薄煤层综采工作面自动化技术综述.pdf
第 3 9卷 第 5期 2 0 1 3年 5月 工矿 自 动化 I n d u s t r y a n d M i n e Au t o ma t i o n Vo l _ 3 9 NO . 5 M a y 2 0 1 3 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 3 0 5 0 0 2 7 0 4 D OI 1 0 . 7 5 2 6 / j . i s s n . 1 6 7 1 2 5 1 X . 2 0 1 3 . 0 5 . 0 0 8 于月森, 左腾 , 周娟 , 等. 薄煤层综采工作面 自动化技术综述E J ] . 工矿 自动化 , 2 0 1 3 , 3 9 5 2 7 3 O . 薄煤层综采工作面自动化技术综述 于月森 , 左腾 , 周娟 , 汤 中于 , 伍 小杰 中国矿业大学 信息与电气工程学院,江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 摘要 分析 了国内外薄煤层综采工作面 自动化技术的发展现状, 介绍 了薄煤层综采工作面 自动化 系统结 构 、 采 煤机 自动 化控 制技 术 、 液 压 支架 电液控 制技 术 、 刮 板 输送 机 自动 化 控 制技 术及 采 场 空 间环 境 可视 化 监 测技术, 指 出了薄煤层综采工作面 自动化技术的发展趋势 采用先进 工艺提 高采煤机 、 液压支架等设备 的工 作 可靠性 ; 提高薄煤层综采工作面 自动化 系统的 自动化程度 , 完善控制 系统与故障诊 断系统, 提 高对各种采 煤环境的适应能力; 从有链牵引向无链 牵引及电牵引方向发展 ; 进一步研究综采工作面可视化监测系统。 关键 词 薄煤层 ;综采 工作 面 ;无人 工作 面;自动化 开采 中图分类 号 TD 8 2 3 . 2 5 1 文 献标 志码 A 网络 出版 时 间 2 0 1 3 0 4 2 8 0 9 0 7 网络 出版 地址 h t t p / / www. c n k i . n e t / k c ms / d e t a i l / 3 2 . 1 6 2 7 . T P . 2 0 1 3 0 4 2 8 . 0 9 0 7 . 0 0 8 . h t m1 Re v i e w o f a ut o ma t i o n t e c hn o l o g y f o r f u l l y me c ha n i z e d c o a l f a c e o f t h i n s e a m YU Yu e - s e n, Z UO Te n g, ZHOU J u a n, TANG Z h o n g y u, WU Xi a o j i e S c h o o l o f I n f o r ma t i o n a n d El e c t r i c a l En g i n e e r i n g,Ch i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d Te c h n o l o g y Xu z h o u 2 2 1 0 0 8 ,Ch i n a Ab s t r a c t Th e p a p e r a n a l y z e d d e v e l o p me n t s t a t u s o f a u t o ma t i o n t e c h n o l o g y f o r f u l l y me c h a n i z e d c o a l f a c e o f t h i n s e a m a t h o me a n d a b r o a d.i n t r o d u c e d s t r u c t u r e o f a u t o ma t i o n s y s t e m o f f u l l y me c h a n i z e d c o a l f a c e o f t h i n s e a m,a n d a u t o ma t i o n c o n t r o l t e c h n o l o g y f o r s h e a r e r ,e l e c t r o h y d r a u l i c c o n t r o l t e c h n o l o g y f o r hy dr a u l i c s up po r t , a u t o m