鮑店煤礦智能化工作面的建設(shè)與優(yōu)化

丁 奇 趙 峰 劉士平

（兗礦能源集團(tuán)股份有限公司鮑店煤礦，山東 鄒城 273500）

國(guó)內(nèi)智能化采煤存在的難點(diǎn)：1）智能化開(kāi)采剛開(kāi)始起步，配套設(shè)備還未成體系，受地質(zhì)條件影響較大，還不能適應(yīng)不規(guī)則、大傾角、大采高、高瓦斯、千米深井等災(zāi)害突出的工作面[1]。2）智能化裝備配套還有很遠(yuǎn)的路要走。目前采煤機(jī)還只能做到程序截割，模擬人工割煤，還無(wú)法做到自適應(yīng)割煤，沒(méi)有安裝支架防碰撞系統(tǒng)，需要人工干預(yù)。工作面兩順槽支架和轉(zhuǎn)載機(jī)的拉移仍然需要人工操作，液壓支架自動(dòng)跟機(jī)過(guò)程中出現(xiàn)故障系統(tǒng)無(wú)法辨別，做不到自診斷、自處理和糾正，系統(tǒng)運(yùn)行中缺乏自主檢測(cè)和控制，設(shè)備各類(lèi)傳感器可靠性還不高等，都制約了智能化的發(fā)展[2-3]。3）掘進(jìn)智能化發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于采煤，受限于其本身特點(diǎn)，技術(shù)發(fā)展非常不平衡，目前僅能做到遙控截割。自動(dòng)自主定位截割、自動(dòng)錨護(hù)等關(guān)鍵技術(shù)還未取得突破，后配套設(shè)備還需要進(jìn)一步完善，嚴(yán)重制約掘進(jìn)效率。

鮑店煤礦在智能化采煤方面做了大量的嘗試和探索，積極推廣整體頂梁液壓支架、智能采煤機(jī)、變頻驅(qū)動(dòng)運(yùn)輸機(jī)等先進(jìn)裝備，投用無(wú)人值守地面自動(dòng)配液、采區(qū)集中供液系統(tǒng)，建成7304 智能化綜放工作面，取得了較好應(yīng)用效果。

1 鮑店煤礦7304 采煤工作面概況

7304 綜放工作面位于七采區(qū)北部，是七采區(qū)西翼3 煤層第二個(gè)區(qū)段的工作面。平均標(biāo)高-452 m，面長(zhǎng)286 m，走向長(zhǎng)1722～1891 m；平均煤厚9.02 m，基礎(chǔ)儲(chǔ)量為631.6 萬(wàn)t。目前7304 工作面機(jī)頭推進(jìn)1221 m，機(jī)尾推進(jìn)1233 m。

2 7304 采煤工作面建設(shè)背景

傳統(tǒng)工作面液壓支架需手動(dòng)搬動(dòng)閥把操作，采煤機(jī)需人工遙控器跟隨調(diào)控，放煤需多人配合雙輪順序多頭放煤，工作面生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)以人工操作為主，占用人工較多、勞動(dòng)效率不高、危險(xiǎn)系數(shù)大。鑒于鮑店煤礦智能化裝備功能、程序設(shè)計(jì)不完善，不符合、不適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)需要以及減人提效需要，就此開(kāi)展了設(shè)備優(yōu)化建設(shè)。

3 智能化工作面建設(shè)目標(biāo)

1）集控中心：建設(shè)兩套集控中心，實(shí)現(xiàn)地面和井下的通信、監(jiān)控。

2）通過(guò)通信、以太網(wǎng)、視頻、液壓等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面設(shè)備遠(yuǎn)程或就地啟?？刂?、視頻監(jiān)控、語(yǔ)音通話(huà)等功能。

