大柳塔煤礦厚煤層綜采自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)用

王立強(qiáng)，高小強(qiáng)，任文清，王 飛

(神東煤炭集團(tuán)大柳塔煤礦，陜西 神木 719315)

0 引言

大柳塔煤礦位于陜西省神木市境內(nèi)，是神東煤炭集團(tuán)所屬的年產(chǎn)3 300萬(wàn)t的特大型現(xiàn)代化安全高效礦井，孵化出了世界上最大的千萬(wàn)噸礦井群。大柳塔煤礦52603綜采工作面位于大柳塔井5-2煤六盤(pán)區(qū)大巷東側(cè)、5-2煤輔運(yùn)大巷西側(cè)、52604工作面南側(cè)、52602采空區(qū)北側(cè)，工作面儲(chǔ)量617萬(wàn)t，推進(jìn)長(zhǎng)度3 127 m，切眼寬312 m，煤層厚4.4～5.7 m，平均煤厚5 m，傾角為1°～3°，煤層穩(wěn)定，周期來(lái)壓穩(wěn)定。自動(dòng)化割煤是高端采煤機(jī)、自動(dòng)化工作面控制系統(tǒng)需要突破的關(guān)鍵技術(shù)，其核心在于搖臂的自動(dòng)調(diào)高，根據(jù)采煤機(jī)實(shí)際情況自動(dòng)調(diào)節(jié)左右滾筒的高度，前滾筒割頂煤、后滾筒割底煤，保證良好的工程質(zhì)量[1-4]。建設(shè)厚煤層綜采自動(dòng)化系統(tǒng)，培育厚煤層自動(dòng)化工作面操作技能，是有效保障煤礦安全生產(chǎn)的必要條件。

1 綜采集控系統(tǒng)的應(yīng)用

1.1 集控系統(tǒng)現(xiàn)狀及解決方案

1.1.1 現(xiàn)狀描述

52603綜采工作面改造前的電氣設(shè)備配置有移動(dòng)變電站、組合開(kāi)關(guān)、綜保照明系統(tǒng)、變頻器電控系統(tǒng)、泵站電控系統(tǒng)、KTC101通訊控制系統(tǒng)等。操作人員配置分別為KTC101控制系統(tǒng)司機(jī)一人，破碎機(jī)處一人，馬蒂爾處一人。所有的電氣/電控設(shè)備的數(shù)據(jù)沒(méi)有集中進(jìn)行上傳及顯示，自動(dòng)化數(shù)據(jù)集成比較分散，在井下不方便統(tǒng)一管理和監(jiān)測(cè)，人員數(shù)量較多，資源上造成一定浪費(fèi)。

1.1.2 解決方案

在控制臺(tái)處安裝隔爆兼本質(zhì)安全型交換機(jī)，并將計(jì)算機(jī)內(nèi)磨砂交換機(jī)設(shè)置好IP，供連通網(wǎng)絡(luò)。接著將控制臺(tái)處移動(dòng)變電站、照明綜保、饋電、聯(lián)力開(kāi)關(guān)，泵站、三機(jī)控制器等設(shè)備接入磨砂交換機(jī)的RS-485口或者TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接口。再用一根網(wǎng)線將磨砂交換機(jī)與控制臺(tái)處4G分站連接起來(lái)，將數(shù)據(jù)傳輸至環(huán)網(wǎng)，以方便馬蹄爾處設(shè)備可以讀取控制臺(tái)設(shè)備數(shù)據(jù)。在馬蹄爾處安裝礦用隔爆兼本安型自動(dòng)化裝置(附帶硬盤(pán)錄像機(jī)顯示器和操控臺(tái)及計(jì)算機(jī))，用于遠(yuǎn)程操作設(shè)備。用光纜將自動(dòng)化裝置中設(shè)備連接至4G分站，來(lái)讀取環(huán)網(wǎng)內(nèi)控制臺(tái)設(shè)備數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)安裝組態(tài)王軟件讀取數(shù)據(jù)，包括煤機(jī)、礦壓數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)控制臺(tái)設(shè)備實(shí)現(xiàn)控制；在硬盤(pán)錄像機(jī)內(nèi)設(shè)置4個(gè)攝像頭(馬蹄爾處、運(yùn)輸機(jī)機(jī)頭、工作面機(jī)頭、工作面機(jī)尾)，方便實(shí)時(shí)觀察生產(chǎn)情況。

