采煤工作面設備智能集成控制研究

郝躍飛

（山西焦煤汾西礦業賀西煤礦， 山西 柳林 033300）

0 引言

采煤工作面是煤炭主要開采場所，采面內布置有支架、刮板輸送機、采煤機、轉載機、破碎機、泵站以及帶式輸送機等各種設備[1-2]。采面內各設備結構復雜，盡管隨著自動化控制技術不斷發展，單機設備（如采煤機、液壓支架等）智能化、自動化控制水平有所發展，但是仍面臨各設備控制分散、無法精準配合等問題，導致采面設備性能無法充分發揮、設備工作效率不高[3-5]。開采設備智能集成控制是煤炭開采重點研究方向，眾多的學者進行了廣泛的研究，并取得一定的應用成果[6-9]。因此，在借鑒以往智能集中控制研究成果基礎上，基于以太網、傳感器等對采面開采設備智能集成控制進行研討，以期在一定程度增強采面煤炭開采效率。

1 13703 工作面概況

山西某礦13703 采煤工作面位于13 采區中部，東側為待回采的13705 采面，西側為回采完畢的13701 工作面采空區，南側為13 采區集中巷道，北側為采區邊界保護煤柱。13703 采煤工作面回采的7 號煤層埋深均值為408 m，采面設計走向長690 m、傾向長187 m，回采的7 號煤層厚度1.8～10.5 m，傾角3°～9°。13703 采煤工作面回采范圍內地質條件復雜，采面整體受區域褶曲構造影響，煤層頂底板裂隙發育，同時在開采范圍內會揭露SF305 斷層（落差H=0.8～3.2 m，105°∠53°），在該斷層附近煤層松軟、次生構造發育。

13703 采煤工作面采用綜采放頂煤開采工藝，設計采高為2.8 m、采放比1∶1.2，1 個循環割2 刀煤，循環進尺深度為1 200 mm。采煤機割煤后及時伸出伸縮梁、護幫板并及時前移支架，采面內布置的主要開采設備數量及技術規格如表1 所示。

表1 開采設備技術參數

2 采煤設備智能集成控制

為提升13703 采煤工作面設備綜合智能化控制程度、提升煤炭生產效率，對開采設備進行智能集中控制，具體舉措包括：通過井下光纖完成數據傳輸，地面主機可遠程控制采面設備運行；采用傳感器采集采面設備運行參數，使得開采設備可依據煤質、支撐壓力以及負載等變化智能調整采高、立柱壓力、割煤速度、乳化液配比以及放煤間隔等，采面采用的智能集成控制系統結構組成如圖1 所示。

圖1 智能集成控制系統結構組成

2.1 采面開采設備智能化集成控制系統

開采設備智能集成化控制系統是實現煤炭智能化、集成化及自動化開采的核心，用過監控平臺、人機接口等構建統一的通信及數據傳輸協議，實現各開采設備間數據交互，將采面采煤機、液壓支架、刮板輸送機、破碎機、帶式輸送機、噴霧泵站以及供電系統等集中連接，并通過采面雙數據交換主機、以太網實現設備智能集成控制，具體智能化集成控制系統構建方案如圖2 所示。

圖2 智能化集成控制系統構建方案

智能化集成控制系統可實現采煤機、刮板輸送機、液壓支架、供電系統以及泵站系統等遠程監測、控制，實現煤炭開采、頂板管理、運輸等智能化集成控制。地面調度中心可通過光纖、工業以太網等實現獲取井下設備運行參數、狀態信號，智能集成控制系統依據地面調度中心發出的控制信號并按照內置運行程度控制采煤設備運行，具體啟動程序為破碎機→帶式輸送機→轉載機→采面2 部刮板輸送機→采煤機，按照預先設定啟動程序可實現開采設備一鍵啟動；同時集成控制系統內數據庫可實現各設備單元運行參數、故障參數等進行存儲。

2.2 乳化液泵站智能控制

乳化液泵站組成包括有供水凈化站、乳化液自動配液站、高壓過濾站以及回液過濾站等，具體設計的供液路線為供水管路→供水凈化站→乳化液自動配液站→乳化液泵站→高壓過濾站→采面供液管路→采面液壓設備（綜放支架等）→回液管路→回液過濾站→乳化液泵站。