a t i o n c on t r ol t e c hno l o gy f or s c r a p e r c on v e y or a nd v i s u a l i z e d mon i t o r i n g t e c hno l o gy o f mi ni n g s pa c e e n v i r on m e nt .I t p oi n t e d ou t de v e l o pme nt t r e nd of a ut o ma t i on t e c hno l o gy f o r f u l l y me c h a n i z e d c o a l f a c e o f t h i n s e a m ,t h a t i s t o u s e a d v a n c e d t e c h n i q u e t o i mp r o v e wo r k i n g r e l i a b i l i t y o f de vi c e s s uc h as s he a r e r a nd hy dr a u l i c s up po r t;t o i m p r ov e a u t o ma t i o n d e g r e e o f a u t o ma t i o n s y s t e m of f ul l y m e c h a ni z e d c oa l f a c e o f t hi n s e a m , pe r f e c t c o nt r o l s ys t e m a n d f a u l t d i a g no s i s s ys t e m a nd i mpr o ve a da p t a b i l i t y f o r mi n i ng e nv i r o nm e nt s ; t o de v e l o p f r o m c h a i n t r a c t i o n t o no c ha i n t r a c t i o n a nd e l e c t r i c t r a c t i o n;t o f ur t h e r s t ud y v i s u a l i z e d mo ni t or i n g s y s t e m o f f ul l y m e c ha ni z e d c o a l f a c e . Ke y wo r d s t hi n s e a m ;f u l l y m e c ha ni z e d c o a l f a c e;ma nl e s s c o a l f a c e;a u t o m a t i o n m i ni n g 0 引言 薄煤层是指地下开采厚度在 1 . 3 m 内, 露天开 采厚度在 3 . 5 m 以下 的煤层。中国薄煤层分布广 泛 , 多数厂 矿都 有赋 存 , 目前 已探 明 的薄 煤 层可采 储 量达 6 1亿 t , 占全部可开采储量 的 1 9 9 / 6 左右 。但薄 煤层 由于开采难度较大 , 效益不如中厚煤层 , 实际开 采量很低 , 存在以下 问题Ⅲ ① 薄煤层在开采过程 中要受其所在环境与空间的制约, 相关设备安装操 作难度大 , 设备功率较低 , 工作人员活动范 围狭小 , 收稿 日期 2 0 1 3 0 1 2 1 。 基金项 目 国家高技术研究发展计划 8 6 3计划 项 目 2 0 1 2 AA0 6 2 1 0 3 。 作者筒介 于月 1 9 7 8 一 , 男 , 山东五莲人 , 讲 师, 博 士, 主要研究方 向为g t lJ 2、 防爆电器 , E - ma i l 1 8 0 5 1 3 7 2 8 6 8 1 2 6 . c o m。 2 8 工矿 自动化 2 0 1 3年第 3 9卷 劳动强度大, 同时通风保障难度大, 瓦斯等危险有害 气体 排放 困难 , 容 易 引 发 安 全 事故 ; ② 薄 煤 层 的 煤 层厚 度较 低 , 因此 , 薄煤 层 采 掘 推进 速 度 较 快 , 相关 设备 的运转 周 期 短 , 设 备 调 动频 繁 ; ③ 相 对 于 中 厚 煤层 , 薄煤 层投 资相 对 较 大 , 但 产量 较 低 , 而 且 地 质 条件复杂 。中国部分矿区 中厚煤层资源 已接近枯 竭 , 为充分利用煤炭资源 , 保证生产 , 研究薄煤层综 采工 作 面 自动 化技术具 有重 要意 义 。 1 国 内外 薄煤 层开 采情 况 1 . 