綜采工作面智能化設備的應用

王衛鋼

（山西古縣蘭花寶欣煤業有限公司，山西 晉城 042405）

近年來，隨著煤炭形式好轉與礦井智能化政策的頻繁出臺，智能化礦井的建設力度隨之加大，礦井設備的智能化建設得到了迅猛的發展。對于生產礦井而言，綜采工作面是煤礦生產的核心區域，其智能化程度對于提高資源采出率、保障生產安全有著至關重要的影響。寶欣煤礦目前采用雙滾筒采煤機，該設備存在有控制距離短、割煤量不穩定的弊端，并且由于井下作業環境惡劣，采煤司機在操作時需要根據現場情況手動調節，在一定程度上影響了采煤機的工作效率。在此前提下，筆者應圍繞著采煤機周邊設備和人員的安全性，根據記憶割煤原理，對礦井智能化系統進行了改造升級。將設備進行集成協同控制并編制安全操作策略，充分解放出采場人員，進一步實現企業減人增效、安全和諧、科學人性的礦區文化。

1 工作面概況

寶欣礦2205 綜采工作面為智能化回采工作面，采用傾斜長壁后退式綜合機械化采煤法，一次采全高。地面標高介于1125～1270m，東側與南側均為實體煤區域，西側為南翼運輸巷、總回風巷和軌道巷，北側為相鄰工作面采空區?；夭擅簩悠骄露葹?°～3°，直接頂板厚度1m，主要為泥巖，底板厚度5.78m，主要礦物為砂巖構成。

2 綜采工作面智能化控制系統

智能系統主要集成控制的設備包括采煤機、液壓支架、刮板輸送機、膠帶輸送機、轉載機、破碎機、乳化液泵等，可以劃分為地面調度中心、井下順槽控制中心及采掘設備系統三部分，如圖1所示，其中寶欣礦地面監控中心設在生產技術科。

圖1 智能控制系統示意圖

筆者以寶欣礦現有的MG200/456-AWD 型雙滾筒采煤機為核心對2205 工作面進行智能化改造，系統主要與信息化、自動化相結合，將通過位移、速度編碼器來確定機身的定位以及搖臂傾角實現采煤機的記憶割煤，通過“少人化”、“無人化”提高煤礦高效生產的目標。預期改造后將達到以下效果：正常采煤生產過程實現以采煤機記憶割煤為主，人工干預為輔；液壓支架跟隨采煤機自動動作為主，人工支護為輔；綜采運輸設備以集中控制為主，人工原地操作為輔；機械設備情況以數據傳輸為主，視頻監控為輔?；诓擅簷C遠程智能控制系統實時監視和遠程控制，使采煤機與運輸系統、液壓支架的聯動控制成為可能，為無人工作面的實現奠定基礎，為安全高效礦井建設與生產提供了技術保障和設備支撐。

本次智能化改造的主要內容包括：①在地面和井下集控中心實現對綜采工作面各級設備按照運行方向“一鍵”啟停，且具備單設備遠程啟停功能，同時在任何可控設備遠程啟停前具備工作面語音預警功能；②實現在工作面的自動化生產，實現地面和井下集控中心對綜采工作面智能化控制技術的核心正是從控制的穩定性、自動化集控程度到智能化的升級，將人為地干預操作智能化的決策并實現控制，用控制邏輯代替人腦實現快速的預判和全局的掌控。

基于采煤機自身與順槽的控制端通訊后，人員操作采煤機操作臺通過與采煤機位置監測系統通信獲取采煤機的位置和行進方向。依據采煤機視頻系統，操作臺發出相應指令(如滾筒的升降、牽引加減速等)，該指令通過數據通信總線與采煤機通信，將信號傳送給采煤機，從而實現對采煤機的遠程控制。

3 采煤機記憶割煤策略及控制

3.1 采煤機記憶割煤系統原理

采煤機的智能化主要在于地面控制中心對井下數據處理的精準程度。如圖2 所示，筆者針對MG200/456-AWD型雙滾筒采煤機安裝攝像儀、設備傳感器等裝置，通過順槽監控中心進行控制，再將所獲取的信號傳遞至地面調度中心進行統一處理。本套記憶割煤系統以角度傳感器為基礎，傳感器所搜集的數據可通過人機界面顯示，受頂底板高度、煤層傾角和工作面傾角的影響較小。

圖2 雙滾筒采煤機主要傳感器安轉示意圖

采煤機記憶截割原理示意圖如圖3所示，其中X軸表示工作面水平方向，軸上各點為記憶割煤的信息采集點；Y 軸表示工作面推進方向，軸上各點表示采煤機沿工作面的推進距離；Z 軸方向為前后滾筒截割方向，也可理解為采煤機截割過程中的絕對高度。采煤機的截割數據通過監控系統進行采集，如采煤機完成第i刀后，將完整記錄該點數據，并以此為依據，對第i+1刀進行自動調整；如進行第i+2 刀時，通過監控系統再根據i+1的工況進行自適應調整；調整完成后將進行數據校正，取前三刀的平均數值作為第i+3 刀的割煤依據，采煤機如此循環作業，直至完成進刀任務。