采用的控制系統可實現乳化液自動配液、供液，設計的乳化液配比濃度為5%（質量比），通過乳化液配比電控箱控制電磁水閥、配比泵等實現乳化液供液濃度調節。當乳化液箱中液位低于設定液位下限時，液位傳感器向電控箱發出補液信號，電控箱開啟進水電磁閥、循環泵及配比泵，向乳化液箱補充乳化液并將乳化液控制在一定濃度范圍。同時系統具備有自動、手動兩種控制模式，自動模式時系統按照預先設定程序自動運行；手動模式時人工控制補液。

2.3 綜放支架自動化控制

13703 采煤工作面綜放液壓支架采用ZE0704 電液控制系統控制，該系統結構包括電磁閥驅動器、支架控制器、中繼器、電液換向閥組、傳感器（壓力、傾角及位移等）、紅外發射及接收設備等構成。支架控制器可實現支架各動作控制，具備單架、成組自動、手動控制。該控制系統通過控制電磁閥動作進而控制乳化液供液，實現液壓支架自動化動作控制，同時具備有液壓支架動作監測、控制指令執行、運行程序編輯、支架狀態顯示等功能。綜放支架控制器具備有功能保持、點動、功能切換、遠程控制以及自動控制模式等。

將7 架綜放支架設為1 組并串聯至1 臺控制器中，實現成組（單架）手動、自動及急停閉鎖等操作。在推移刮板輸送機時，通過支架千斤頂行程處傳感器監測千斤頂活塞行程，實現推溜距離控制及檢測。壓力傳感器（測量范圍0～60 MPa）檢測綜放支架立柱腔體壓力；當檢測壓力小于設計壓力時，電液閥芯開啟實現自動補壓，保障支架初撐力在合理范圍內。

2.4 綜放支架自動跟機控制系統

為實現采煤機割煤后綜放支架及時推移刮板輸送機、前移支架等操作，采用紅外發射及接收裝置持續檢測采煤機位置。紅外發射裝置、紅外接收裝置分別安裝在采煤機、綜放支架上，實現采煤機位置及割煤方向判定，從而實現后續的自動化控制，如隨機噴霧、推移刮板輸送機、分組放煤以及移架等。

2.5 高壓反沖洗

采煤工作面工作環境復雜、惡劣，為避免雜物混入到供液管路中影響綜放支架動作，采用反沖洗過濾器清除雜物。在進液管、出液管上均安裝壓力傳感器，當進液管及出液管上壓力傳感器數據存在有明顯壓差時，表明雜物堵塞部分過濾孔，通過調整控制器參數即可實現高壓過濾器反沖洗，避免出現堵塞情況。

2.6 視頻監控

通過視頻監控系統可直觀地掌握采面開采情況、關鍵設備運行情況。在采面間隔6 架綜放支架布置1 臺攝像機，用以動態跟蹤采煤機割煤，并在刮板輸送機機頭及機尾、帶式輸送機、轉載點等關鍵位置布置攝像機。采面采用的攝像機具備有強光抑制、低照度、水霧及煤塵穿透等功能，并通過礦用交換機、工業以太網等實現對采面開采設備、煤壁等全覆蓋監控。

3 現場應用效果

智能集成控制系統在13703 采煤工作面進行工業試驗，實現了采煤機、綜放支架、刮板輸送機、泵站等設備的智能集成控制。開采設備可實現一鍵啟動，采煤機實現記憶截割、綜放支架跟機移架及推溜，同時采面各設備運行參數、視頻監控畫面等通過光纖網絡傳輸到地面監控中心，便于地面人員及時掌握采煤現場情況及設備運行參數?，F場應用期間，該系統運行平穩，各開采設備間協同運行良好，在一定程度上提升了采面智能化控制水平，減少了井下人員數量。

4 結語

隨著先進的開采設備、控制技術以及通信技術等不斷發展，智能化集成控制技術在煤礦井下應用不斷增加，在一定程度提升煤礦開采、排水以及通風等保障能力以及智能化程度?；?3703 采煤工作面現場情況，對采面內開采設備智能控制系統整體結構、關鍵子系統以及功能等進行分析，并探討現場應用效果。

在13703 采煤工作面使用的智能集成控制系統現場應用平穩，可實現綜放支架自動跟機、采煤機記憶割煤、乳化液自動配比以及遠程監控等功能；通過智能集成控制系統可提高開采設備綜合自動化程度，降低生產成本，為后續智能化采煤工作面構建奠定良好基礎。