1 国外薄煤 层 开采技 术 国 外 应 用 比较 广 泛 的 薄煤 层 采煤 方 式 有 以下 3种 ① 刨 煤机 机组 采用 刨 煤 机 、 刮板 输 送 机 和 液 压支 架 。刨煤机 自动化 割煤 技术 在法 国 、 德 国 、 比利 时、 俄罗斯有比较广泛的应用, 尤其是德国研制和使 用刨煤机的时间最长 , 技术水平最高。② 滚筒采煤 机机 组 采 用滚 筒采 煤 机 、 刮 板 输送 机 和 液 压支 架 。 该方 式在英 国、 美 国有 比较 广泛 的应 用 。③ 螺 旋钻 机机 组 采 用螺 旋钻机 、 刮板 输送 机和液 压支架 。该 方式 广泛应 用 于美 国、 俄 罗 斯 、 乌克 兰 , 主要 用 于厚 度在 0 . 4 ~0 . 8 m 间 的 薄煤 层 开 采 , 其 特 点是 工 作 人员可以在巷道内操作设备 , 实现了工作面无人值 守 , 改善 了工作 环境 , 降低 了事故 发生率 ] 。 德 国 D B T公 司一 直 是 全球 长 壁 采矿 设 备 的 领 头公 司 , 拥 有一 整套 用 于 中厚 煤 层 和 薄煤 层 的长 壁 采矿 设 备 刨 煤 机 机 组 。该 套 设 备 配 备 的 P M4 液压 控制 系统 可 以实 现无 人 工 作 面 自动 化 , 是 一 套 不需 要人 工操 作 的长 壁工作 面全 自动化 系统 。使 用 该套 系统 不仅 可 以提 高生 产 效 率 , 而 且 为长 壁设 备 操作 工人 提供 了更 为安全 的工作 环境[ 3 ] 。山西 焦 煤 西 山煤 电集 团公 司于 2 0 0 3年引进 了德 国 DB T公 司 的全 自动刨煤 机生产 系统 , 实践 证 明 , 刨 煤机 性能 非 常 可靠 , 适应性 强 , 技 术先 进 , 可实 现 薄 煤层 自动 化 开采, 达到了高效生产要求_ 4 ] 。另外 , 美 国 J OY公 司 、 德 国 DB T公 司和 E KF公 司等 也 都 研发 了具 有 自动化 功 能 的滚筒 采煤 机 , 如 德 国 E F K 公 司的 E DW一 1 7 0 L N 系列产 品、 英 国的 AM4 2 0产 品都在 实际应 用 中取 得 了 良好 效 果 。螺 旋 钻 机是 在 2 0世 纪 8 O年代开始投入使用 , 在 2 0世纪 9 O年代末 , 乌 克兰研 制了 B i l l y 一 3号螺旋钻机。而后历时 1 5年 的研发 , 乌 克兰 MAL TS HE V 机械 制造 厂成 功研 制 出新型薄煤层开采设备 B S HK一2 D M 三轴螺旋钻 采煤 机 , 现 已被 广泛 应用 除了传统的采煤机 , 国外在采煤设备上也有了 一 些新 的进 展 , 如悬 臂式 滚筒 采煤机 、 采刨煤 机 。悬 臂式 滚 筒 采 煤 机 机 身 厚 度 为 4 . 5 m, 摇 臂 高 度 为 4 . 5 I T I , 最 大截 切 功率 为 2 0 0 k W, 其 采 高下 线 为 0 . 8 m, 可 以适应 薄煤 层 采煤 环境 。此外 , 采 煤 机 还 有锚链牵引 、 齿轨无链牵引等多种牵引方式口 ] 。采 刨煤机是刨煤机与采煤机相互结合的产物 , 采用了 采煤机的非机载电气调速、 远程通信 、 记忆截切、 分 段无线遥控 ; 采用了刨煤机的浅截式、 利用矿压落煤 等技术 。其优势在于动力落煤 、 截高可调、 可提高对 地 质条 件 的适 应能 力 。 在 液压 支 架方 面 , 国外 从 2 O世 纪 7 0年 代 就 开 始 研究 液压 支架 电液控制 技术 , 目前 , 该技术 已经 成 熟 , 可 以实 现液压 支架 与 采 煤机 的联 动 和远 距 离 控 制 , 满足实际生产 中对安全性和可靠性 的要 求。世 界 上 主流 的液 压 支 架 电液 控 制 器 主要 有美 国 J O Y 公 司的 RS 2 O型 控 制器 、 德 国 D B T公 司 的 P M4型 控 制器 、 德 国 MAR C O公 司 的 P M3 1和 P M3 2型 控 制 器 。 1 . 2 国 内薄煤层 开采技 术 中 国薄 煤 层 开 采 技 术 主 要 经 历 了 以 下 阶段 ① 炮 采 阶段 , 该 阶段 工人 劳动 强度 很大 , 产量 低 , 工 作 不 安 全 , 但 工 艺 简 单 ; ② 普 采 阶段 , 用 采煤 机 采 煤 、 装煤 , 用 可弯 曲刮 板 输送 机 运 煤 , 用 液压 推 遛 器 推溜推 进工作 面 , 用 金 属 支 架 支 护 ; ③ 薄 煤 层 综 采 机组 的发展 阶段 。