3）支架電液控系統(tǒng)：創(chuàng)新研發(fā)改進(jìn)了全功能遙控器，優(yōu)化遙控按鍵布局和功能操作，通過(guò)紅外+無(wú)線(xiàn)雙重通信實(shí)現(xiàn)支架電液控系統(tǒng)的精確對(duì)碼和遙控控制，操作更加靈活、快捷。采用四路電源供電、有線(xiàn)+無(wú)線(xiàn)“雙總線(xiàn)”設(shè)計(jì)，保障了無(wú)線(xiàn)通信和跳架傳輸，系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠。實(shí)現(xiàn)功能：鄰架控制、成組控制、自動(dòng)跟機(jī)、遙控控制、急停閉鎖、故障顯示報(bào)警。

4）視頻監(jiān)控系統(tǒng)：工作面支架、各轉(zhuǎn)載點(diǎn)、泵站等地點(diǎn)均安裝高清本質(zhì)安全型攝像儀，具備視頻跟機(jī)自動(dòng)切換、紅外補(bǔ)光、視頻本地存儲(chǔ)功能。工作面內(nèi)采用基站光纖加wifi 無(wú)線(xiàn)兩種通信。通過(guò)千兆網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行視頻傳輸，地面調(diào)度臺(tái)、集控中心可以對(duì)工作面各作業(yè)地點(diǎn)生產(chǎn)狀況進(jìn)行全過(guò)程、無(wú)縫隙動(dòng)態(tài)監(jiān)控。

5）手持智能終端系統(tǒng)：具備工作面三機(jī)、皮帶機(jī)等設(shè)備數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、工作面視頻監(jiān)視及沿線(xiàn)語(yǔ)音通話(huà)功能，在網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)可以查詢(xún)工作面各設(shè)備運(yùn)行狀況。實(shí)現(xiàn)的功能：視頻通話(huà)、監(jiān)控瀏覽、故障查詢(xún)、無(wú)線(xiàn)遙控、工況顯示。

4 7304 智能化工作面優(yōu)化與改進(jìn)

4.1 優(yōu)化自動(dòng)跟機(jī)系統(tǒng)

優(yōu)化跟機(jī)控制程序，自動(dòng)跟機(jī)由后滾筒改為前滾筒，即煤機(jī)前滾筒過(guò)后兩架進(jìn)行降、移、升和伸插板動(dòng)作，后滾筒過(guò)后進(jìn)行伸護(hù)幫動(dòng)作，配套動(dòng)作更加緊湊，跟機(jī)工藝更加流暢，支護(hù)更加及時(shí)，有效防止頂板事故。

優(yōu)化支架跟機(jī)動(dòng)作程序，收前插板前適當(dāng)降前柱，降柱與移架同時(shí)動(dòng)作，拉架前左右鄰架先助推，避免前部刮板輸送機(jī)后坐，移架更加精準(zhǔn)。移架前根據(jù)推移行程大小升抬底，避免架前涌煤[4]。

利用推移行程傳感器數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，智能識(shí)別超前架，識(shí)別后只動(dòng)作護(hù)幫，避免超前架拉移位置跟機(jī)中斷問(wèn)題，大幅提升自動(dòng)跟機(jī)效率。

4.2 優(yōu)化自動(dòng)放煤工藝

結(jié)合綜放采煤工藝技術(shù)要求，積極采取時(shí)序自動(dòng)放煤與人工干預(yù)相結(jié)合的方式，通過(guò)對(duì)放煤時(shí)間、放煤傾角、尾梁尾插行程和擺動(dòng)次數(shù)等參數(shù)進(jìn)行記錄、比對(duì)、反復(fù)測(cè)量和優(yōu)化，總結(jié)出自動(dòng)放煤合理時(shí)間，制定出兩種時(shí)序放煤模式，有效應(yīng)對(duì)不同頂板條件下放煤需要，探索形成了一套用智能化設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化放煤的綜放開(kāi)采新工藝[5]。優(yōu)化了跟機(jī)自動(dòng)放煤工藝，跟煤機(jī)后滾筒放煤，后滾筒3 架進(jìn)行首輪放煤，過(guò)5 架后第二輪放煤，每輪放煤時(shí)間控制在11 s 左右，第三輪只需要人工找補(bǔ)，大幅提高了放煤效率。

