机身倾角传感器实现机身俯仰角检测。

2）掘进机主控制器安装于掘进机机身，集成各类传感器、惯性导航、设备等实时参数，并接入掘进机的控制端口。主要实现对掘进机状态量、开关量等数据采集；对掘进机部分做出位置姿态调节、自适应截割等核心操作。

3）掘进机遥控接收器安装于掘进机机身，并接入掘进机主控制器。主要实现视距遥控模式下视线距离内接收视距遥控器的操作信号。

4）在掘进机机身加装矿用隔爆兼本安型网络交换机，用于主控制器、视频数据等各类数据的汇总，交换机通过铠装光缆接入集控中心。

5）在掘进机机身、二运处各加装一台无线基站，掘进机集成信号通过无线基站将数据传输至二运处无线基站，二运处无线基站通过矿用阻燃光缆与掘进顺槽集控中心进行数据交互。

6）机身姿态、位置监测：通过无线通讯与机载导航控制箱进行实时数据交互，实现惯导定位数据实时补偿。通过测距传感器与导航控制箱实现机身距侧帮和机身距迎头的实时距离检测。

7）视频监控。掘进机机身左右侧各安装两台摄像仪，用于实时监视掘进机左前方和右前方断面、悬臂左右摆动、铲板升降和左右装载装料情况；机身中间1 路摄像头监视掘进机前方断面、悬臂运动情况；机尾1 路集成音频输入输出的摄像仪监控一运卸料处落煤情况；实现工作面视频在地面实时监测、显示、存储。

2.3 掘进装备智能化控制系统功能

通过在掘进机加装各类传感器，将掘进机各类数据实时接入智能化掘进集控软件系统平台，实现掘进设备智能化控制。系统具有远程控制功能、运行状态监测功能、位置姿态监测功能、位姿补偿功能、人员接近识别功能、掘进机智能截割功能等，集控中心监测到掘进工作面供电系统、环境监测系统、运输系统、掘进机一切正常后，通过集控中心可以进行“一键”启动自动化截割：智能化掘进集中控制软件系统平台可录入掘进巷道断面模型。此外，通过数学模型解析，结合多种传感器的使用，由控制器对掘进机截割臂的回转与升降液压缸进行控制，根据录入的断面尺寸自动截割出规整断面，自动截割模式下，掘进机自身可根据截割进度向前移动。

3 智能掘进工作面控制系统

3.1 运输和集中控制系统

集控中心可实现对从掘进工作面掘进头截割至胶带输送机的远程控制和协调控制，集控中心对工作面运输系统需要掘进机、胶带输送机提供远程监控的通讯接口及协议，结合智能掘进工作面运输设备监控系统对掘进机一运、二运以及胶带输送机自移机尾进行状态监测、视频监控和集中控制。

运输系统具有就地和远程控制功能，在就地模式下，可实现运输系统内各设备就地启停联动控制功能。在远程启动工作面运输设备前，集控中心人员需确认大巷的胶带输送机已经启动。分别在运输系统转载点、皮带机头等处布置相应矿用隔爆兼本安型摄像仪，可供集控室操作人员，远程观看设备运行状态。具体功能有：

1）定位截割时，实现对一运刮板输送机、二运转载机及胶带输送机自移机尾的单设备远程起停控制和联锁启停。

2）集控中心可实现对一运刮板运输机、二运转载机及胶带输送机的顺序远程起停控制，起动顺序：胶带输送机自移机尾—二运转载机—一运刮板运输机；停止顺序：一运刮板运输机—二运转载机—胶带输送机自移机尾。

3）集控中心可对一运刮板运输机、二运转载机、胶带输送机自移机尾开关状态显示，包括各个回路运行状态、电流大小、电压大小以及漏电、断相、过载等故障状态显示。

4）胶带输送机配套自移机尾，协同掘进机作业。

3.2 远程控制系统

在掘进大巷安装一台集中操作台作为工作面集中控制操作中心。集控中心放置于硐室或风门处，借助于网络通讯信号实现工作面所有设备的远程集中控制。集控中心内部集成2 台控制主机、4 台21 寸宽屏显示器、嵌入式操作面板、键鼠一体式不锈钢键盘、音箱、麦克风、照明灯、摄像仪和急停按钮等。集控中心内设备布置应当遵循空间合理利用、布线简洁、易于维修的原则，并有对集控中心操作员、设备及线缆的保护装置。远程控制系统可以实时与掘进机机身的无线基站互联互通，从而实时监测、控制掘进面作业，系统集成掘进工作面环境监测，并可对环境监测数据智能分析；此外系统具有手动操作、视距遥控、远程集中控制、一键启停四种操作方式。四种模式可以相互切换单独运行且不能同时选择多种模式，保证了机器和人身安全。