1.2 數(shù)據(jù)采集及功能

該套集控設(shè)備將不同設(shè)備、不同接口、不同協(xié)議之間的數(shù)據(jù)通訊接至4G環(huán)網(wǎng)，支持多種通訊協(xié)議的讀寫(xiě)功能，實(shí)現(xiàn)了綜采工作面采煤機(jī)、液壓支架、聯(lián)力組合開(kāi)關(guān)、移動(dòng)變電站、饋電開(kāi)關(guān)、照明綜保、華寧保護(hù)裝置等設(shè)備集中實(shí)時(shí)顯示，包括實(shí)時(shí)模擬數(shù)據(jù)顯示，開(kāi)關(guān)數(shù)據(jù)狀態(tài)，歷史數(shù)據(jù)曲線等。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，一旦設(shè)備發(fā)生故障，就會(huì)出現(xiàn)報(bào)警信息，讓現(xiàn)場(chǎng)人員盡快找到處理故障點(diǎn)，縮短處理故障的時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率；實(shí)現(xiàn)了各設(shè)備的遠(yuǎn)程啟停，包括單啟/停三機(jī)、泵站，也可以一鍵連啟，工作面要生產(chǎn)時(shí)，以往都是控制臺(tái)處崗位工先將控制臺(tái)處移動(dòng)變電站等設(shè)備送點(diǎn)，確保華寧控制器及泵站控制器有電，開(kāi)啟泵站中乳化液泵和噴霧泵，然后再開(kāi)轉(zhuǎn)載機(jī)、運(yùn)輸機(jī)與破碎機(jī)。設(shè)備集中控制后，不需要控制臺(tái)處留有崗位工操作設(shè)備，只有一人在馬蹄爾處操作設(shè)備即可，將所有開(kāi)關(guān)設(shè)備合閘，一鍵啟停三機(jī)控制系統(tǒng)、泵站控制系統(tǒng)，啟動(dòng)煤機(jī)開(kāi)始自動(dòng)割煤，開(kāi)啟液壓支架跟機(jī)自動(dòng)拉架系統(tǒng)。

2 自動(dòng)化割煤系統(tǒng)

2.1 采煤機(jī)選型

大柳塔煤礦52603綜采面采用艾柯夫(SL900/6839)采煤機(jī)，其電控系統(tǒng)由常州聯(lián)力廠家改造。該煤機(jī)電控控制方式不是傳統(tǒng)的記憶割煤法(完全復(fù)制上一循環(huán)割煤)，而是煤機(jī)每割一刀煤均參與下一刀自動(dòng)割煤軌跡的數(shù)據(jù)模型計(jì)算。通過(guò)煤機(jī)機(jī)身安裝采高傳感器、位置傳感器和俯仰搖擺傳感器，分別對(duì)煤機(jī)滾筒高度、定位、限位、位置修訂、機(jī)身傾角、俯仰角和滾動(dòng)角等全方位進(jìn)行檢測(cè)。

2.2 自動(dòng)割煤原理

自動(dòng)化割煤運(yùn)用的是高端采煤機(jī)電控系統(tǒng)，其核心技術(shù)在搖臂的自動(dòng)調(diào)高[5-7]。根據(jù)采煤機(jī)實(shí)際情況，各傳感器發(fā)揮作用，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并主導(dǎo)編碼器對(duì)前后滾筒的高度進(jìn)行調(diào)節(jié)，前滾筒割頂煤，后滾筒割底煤，分析歷史截割數(shù)據(jù)，自動(dòng)識(shí)別煤層規(guī)律預(yù)測(cè)下一刀的割煤軌跡，自動(dòng)調(diào)節(jié)模型參數(shù)，自適應(yīng)外部條件變化。同時(shí)，可靈活選擇對(duì)煤機(jī)進(jìn)行人工干預(yù)，參與到下一刀的自動(dòng)割煤，保證良好的工程質(zhì)量，自動(dòng)割煤如圖1所示。