4.3 優(yōu)化記憶割煤工藝

記憶截割軟件實(shí)現(xiàn)了15 個(gè)工藝段學(xué)習(xí)過(guò)程，通過(guò)優(yōu)化記憶數(shù)據(jù)，及時(shí)動(dòng)態(tài)在線(xiàn)學(xué)習(xí)，修改完善記憶截割數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)中部過(guò)程記憶截割。目前每班記憶截割使用率多數(shù)能達(dá)到80%以上，采煤機(jī)司機(jī)只需監(jiān)護(hù)前滾筒，后滾筒多數(shù)靠記憶截割。

5 7304 智能化工作面建設(shè)

5.1 液壓支架配置電液控制系統(tǒng)

工作面液壓支架、順槽支架、單元支架均配置有電液控系統(tǒng)，具備遠(yuǎn)程遙控功能；基于記憶截割傳感器（編碼器、擺角傳感器、機(jī)身傾斜傳感器），配合DSP 電控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)記憶截割功能。設(shè)液壓支架安裝控制器，配備攝像儀、壓力、行程、紅外、傾角、聲光等傳感器。煤機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)具有自動(dòng)記憶截割、遠(yuǎn)端操作、狀態(tài)數(shù)據(jù)分析、煤機(jī)定位、自動(dòng)跟機(jī)移架、跟機(jī)噴霧、自動(dòng)放煤、姿態(tài)監(jiān)測(cè)、遙控操作等功能。

5.2 割煤系統(tǒng)

1）采煤機(jī)編碼器精度為±5 cm，擺角傳感器為±2%（與工作面的高度有關(guān)），其他傳感器精度誤差為±1%。傳感器精度滿(mǎn)足智能化使用要求[6]。

2）通過(guò)位置編碼器等對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行精確定位，實(shí)現(xiàn)自主定位功能。配置擺角傳感器和兩維傾斜傳感器能夠動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)搖臂角度、機(jī)身俯仰角，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)姿態(tài)監(jiān)測(cè)功能。采煤機(jī)利用SGC 順槽通信模塊經(jīng)順槽顯示主機(jī)同集控中心塔式主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)接，通過(guò)操作平臺(tái)實(shí)現(xiàn)煤機(jī)遠(yuǎn)程控制。采煤機(jī)FYF30-V3 遙控器與煤機(jī)WCR 無(wú)線(xiàn)電遙控接收模塊配套使用，實(shí)現(xiàn)機(jī)載無(wú)線(xiàn)遙控功能。

3）井下智能集中控制中心配備智能采煤機(jī)系統(tǒng)，由采煤機(jī)傳感器系統(tǒng)、自由工藝段記憶截割系統(tǒng)、基于載波通信的煤機(jī)數(shù)據(jù)上傳與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)煤機(jī)遠(yuǎn)程診斷與服務(wù)系統(tǒng)組成，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)運(yùn)行工況監(jiān)測(cè)、故障診斷、預(yù)警功能[7]。

4）采煤機(jī)具備瓦斯、煤塵探測(cè)功能，探測(cè)系統(tǒng)能夠聯(lián)動(dòng)控制采煤機(jī)具備環(huán)境安全瓦斯聯(lián)動(dòng)功能，且能正常使用。

5.3 支護(hù)系統(tǒng)

1）液壓支架配備ZDZY-Z 電液控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)液壓支架的降、移、升自動(dòng)控制。液壓支架配備行程傳感器、壓力傳感器、傾角傳感器等傳感器；前后立柱均安裝有壓力傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)視支架的支護(hù)狀態(tài)；推移千斤頂安裝有非接觸磁環(huán)行程傳感器；在支架頂梁、連桿、底座共安裝3 個(gè)傾角傳感器，用于支架支護(hù)高度測(cè)量。

2）液壓支架電液控服務(wù)器采集采煤機(jī)的運(yùn)行位置，實(shí)現(xiàn)跟機(jī)移架等功能。目前跟機(jī)率可達(dá)90%以上，并常態(tài)化運(yùn)行。