总 的来说 , 国 内薄 煤层 开 采 技 术 落后于国外 , 从以前的引进 国外设备到现今 的 自主 研发 , 国产综采装备有了很大的进步 , 已经基本能够 满足不 同地 质条件 下 的开采要 求而且 部分 厂矿 已经 开始采 用 国产设备 。如淮 南矿 业集 团公 司张家集 煤 矿工作 面采 用 了一 整套 的 国产 综采 设备 , 2 0 0 4年 的 产量 达 3 1 0万 t , 主要 装 备 了 Z Z 6 0 0 0 / 2 1 / 4 z型液 压 支架 、 MG4 0 0 / 9 2 0 一 WD 采 煤 机 、 S GZ 8 0 0刮 板 输 送 机_ 7 ] 。国产设备的优势在于价格与维护服务 , 但其 在性 能 、 可 靠性 和使用 寿命等 方面仍 有不 足 。 2 薄煤层 综 采工作 面 自动化 系统 结构 薄煤层综采工作面 自动化系统分为工作 面层、 传 输层及 地面 调度层 3个部 分 , 其 结构 如 图 1所示 。 工 作面层 主要 包括综 采工作 面各 主要设 备节点 的控 制 器 、 工作 面控 制 主机 防爆 、 工 作面 液压支架 电液 控 制 主机 防爆 、 本 质 安 全 型环 网交 换机 及 防 爆 型 UP S电源 。传 输层 主要 由交换 机、 矿用 光缆等 组 成 。地面调 度层 为 1台或多 台集成控 制 主机 。 工作 面控制 主机分 为井下 控制 主机 和井下 电液 2 0 1 3年第 5期 于月森等 薄煤层综采工作面 自动化技术综述 2 9 控制主机 , 两者通过井下交换机交换数据。井下控 制主机用于采集 、 显示、 储存和监测综采工作面各设 备数据, 井下电液控制主机单独负责对液压 支架实 施 多功能 、 高 效率 、 自动化控 制 。本质 安全 型环 网交 换机实现井下主控计算机与地面计算机的联网通信 功能。防爆型 UP S电源用于保证控制系统 的稳定 供 电 。环 网的主要 功 能是使 井 下控制 主机平 滑接 人 矿 井环 网并 实现 工作 面与地 面 的无缝 连 接 。地 面 集 成 控制 主机 运行 相 应 的控 制 软 件 , 实现 地 面 远 距 离 监 控调 度 功能 。 采 煤 机 输 送 带 泵 站 配 电 中心 支 架 支 架 控制器 控制器 图 i 薄煤层综采工作面 自动化 系统结构 1 采 煤 机 自动 化 控 制 技术 。 目前 , 采 煤 机 自 动化控制主要是指采煤机能够按照存储记忆中的参 数 自动运 行 , 从 而实 现 无 人 操 作 。先 由采 煤 司 机操 作 , 割示 范 刀 , 然 后 采 煤 机 对 其 轨 迹 等 参 数 进 行 记 忆 , 进入 记忆 截割 状态 , 根据 记 录 的滚 筒 轨迹 自动调 整滚筒的高度从而实现 自动割煤 。如艾柯夫 S L 5 0 0 采煤 机 自动 化割煤 系统 在 记 忆 截 割 正 常进 行 时 , 只 需 1位 采煤 机 司机通 过操作 遥 控器 控制 采煤 机运 行 速 度 即可 。记忆 截 割 方式 受 采 矿 环 境 影 响较 大 , 要 求煤层稳定 , 顶板和底板都 比较平整 , 每周期压 力 稳 定 。 2 液 压支 架 电液控 制技 术 。液 压 支架 电液控 制 系统 采用 目前 最 先 进 的 电液 控 制 方 式 , 是 一 种 可 根 据实 际生 产控 制 液 压支 架 的 自动 控 制 系统 , 可 实 现 如下 功能 液压 支 架 的降 架 、 拉 架 升 架 、 推 移 前 部 输送机 、 拉后部输送机 、 收护帮板、 伸护帮板、 喷洒水 等[ 8 。电液 阀是 液 压 支 架 电液控 制 系统 的核 心 , 液 压支架上不同位置的传感器将综采工作面中不同状 态的信号传送给控制计算机 , 计算机将根据不 同的 工作状态信息及生产工艺要求, 对 电液阀发 出控制 信号 , 通过对电液阀的控制来达到控制综采工作面 设备的 目的。液压支架电液控制系统可以改善采煤 机 、 刮 板输 送机 的工 况 , 可 与采 煤机 相匹配从 而 加快 综采工作面的推进速度 , 显著提高综采工作 面的生 产效率 。 3 刮板输送机 自动化控制技术。刮板输送机 自动化控制主要是监控刮板输送机负荷, 通过对刮 板输送机 的工作电流或者刮板链条受力情况进行监 控 , 从 而 得 出刮板 输送机 的负荷量 , 进 而 自动 调整采 煤机的牵引速度、 落煤量等。 4 采 场空 间环 境可视 化 监测 技 术 。