綜機設(shè)備智能自動化集成系統(tǒng)的應(yīng)用研究

王 博，閆冬冬

(1.鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450000； 2.河南省新鄭煤電有限責(zé)任公司，河南 鄭州 450000)

1 14205綜采面基本概況

1.1 采面地質(zhì)概況

14205工作面位于新鄭煤電公司14采區(qū)中部，東鄰待掘的14206工作面，南鄰14運輸上山保護煤柱，西鄰待掘的14203工作面，地面標(biāo)高+134.9～+137.2 m，工作面標(biāo)高-191.0～-161.5 m。采面設(shè)計可采走向660 m，傾斜長187 m，開采二1煤層，煤層傾角0°～11°，平均煤厚0.8～16.3 m，可采儲量為1 003 412 t。該采面地質(zhì)條件復(fù)雜，工作面里段位于滹沱背斜軸部附近，工作面煤層整體呈一單斜構(gòu)造(207°～254°∠0°～11°)，受滹沱背斜影響，斷裂構(gòu)造及煤層頂、底板裂隙較為發(fā)育；工作面回采過程中將過SF63-2正斷層，同時工作面周邊發(fā)育SF62-1、SF62-2、SF64、F聯(lián)1四條正斷層，受斷層影響，可能發(fā)育次生構(gòu)造，煤層松軟、頂板較破碎，同時可能出現(xiàn)頂板淋水、瓦斯異常等現(xiàn)象，為華中地區(qū)典型的“三軟”煤層。

1.2 采面回采工藝

采面回采工藝為綜合機械化放頂煤，采放平行作業(yè)，工作面采高為2.8 m(偏差≤0.1 m)，割2刀為1個循環(huán)，每循環(huán)進度1.2 m。采用等量間隔多輪次順序放煤方式放煤，采放比為1∶1.2，全部垮落法管理頂板，端頭頂煤不進行回收。采煤機進刀方式為端部斜切進刀，進刀段長度為30 m，進刀深度0.6 m，采取雙向割煤，前滾筒割頂煤，后滾筒割底煤。采煤機割煤后及時伸出伸縮梁和護幫板護頂，及時跟機移架，后部刮板輸送機不隨支架前移，拉移方式與前部刮板輸送機相同。

1.3 采面綜機設(shè)備配套選型

參照集團單位“三軟”煤層開采經(jīng)驗，結(jié)合原12213、11202綜采工作面設(shè)備使用情況，同時考慮礦區(qū)內(nèi)設(shè)備互換性要求和生產(chǎn)安全、可靠等原則，14205綜采工作面設(shè)備選型見表1。

表1 14205工作面綜機設(shè)備配套Tab.1 Fully-mechanized machine equipment for No.14205 working face

2 項目智能自動化方案

為全面實現(xiàn)綜采面綜機設(shè)備智能自動化，該項目對14205工作面配套的綜機設(shè)備進行集成系統(tǒng)控制，通過井下光纖數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)地面主機遠程控制井下綜機設(shè)備自動化作業(yè)，結(jié)合傳感技術(shù)采集井下地質(zhì)條件動態(tài)數(shù)據(jù)反饋控制器，使設(shè)備在現(xiàn)場實際生產(chǎn)中根據(jù)煤質(zhì)、負載、支撐壓力等狀況進行智能化動態(tài)調(diào)整，從而對采高、割煤速度、放煤間隔、推溜拉架、立柱補壓、液化液配比等工藝環(huán)節(jié)進行智能化控制[1]。該系統(tǒng)共分為六大控制部分，各部分控制原理及功能如下。集成控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 集成控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of integrated control system

2.1 乳化液泵站智能化供液配比系統(tǒng)

乳化液泵站智能化供液配比系統(tǒng)，由礦用乳化液自動配液站、井下綜合供水凈化站、高壓過濾站、回液過濾站系統(tǒng)組成。供液循環(huán)路線為：井下供水管路供水→井下綜合供水凈化站→礦用乳化液自動配液站→乳化液泵站→高壓過濾站→工作面進液管路→工作面液壓元件→工作面回液管路→回液過濾站→乳化液泵站。