3）液壓支架具備自動(dòng)找直功能。順槽顯示主機(jī)通過(guò)訪問(wèn)LASC 服務(wù)器，獲取工作面輪廓線(xiàn)、找直目標(biāo)曲線(xiàn)及RPC 數(shù)據(jù)，集控中心將獲取的RPC數(shù)據(jù)通過(guò)支架服務(wù)器下發(fā)至支架控制器，控制支架拉移行程，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)工作面自動(dòng)找直功能。

4）液壓支架具備自動(dòng)補(bǔ)壓、自動(dòng)噴霧等功能。自動(dòng)補(bǔ)壓參數(shù)設(shè)置如下：補(bǔ)壓下限15 MPa，補(bǔ)壓差值1 MPa，單次補(bǔ)壓時(shí)間10 s，補(bǔ)壓間隔3 s，補(bǔ)壓次數(shù)3 次；自動(dòng)噴霧參數(shù)設(shè)置如下：噴霧時(shí)間20 s，噴霧距離22 m，噴霧架數(shù)3，噴霧保持10 s。

5）支護(hù)系統(tǒng)具有壓力超前預(yù)警、自動(dòng)跟機(jī)支護(hù)、伸縮梁（護(hù)幫板）防碰撞等功能。通過(guò)機(jī)尾服務(wù)器采集并上傳兩順槽支架壓力傳感器數(shù)值，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、記錄順槽超前支護(hù)段支撐壓力變化情況，并在組態(tài)中建立預(yù)警功能。當(dāng)立柱壓力大于37 MPa 時(shí)進(jìn)行預(yù)警提示，實(shí)現(xiàn)壓力超前預(yù)警功能。

5.4 運(yùn)輸系統(tǒng)

1）刮板輸送機(jī)自動(dòng)監(jiān)測(cè)煤流負(fù)荷。前部刮板運(yùn)輸機(jī)采用變頻一體機(jī)，后部刮板運(yùn)輸機(jī)采用變頻電機(jī)配變頻開(kāi)關(guān)，轉(zhuǎn)載機(jī)配備變頻一體機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)監(jiān)測(cè)電機(jī)電流的大小來(lái)反饋煤流負(fù)荷。

2）刮板輸送機(jī)具備工況監(jiān)測(cè)、鏈條自緊、斷鏈保護(hù)功能。運(yùn)輸機(jī)配備刮板機(jī)工況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)伸縮機(jī)尾油缸缸底壓力和活塞位移實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，并結(jié)合液控單元，實(shí)現(xiàn)機(jī)尾伸縮的自動(dòng)控制；運(yùn)輸機(jī)安裝ZDJ12 型礦用刮板運(yùn)輸機(jī)斷鏈監(jiān)測(cè)裝置，傳感器基于霍爾原理，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鏈道鏈條磁場(chǎng)電壓信號(hào)，綜合判斷刮板鏈運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)斷鏈監(jiān)測(cè)保護(hù)。

3）電動(dòng)機(jī)、減速器及電控系統(tǒng)運(yùn)行工況自動(dòng)監(jiān)測(cè)、故障自動(dòng)診斷。集中控制中心三機(jī)操作臺(tái)通過(guò)與三機(jī)控制開(kāi)關(guān)通信，實(shí)時(shí)顯示三機(jī)運(yùn)行狀態(tài)及電流、電壓、溫度等工況信息，可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)、減速器及電控系統(tǒng)的運(yùn)行工況監(jiān)測(cè)與故障診斷等功能。

4）順槽可伸縮帶式輸送機(jī)具有異物檢測(cè)、帶速監(jiān)測(cè)、跑偏、煙感等功能。帶式輸送機(jī)安裝有KTC150 控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)帶速、溫度等監(jiān)測(cè)功能。膠帶機(jī)安裝AI 攝像儀，對(duì)于膠帶上高速運(yùn)行的異物（積水、錨桿、錨索托盤(pán)、木料、大塊矸石等）圖像瞬間抓拍，自動(dòng)識(shí)別報(bào)警。在機(jī)頭、機(jī)尾及中部各安裝防跑偏保護(hù)傳感器1 組，煤倉(cāng)上口安裝堆煤保護(hù)裝置1 件，機(jī)尾安裝防撕裂保護(hù)裝置1 組，驅(qū)動(dòng)滾筒上方下風(fēng)口頂板安裝煙霧保護(hù)傳感器1 件。工作面井下集控中心通過(guò)光纖及光電轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)與變頻器主機(jī)通信，讀取煤量監(jiān)測(cè)、煤量百分比等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)模擬量信號(hào)，通過(guò)下發(fā)給變頻器模擬量信號(hào)，實(shí)現(xiàn)可伸縮帶式輸送機(jī)基于煤量監(jiān)測(cè)的智能調(diào)速控制功能。