采 场空 间 信 息利 用三 维激 光 扫描 技 术 , 在 复 杂 的现 场 和空 间 对被测物体进行快速扫描测量 , 直接获取激光点所 接 触 的物体 表面 的水平 方 向 、 天顶 距 、 斜距 和反射 强 度等数据, 与井下摄像设备采集 的图像一并通过无 线 网络 传输 到 主干 网络 , 最 后在 地 面 监控 调 度 室 将 三维激光扫描测量和摄影测量数据相结合 , 得到对 应 的井 下 三维激 光全 景扫 描 图像 。 3 薄煤层 综 采工作 面 自动化 开采新 趋势 I 大功 率 , 多 电动 机 , 解 决 薄煤 层 开采 环境 与 机面高度 、 过煤空间的矛盾, 使总装机功率进一步提 高 , 从 而提 高产 量 。 2 改进并简化采煤机结 构, 采用先进 的工艺 与技术提高设备工作 的可靠性 。 3 提高系统 的 自动化程 度, 完善 自动控制 系 统 , 使设备能准确地判断机 电设备和周 围环境的状 态 , 从而使设备 自动适应环境 以达到最佳的工作状 态 ; 完善故 障诊断系统 , 使监控系统可迅速查找出故 障原 因, 及 时对故障原因进行分析 , 从而排除故 障。 4 从 有 链 牵 引 向无 链 牵 引 及 电牵 引 方 向发 展 , 可以消除断链事故 , 提高工作面的安全性及牵引 效 率 。 5 综 采工 作 面可 视 化 监 测 系 统 的研 究 , 针对 井下 工作 面粉 尘量 大 、 照 明差 、 设 备 动 作 复杂 、 区域 狭长等特点研究合适 的应对策略, 实现对整个工作 面 的远程 监 控 。 4 结语 当前薄煤层综采工作 面的 自动化程度仍然较 低 , 随着煤炭科技的发展 , 各种高效采煤机械 、 先进 的控制手段和通信技术的出现 , 为煤矿的无人开采 提供了可能。对薄煤层综采工作面的 自动化技术的 革新 , 有助于提高劳动生产率 , 减少煤矿安全事故, 提高煤炭资源的利用率, 减少对薄煤层资源的浪费, 最 终 目的是 实现综 采工 作 面的无人 化 生产 。 第 3 9卷 第 5期 2 0 1 3年 5月 工矿 自 动化 I nd us t r y a n d M i ne Aut o ma t i o n Vo I . 3 9 NO . 5 M a y 2 0 1 3 文章编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 3 0 5 0 0 3 0 0 4 D OI 1 0 . 7 5 2 6 / j . i s s n . 1 6 7 1 2 5 1 X . 2 0 1 3 . 0 5 . 0 0 9 刘天野 , 张志杰. 矿用综合保护装置在用检测技术现状及发展[ J ] . 工矿 自动化 , 2 0 1 3 , 3 9 5 3 0 3 3 . 矿用综合保护装置在用检测技术现状及发展 刘 天野 , 张志杰 1 . 中北大学 信息与通信工程学院,山西 太原0 3 0 0 5 1 ; 2 . 中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室 ,山西 太原0 3 0 0 5 1 摘 要 指 出中 国矿 用综合保 护装 置在 用检测技 术存 在标 准可操 作性 差 、 综合 保护 装置种 类及 型号繁 多且 更新快 等 问题 ; 从矿 用综 合保 护装 置的发展 历程 和通 用检 测装 备特 点 方 面 阐述 了 中国矿 用综合 保 护 装 置在 用检测技术的现状 , 并提 出了中国矿用综合保护装置在用检测技术的发展方向, 即提高检测精度与 自动化程 度 、 具有更强的故障分析能力、 更具环保性、 计算机和检测系统更紧密结合 、 智能 B I T技术与标准化 。 关 键词 矿 用综合保 护装 置 ; 在 用检 测技 术 ;通用检 测装备 ; 发 展趋 势 中图分类号 T D6 7 文献标志码 A 网络出版时间 2 0 1 3 0 4 2 8 0 9 0 8 网络 出版地 址 h t t p / / w ww. c n k i . n e t / k c ms / d e t a i l / 3 2 . 1 6 2 7 . TP . 2 0 1 3 0 4 2 8 . 0 9 0 8 . 0 0 9 . h t ml Pr e s e nt s i t ua t i o n o f i n 。。 