圖1 自動(dòng)割煤流程示意

2.3 自動(dòng)割煤參數(shù)設(shè)置

自動(dòng)割煤運(yùn)用了基于AI的預(yù)測(cè)算法，建立了基于運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型，把煤層離散化，分成多段小區(qū)間。在每個(gè)小區(qū)間內(nèi)，假定煤層不變化，是一個(gè)矩形進(jìn)行運(yùn)算。精準(zhǔn)的割煤，對(duì)參數(shù)的設(shè)定有極大的依賴性[8-11]。以52603綜采面自動(dòng)化工作面為例，要設(shè)定好基本參數(shù)，重要參數(shù)主要有綜采面的長(zhǎng)度為312.1 m，最大采高4.9 m，最小采高4.2 m，滾筒直徑2.7 m，該面共有液壓支架183架，每架寬為1.75 m，煤機(jī)機(jī)身長(zhǎng)約13.5架，位置傳感器在工作面機(jī)頭處割頭位置設(shè)定為7架，工作面機(jī)尾處設(shè)定為177架，按照作業(yè)規(guī)程要求，兩端三角煤折返點(diǎn)機(jī)頭、機(jī)尾設(shè)定的位置分別為24.5架、156架，三角煤進(jìn)煤窩高度值為3 m。如果煤層發(fā)生變化，就需要對(duì)參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，利用按壓遙控器組合鍵，輸入密碼后，進(jìn)入自動(dòng)化參數(shù)配置，對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，自動(dòng)化割煤。

2.4 自動(dòng)割煤步驟

首先觀察顯示屏各傳感器顯示正常，煤機(jī)位置顯示準(zhǔn)確，工步顯示正確，手動(dòng)完成一個(gè)完整的示范刀學(xué)習(xí)。通過(guò)人工識(shí)別煤巖界限，調(diào)整好割煤高度與參數(shù)設(shè)置后，將手動(dòng)改為自動(dòng)，煤機(jī)將會(huì)依據(jù)示范刀一刀的割煤軌跡，預(yù)測(cè)下一刀割煤高度，并按照自身設(shè)定的“十二工步割煤法”進(jìn)行割煤，如圖2所示。

圖2 十二工步割煤法示意

3 液壓支架自動(dòng)化跟機(jī)系統(tǒng)

3.1 礦壓電控系統(tǒng)的選型

大柳塔煤礦52603綜采面支架控制系統(tǒng)采用德國(guó)瑪珂電控系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確的通過(guò)大數(shù)據(jù)分析礦壓電控系統(tǒng)存在的問(wèn)題，迅速處理支架自動(dòng)化故障，減少處理故障的時(shí)間，減員提效；通過(guò)對(duì)參數(shù)設(shè)置可以對(duì)液壓支架進(jìn)行自動(dòng)化控制(收打互幫板、移架、推溜)，識(shí)別紅外發(fā)射器所在位置，與煤機(jī)配合進(jìn)行跟機(jī)自動(dòng)拉架。在煤機(jī)機(jī)身安裝紅外發(fā)射器，每臺(tái)液壓支架上安裝紅外接收器。紅外發(fā)射器能夠發(fā)射紅外信號(hào)與紅外接收器對(duì)應(yīng)使用，紅外接收器能夠準(zhǔn)確識(shí)別紅外發(fā)射器信號(hào)，并將信號(hào)傳輸至瑪珂主機(jī)，確定煤機(jī)所在位置(架號(hào))。

3.2 跟機(jī)自動(dòng)拉架原理

借助煤機(jī)機(jī)身紅外發(fā)射器與支架上紅外接收器設(shè)備，確定煤機(jī)所在位置[12-15]。當(dāng)紅外接收器收到紅外發(fā)射器信號(hào)時(shí)，將煤機(jī)位置信號(hào)通過(guò)支架控制器及其總線傳遞給礦壓主機(jī)。當(dāng)開(kāi)啟自動(dòng)拉架時(shí)，支架會(huì)按照生產(chǎn)工藝，設(shè)定好的參數(shù)，進(jìn)行收/打互幫板、移架、推溜，完成跟機(jī)自動(dòng)拉架，如圖3所示。