6 7304 智能化工作面建設(shè)亮點(diǎn)

1）地面配液中心為國(guó)內(nèi)首家無(wú)人值守地面自動(dòng)配液系統(tǒng)。設(shè)10 000 L 乳化油罐和乳化液箱各1臺(tái)、乳化油泵組、乳化液輸送泵組及配比控制系統(tǒng)。為乳化液配比提供的清潔水源達(dá)到合格的飲用水標(biāo)準(zhǔn)，乳化液由管路自然送至井下采區(qū)泵站，乳化液箱補(bǔ)液口處設(shè)置電動(dòng)閘閥，與井下乳化液箱液位聯(lián)動(dòng)控制。

2）采區(qū)智能供電供液。供電中心布置在七采軌道巷，實(shí)現(xiàn)2600 m 長(zhǎng)距離設(shè)備供電。七采區(qū)供液中心實(shí)現(xiàn)配液地面化、供液集中化。配備超大流量泵站、變頻驅(qū)動(dòng)、四級(jí)高精度過(guò)濾，選用高等級(jí)不銹鋼無(wú)縫鋼管供液，機(jī)器人全方位智能巡檢，可服務(wù)整個(gè)采區(qū)達(dá)12 a 以上。

3）運(yùn)輸機(jī)斷鏈監(jiān)測(cè)。運(yùn)輸機(jī)安裝ZDJ12 型礦用刮板運(yùn)輸機(jī)斷鏈監(jiān)測(cè)裝置，傳感器基于霍爾原理，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鏈道鏈條磁場(chǎng)電壓信號(hào)，綜合判斷刮板鏈運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)斷鏈監(jiān)測(cè)保護(hù)，如圖1。

圖1 斷鏈傳感器圖

4）運(yùn)輸機(jī)自動(dòng)張緊。運(yùn)輸機(jī)配備刮板機(jī)工況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)伸縮機(jī)尾油缸缸底壓力和活塞位移實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，并結(jié)合液控單元，實(shí)現(xiàn)機(jī)尾伸縮的手動(dòng)和自動(dòng)控制功能。

5）人臉識(shí)別閉鎖系統(tǒng)。工作面兩端頭安裝人臉識(shí)別安全閉鎖裝置，以人臉識(shí)別閉鎖作為停送電管理的新措施，增強(qiáng)了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的規(guī)范性。

6）AI 攝像異物檢測(cè)。膠帶機(jī)安裝AI 攝像儀，對(duì)于膠帶上高速運(yùn)行的異物（積水、錨桿、錨索托盤(pán)、木料、大塊矸石等）圖像瞬間抓拍，自動(dòng)識(shí)別報(bào)警。

7）智能化信息顯示。工作面配備集控系統(tǒng)，可對(duì)采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)等設(shè)備實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中控制，具有設(shè)備工況監(jiān)測(cè)、故障報(bào)警等功能，及智能化運(yùn)行數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄、分析等功能。

7 結(jié)論

1）實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化功能的常態(tài)化運(yùn)行。傳統(tǒng)工作面人工手動(dòng)操作，勞動(dòng)強(qiáng)度較高；智能化工作面電液自動(dòng)控制作業(yè)，勞動(dòng)強(qiáng)度低。

2）作業(yè)人員少。智能化工作面每班可設(shè)置作業(yè)人員7 人，與傳統(tǒng)工藝需14 人相比，每班可減少7 人，減幅達(dá)50%。