s e r v i c e de t e c t i o n t e c h n o l o gy o f mi n e - - u s e d i n t e gr a t e d pr o t e c t i o n de v i c e s a nd i t s de v e l o p me nt LI U Ti a n - y e , Z HANG Z h i j i e 1 . S c h o o l o f I n f o r ma t i o n a n d Co mmu n i c a t i o n En g i n e e r i n g ,No r t h Un i v e r s i t y o f Ch i n a ,Ta i y u a n 0 3 0 0 5 1 Ch i n a;2. Ke y La bo r a t or y o f I n s t r u me n t a t i o n Sc i e nc e a nd Dy na m i c M e a s u r e me n t of M i ni s t r y o f Ed uc a t i on,No r t h Uni v e r s i t y of Ch i n a,Ta i y ua n 03 0 0 5 1 ,Ch i na Ab s t r a c t Th e pa p e r p oi n t e d o ut p r ob l e ms o f i n s e r v i c e de t e c t i on t e c hn ol o g y o f mi ne u s e d i n t e g r a t e d p r ot e c t i o n de v i c e s i n Ch i na s uc h a s s o m e s t a nd a r ds a r e di f f i c u l t t o o p e r a t e, v a r i ou s t y p e s a nd mo de l s o f i n t e g r a t e d p r ot e c t i o n de v i c e s wi t h f a s t u pd a t e, i nt r o d uc e d de v e l op me nt c o ur s e o f mi ne - u s e d i n t e g r a t e d p r ot e c t i o n de vi c e s i n Chi n a a nd c h a r a c t e r i s t i c s of ge ne r a l de t e c t i o n de v i c e s,d e s c r i b e d pr e s e nt s i t u a t i o n o f i n s e r v i c e d e t e c t i o n t e c h n o l o g y o f mi n e u s e d i n t e g r a t e d p r o t e c t i o n d e v i c e s i n Ch i n a , p r o p o s e d i t s d e v e l o p m e nt t e n de nc y i n i mp r o v i n g de t e c t i on p r e c i s i on a nd a u t o ma t i o n l e ve l ,hi ghe r f a ul t a n a l y s i s a bi l i t y, mo r e e nv i r o n m e nt a l l y f r i e nd l y, c l o s e r i nt e gr a t i o n o f c o m p ut e r a n d d e t e c t i on s y s t e m , i n t e l l i g e n t BI T t e c h no l o gy a nd s t a n d a r di z a t i o n. 收稿 日期 2 0 1 3 0 2 0 4 。 基金项 目 山西省教育厅煤炭可持续发展基金项 目 2 O 1 2 O 5 O 2 Z X 。 作者简 介 刘天野 1 9 7 6 一 , 男 , 吉林辽源人 , 讲师, 博士研究生 , 研究方向为电气测试与故障诊断技术 , E - ma i l 4 0 4 3 4 4 3 1 q q . c o rn。 参考文献 [ 1 3 刘军. 薄煤层开采存 在的问题 分析及 机械 化采煤技 术 E J ] . 才智, 2 0 1 2 6 6 2 . 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