圖3 煤機(jī)自動(dòng)化割煤與支架自動(dòng)化聯(lián)動(dòng)示意

3.3 支架電控系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置與開(kāi)啟方法

3.3.1 參數(shù)設(shè)置

工作面全長(zhǎng)183架，先將紅外發(fā)射器固定在機(jī)身，這樣可以通過(guò)紅外發(fā)射與接收信號(hào)來(lái)識(shí)別煤機(jī)所在位置。通過(guò)觀察采煤機(jī)在機(jī)頭、機(jī)尾割透時(shí)紅外發(fā)射器位置(煤機(jī)位置)分別為7架、177架。通過(guò)采煤機(jī)機(jī)身長(zhǎng)度，可在支架電控系統(tǒng)中設(shè)置以下參數(shù)，開(kāi)啟支架自動(dòng)控制后，當(dāng)煤機(jī)通過(guò)時(shí)，自動(dòng)識(shí)別紅外信號(hào)，并以此判斷煤機(jī)割煤位置，進(jìn)而觸發(fā)支架自動(dòng)跟機(jī)程序，實(shí)現(xiàn)支架自動(dòng)移架、成組收打護(hù)幫板和自動(dòng)推溜等功能。為了防止煤機(jī)位置不準(zhǔn)確，造成設(shè)備誤動(dòng)作，造成不可挽回的損失，可在礦壓電控系統(tǒng)中設(shè)置位置跳動(dòng)及位置不變時(shí)，自動(dòng)停止自動(dòng)跟機(jī)拉架，該面實(shí)際生產(chǎn)中設(shè)置為5架和10 min，即當(dāng)煤機(jī)位置發(fā)生跳動(dòng)超過(guò)5架或者有10 min煤機(jī)位置不發(fā)生變化，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)停止，確保設(shè)備及人身安全。

3.3.2 開(kāi)啟自動(dòng)拉架方法

當(dāng)采煤機(jī)設(shè)置為自動(dòng)割煤后，確保煤機(jī)位置準(zhǔn)確，在集控系統(tǒng)中，打開(kāi)礦壓主機(jī)畫(huà)面，選擇啟動(dòng)支架自動(dòng)跟機(jī)拉架，根據(jù)工作面狀況打開(kāi)推溜、移架、互幫板，合理選擇開(kāi)啟自動(dòng)拉架范圍。當(dāng)工作面有異常時(shí)可以隨時(shí)壓下急?；蛘哌h(yuǎn)程停止自動(dòng)拉架。

3.4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用成果

綜采自動(dòng)化系統(tǒng)的運(yùn)用，生產(chǎn)班每班由原來(lái)的11人減少到目前7人，兩班生產(chǎn)年節(jié)約人工成本2×4×25=200萬(wàn)元，減員提效，同時(shí)節(jié)約了生產(chǎn)成本。大柳塔煤礦52603綜采工作面自動(dòng)化自2019年投用以來(lái)，運(yùn)行效果良好，實(shí)現(xiàn)了對(duì)厚煤層自動(dòng)化開(kāi)采的探索，發(fā)現(xiàn)了困難與不足，為其他礦井厚煤層自動(dòng)化開(kāi)采提供了寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

4 結(jié)語(yǔ)

大柳塔煤礦厚煤層綜采自動(dòng)化系統(tǒng)的實(shí)踐是一次大膽的嘗試，也是一個(gè)成功的典型應(yīng)用案例。綜采自動(dòng)化系統(tǒng)是煤礦生產(chǎn)數(shù)字化、智能化、信息化、自動(dòng)化的發(fā)展需求，也是實(shí)現(xiàn)減員增效的必經(jīng)途徑，是實(shí)現(xiàn)井下“無(wú)人則安”的必要，可以為其他礦井厚煤層綜采工作面提供一定借鑒。