此系統(tǒng)可實現(xiàn)乳化液泵自動配液、供液，當(dāng)乳化液在自動配液時，液體的配比濃度5%，通過BRW400/31.5型乳化液泵站用隔爆兼本質(zhì)安全型配比電控箱，控制乳化液配比裝置中的電磁水閥和配比泵來實現(xiàn)的。當(dāng)乳化液箱中的液位降到設(shè)定的低液位時，液位傳感器發(fā)出補充液體信號給電控箱，在電控箱接收到后，將配比裝置中的進水電磁閥開啟，向乳化液箱補水，同時循環(huán)泵開啟，實時檢測乳化液箱的濃度，電控箱接收到濃度信號后，如果濃度低于設(shè)定的低濃度值，就給配比泵發(fā)送啟動信號，開啟配比泵，往乳化液箱補油，一段時間后停止，然后繼續(xù)檢測濃度，直到乳化液箱的濃度達到設(shè)定的濃度值，完成了一次補液與配液的程序[2]。同時，系統(tǒng)配備自動模式和手動模式，自動模式下系統(tǒng)按照程序和設(shè)定值自行運行；手動模式下可人工進行補水和補油動作。

2.2 工作面綜機智能化集成控制系統(tǒng)

綜采面智能化控制系統(tǒng)是綜采工作面自動化采煤的核心，是整個工作面綜機設(shè)備協(xié)調(diào)機制的大腦，通過操作人員的人機接口與監(jiān)控平臺，通過建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳輸接口和通信規(guī)約[3]，實現(xiàn)與各個子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信，將綜放工作面液壓支架、采煤機、刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機、破碎機、膠帶輸送機、乳化液泵站、噴霧泵站、供電系統(tǒng)等系統(tǒng)集成起來，建立工作面千兆級以太環(huán)網(wǎng)和井下雙數(shù)據(jù)交換主機實現(xiàn)工作面自動化控制，利用礦井綜合自動化系統(tǒng)向地面?zhèn)鬏?，在地面主機上進行顯示，實現(xiàn)遠程監(jiān)測以及各種數(shù)據(jù)的實時顯示、監(jiān)控等。

智能化集成系統(tǒng)可以實現(xiàn)在集控中心對綜采工作面采煤機、液壓支架、刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機、破碎機、泵站系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)的遠程控制，工作狀態(tài)遠程監(jiān)測監(jiān)控、故障告警、故障記錄；實現(xiàn)運輸系統(tǒng)、泵站系統(tǒng)設(shè)備的一鍵啟停，故障聯(lián)鎖急停、語音告警；實現(xiàn)采煤機記憶截割采煤；實現(xiàn)工作面液壓支架自動跟機移架、推溜；實現(xiàn)工作面采煤機、液壓支架、運輸系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)、泵站系統(tǒng)的聯(lián)動閉鎖控制[4]。當(dāng)平地調(diào)度室控制主機和工作面各安設(shè)集控操作控制平臺得到遠程操作指令時，會按照預(yù)設(shè)的啟動順序，如膠帶輸送機機頭破碎機→膠帶輸送機→轉(zhuǎn)載機→前部刮板輸送機(后部刮板輸送機)→采煤機啟動順序，從而實現(xiàn)自動化、智能一鍵啟動化生產(chǎn)。同時，集中控制系統(tǒng)具有后臺數(shù)據(jù)庫存儲功能，能夠?qū)崿F(xiàn)對各單機的參數(shù)、故障記錄等進行存儲。

圖2 系統(tǒng)集成控制方案Fig.2 System integrated control scheme

2.3 電液控液壓支架自動化系統(tǒng)

14205工作面液壓支架采用ZE0704型電液控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由支架控制器、電磁閥驅(qū)動器、隔爆兼本安型穩(wěn)壓電源、中繼器、隔離耦合器、電液換向閥組、驅(qū)動器、壓力傳感器、位移傳感器、傾角傳感器、紅外線發(fā)射器、紅外線接收器等組成[5]。支架控制器可對支架進行各種動作的控制，完成支架單架和成組手動、自動動作。該系統(tǒng)利用電磁繼電器上電磁閥動作控制液壓閥進回液原理，實現(xiàn)液壓支架自動動作，它具有監(jiān)測支架狀態(tài)、執(zhí)行各種指令、編輯運行程序、液晶顯示屏顯示系統(tǒng)各種狀態(tài)等功能[6]。支架控制器操作具有點動模式、功能保持模式、功能切換模式、自動動作及遠程控制模式。