圖3 采煤機記憶截割原理圖

3.2 采煤機記憶割煤作業的準備

MG200/456-AWD型雙滾筒采煤機雙向采煤機，主要由前滾筒割頂煤，后滾筒割底煤，采煤機記憶割煤的關鍵點在于煤機和支架的聯動控制。為實現記憶割煤，采煤機共需要兩個過程，第一個過程為學習過程，即在進行割煤前需要采煤機司機進行一個完整的示范進刀的割煤循環，該割煤循環需要從工作面端頭開始按照常規采煤工藝進行。其次為信息錄入過程，進行設備改造的技術人員需要根據工作面實際情況對滾筒位置、割煤速度、牽引方向、牽引速度等信息錄入系統。需要注意的是，采煤機中央控制系統通過角度傳感器和牽引齒輪速度傳感器計算采煤機位置、速度和方向，并記錄采煤機在不同位置應對應的滾筒位置。

根據2 號煤層地質條件，設定采煤機進刀順序如下：①當采煤機割至工作面端頭時，其后的輸送機槽已移近煤壁，采煤機機身處尚留有一段下部煤；②調換滾筒位置，前滾筒降下、后滾筒升起并沿輸送機彎曲段返向割入煤壁，直至輸送機直線段為止。然后將輸送機移直；③再調換兩個滾筒上下位置，重新返回割煤至輸送機機頭處；④將三角煤割掉，煤壁割直后，再次調換上下滾筒，返程正常割煤。

3.3 工作面直線度檢測及控制技術運行情況

改造后的采煤機將實現三維空間自動定位功能，即利用3D 可視化的監控，實現工作面校正拉直、滾筒調高、寬度的自動調節。此功能保證了采煤機移動區位誤差在±10cm，工作面長期穩定的平行作業，很大程度上實現了工作面減人增效、無人化干預的目標。

4 井下集控系統

寶欣礦井下集控中心設在南翼2#煤智能化工作面集中控制硐室內。為實現工作面生產系統的“全自動化”控制，將針對液壓支架系統、各種運輸轉載設備進行監控，如圖4所示。

4.1 液壓支架遠程控制

液壓支架的整體控制邏輯將是以電液控計算機操作為主、工作面視頻畫面為輔，通過遠程操作臺實現對液壓支架跟機自動化啟停、降架、拉架、升架等動作，控制延時不超過200ms。

4.2 工作面輸送機、轉載機、破碎機、膠帶輸送機集中自動化控制

工作面煤炭轉載運輸設備具有獨立通訊裝置，任一設備可以實現自動啟停，具備急停閉鎖功能。開機啟動順序如下：膠帶輸送機→破碎機→轉載機→刮板輸送機→采煤機；停機順序如下：采煤機→刮板輸送機→轉載機→破碎機→膠帶輸送機。

4.3 煤流負荷協同監控系統

煤流負荷協同監控系統通過激光監測和設備運行數據的采集可以實現對煤炭運載流量進行自動化調節。系統連接包括刮板機、轉載機、帶式輸送機在內的所有運輸設備，根據煤流負荷情況進行實時智能調速，當設備超負荷運轉時，會在第一時間進行報警提示。

5 使用效果分析

經多次現場試驗，改造后的智能化采煤機系統在2205 綜采工作面投入使用。系統以少人模式割煤為主、人工干預為輔，人工主要勞動由操作變為了指揮監控。經過長期的使用證明，這套智能化系統大幅度地降低了采面工人的勞動強度，提高了采場安全生產水平和采面工程質量。工作面在回采期間，作業人員由原定的15 人減至8 人，人工效率提高46.7%，單循環操作時間由18min縮短至11min，效率提升38.8%，并可穩定實現對采煤機、刮板運輸機和液壓支架的協調聯動；當正常生產時（不經過斷層、采空區時），可實現全自動無人工干涉連續割8刀煤。共布置ZY3500/07/16.5D型液壓支架77臺，設備正在試運行階段，初步估算節約設備運行電耗在20%～30%。

采煤機工作狀態下，監控系統所采集的各項數據見表1所示，各項數據均處于正常狀態，與采掘實際情況相符，由此判斷監控系統能夠很好地滿足2205 工作面采掘的各項要求，表明該設計方案可以應用于實際生產中。

表1 采煤機實際運行機身參數

6 結束語

采煤機智能化控制技術研究的目的就是為了實現礦井智能化，礦井采煤機智能化控制技術是在礦山地質條件透明化的前提下，應用人工智能，實現井下綜采工作面的無人開采及煤機裝備的少人化檢修。通過對寶欣煤礦2205工作面采煤機的主控系統進行改造做到少人則安、無人則安，實現了采煤機的智能化控制，并取得了一定的成績，具有借鑒和指導意義。