3.3 视频监控系统

系统由掘进面视频（含照明）、巷道视频（含照明）以及视频传输网络组成。掘进机机身左右、中部和尾部的视频数据，传至集控中心进行监测和视频拼接；运输系统搭接点、转载点、自移机尾等位置的视频数据，传至集控中心进行监测，可以对视频图像放大、缩小、分屏、独占全屏等操作，并实时保存视频数据；此外，视频系统具有第三方接口，第三方自动化软件通过接口可访问工作面实时视频移流数据。

3.4 地面监控系统

采区轨道巷集控中心可通过井下千兆工业以太环网与地面调度中心建立网络连接，实现地面分控中心对智能掘进工作面的实时监测。系统采用以太网实现掘进工作面各设备的数据上传，通过矿井传输网络，将掘进工作面各设备的数据传到地面，实现地面调度中心对掘进工作面各设备的监测、显示；同时进行视频管理，查询，存储等功能；录像保存时间不少于20 d，系统可将掘进工作面监控显示于地面调度中心的监控大屏上，更细致、直观地供相关人员及领导视察掘进工作面工作情况和安全情况。

4 掘进工作面智能化改造效益分析

4.1 新增投资分析

武甲矿智能化掘进系统包括智能型掘进机、除尘风机、机载临时支护装置、二运装载皮带、锚杆钻车及掘进智能控制系统，其中除尘风机、二运装载皮带及锚杆钻车为已有设备，掘进装备（包括机载临时支护装置）已磨损严重，需重新购置；此外，工作面智能控制系统均为新采购设备，地面控制系统借助矿井原有设备。以一个智能化掘进工作面为例，智能掘进机及机载临时支护装置投资估算为300.00 万元，智能控制系统投资估算为150.00 万元，即构建一个智能掘进工作面新增投资估算为450.00 万元。

4.2 收益分析

1）掘进效率分析。武甲矿以往的回采巷道掘进工作面月进尺约为250 m，智能化改造后月进尺预计可以达到400 m，掘进效率可提高60.00%以上，该矿工作面平均掘进长度为2 800 m，掘进一条回采巷道可节约5.2 个月。

2）人工成本。以往的掘进巷道单工作面生产所需人员为20 人，检修人员为15 人，按照“三八制”作业制度，各工作日需要两个生产班，一个检修班，共55 人，每人平均月工资为1.0 万元，掘进一条2 800 m的巷道需要11.20 个月，则所需人工费用为616.00 万元；智能化改造后掘进巷道单工作面生产所需人员为10人，检修人员为15 人，掘进一条巷道2 800 m 长的巷道需要6.00 个月，则所需人工费用为210.00 万元。智能化改造后掘进单条巷道可降低人工成本406.00 万元。

由此可知，武甲矿掘进工作面智能化改造升级后，单工作面可提高掘进效率60.00%，节约时间5.20 个月，降低人工成本406.00 万元，此外，技术装备的升级会有效降低掘进过程中巷道安全隐患，在一定程度上可提高安全效益，降低安全投入。智能化掘进工作面的应用将为矿井带来良好的安全、技术及经济效益。

5 结语

本文对武甲矿智能化掘进装备与控制系统进行了初步研究，后期在实施过程中还应该注重智能化掘进工作面建设的条件，成立智能化工作面运行与管理机构，负责制定智能化建设工作规划和实施方案；建立健全和落实智能化建设的各项管理规章制度；了解国内煤矿智能化建设发展的现状和趋势，认真借鉴其他煤矿智能化建设发展的经验，加快建设发展步伐，减少投资浪费，提高建设效率和效益。