電液控制系統(tǒng)將液壓支架每7架分為1組，串聯(lián)至1臺控制器中?？蓪崿F(xiàn)液壓支架單架手動、單架自動、成組手動、成組自動、急停閉鎖等功能。在推移運輸機工序時，通過安裝在支架千斤頂行程處的傳感器，可實時監(jiān)測推移千斤頂活塞桿的行程值，并將位移信號轉(zhuǎn)化為模擬信號輸送給支架控制器進行分析處理，實現(xiàn)對推溜距離的檢測和控制[6]。壓力傳感器用來實時檢測支架立柱下腔壓力，并將壓力信號轉(zhuǎn)化為電壓信號輸送給控制器進行分析，測量范圍0～60 MPa[7]。當(dāng)壓力低于預(yù)定壓力時，電液閥芯自動開啟對立柱進行補壓，保障支架有效初撐力。同時通過遠程控制，可在平地電腦主機中操作井下任何單架或成組液壓支架進行作業(yè)動作。

2.4 液壓支架自動跟機系統(tǒng)

為實現(xiàn)采煤機割煤后，液壓支架及時推移運輸機并移架，該系統(tǒng)利用紅外線接收器和紅外線發(fā)射器構(gòu)成采煤機位置檢測裝置，紅外線發(fā)射器安裝在采煤機上，隨采煤機往復(fù)運行，并不斷地向外發(fā)射紅外線信號[8]；紅外線接收器安裝在液壓支架上，當(dāng)采煤機割煤運行過去后，接收器可以將接收到的紅外線信號轉(zhuǎn)化為模擬信號傳輸至支架控制器，支架控制器根據(jù)接收到的信號判斷采煤機的位置及運行方向，從而進行自動作業(yè)，如推移運輸機、移架、隨架噴霧、自動分組震動放煤等工藝流程。

2.5 高壓反沖洗過濾系統(tǒng)

考慮井下工作環(huán)境復(fù)雜，為有效阻礙雜物進入液壓管路，從而影響采面液壓支架運動，對液壓支架泵站排出的高壓液進入反沖洗過濾器的進液管，分別經(jīng)過反沖換向閥進入過濾芯的外部，再經(jīng)濾芯過濾后與出液管路相連，并經(jīng)排出管的出口接頭而輸送到工作面的液壓支架[9]。在進液管與出液管上，分別裝有壓力表與壓力傳感器。當(dāng)進液與出液管上的2個壓力表上壓力有明顯的壓差時，表示臟物已將濾芯的過濾孔堵塞了一部分，此時通過控制器參數(shù)設(shè)備，自動啟動高壓過濾器進行反沖洗，從而克服閥件堵塞現(xiàn)象。

2.6 工作面視頻實時監(jiān)控系統(tǒng)

工作面視頻系統(tǒng)為綜放自動化系統(tǒng)提供對工作面開采現(xiàn)場、關(guān)鍵設(shè)備運行狀況的視頻輔助監(jiān)測，工作面每6架安裝1臺云臺攝像儀用于動態(tài)跟蹤采煤機割煤，輸送機機頭機尾、轉(zhuǎn)載點、膠帶機機頭等關(guān)鍵區(qū)域配置共計10臺云臺攝像儀，攝像儀具備低照度、寬動態(tài)、強光抑制、水霧及煤塵穿透功能，同時每6架配置1臺礦用交換機，工作面形成千兆級工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)傳輸，對工作面煤壁的無死角覆蓋監(jiān)控，自動跟隨采煤機切換前后滾筒近景與前后遠景實時視頻，通過數(shù)據(jù)傳送，將井下監(jiān)視畫面實時上傳平底地面控制室，播放在地面大屏幕監(jiān)視器上，可同時實現(xiàn)重點視頻調(diào)用、視頻存儲及監(jiān)視功能[10-11]。

3 結(jié)論

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能化集成控制模式已經(jīng)被應(yīng)用于各個行業(yè)，使智能化集成控制在礦山井下復(fù)雜的工作條件下得以應(yīng)用實現(xiàn)。文中基于井下采面綜機設(shè)備智能自動化集成控制系統(tǒng)的研究，通過14205工作面回采9個月的實踐驗證，實現(xiàn)了以液壓支架跟機自動化技術(shù)、采煤機記憶截割技術(shù)、工作面視頻監(jiān)控技術(shù)、遠程集中監(jiān)控技術(shù)、自動放頂煤技術(shù)、乳化液自動配比技術(shù)為核心的六大綜放工作面智能化開采技術(shù)。有效提高了綜采面綜機設(shè)備的工作效率、降低人工經(jīng)濟成本，推動了礦山井下生產(chǎn)智能自動化建設(shè)，可為今后綜采工作面智能化推廣與應(yīng)用提供參考。