利用国产装备实现综采自动化的研究与实践.pdf

第 7 期 2 0 0 9年 7 月 工矿 自 动化 I n dus t r y a nd M i n e Au t o ma t i on NO ． 7 J u 1 ．2 0 09 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 0 9 0 7 一O l 1 4 一O 4 利用国产装备实现综采自动化的研究与实践 于励 民 中国平煤神 马能源 化工集 团 ， 河 南 平 顶 山4 6 7 0 0 0 摘要 文章分析 了自动化综采设备的发展现状， 提 出了成套 自动化综采设备的适应性研 究、 国产成套 自 动化综采设备选型及配套技术研究及实施方案。文章重点研究了自动化综采工作面控制系统集成中的工作 面集中控制 系统和通信、 控制一体化系统 。该 系统已在平煤集团六矿成功投入运行 ， 运行状 况良好 ， 有效提 高 了综采 工作 面 的机械 化 、 自动 化和安 全管理 水平 ， 降低 了职 工劳动 强度 ， 提 高 了生产 效率 ， 实现 了综采工作 面无人 跟机作 业 。 关 键词 国产装备 ；综采 自动化 ；设备 ；研 究 ；实施 中图分类 号 T D 8 2 3 ． 9 7 文献标识 码 B 0 引言 随着煤炭工业信息化与工业化融合的加快 ， 机 电一体化技术、 计算机和网络技术与煤矿装备的结 合使得煤矿生产过程实现 自动化具备了可行条件 ， 电牵 引采煤机 和电液控制 系统在 液压支架 的应用 为 综采 自动化提供 了基础 。近 年来 ， 国 内一些 局 矿 已 经引进了成套 自动化刨煤机开采薄煤层 ， 但利用滚 筒采煤机作为落煤 、 装煤工具 的成套综采设备尚没 有完全 自动化工 作 面 的成 熟案 例 。因此 ， 利 用 国产 滚筒采煤机 、 液压支架等组成成套装备 ， 实现综采 自 动化具有 重要意 义 。 收稿日期 2 0 0 9 0 6 0 1 作者简介 于励 民 1 9 5 3 ， 男 ， 辽 宁沈阳人， 教授级高工 ， 现为 中国平煤神马能 源化工集 团副 总经理 ， 长期从 事矿井 机 电管理 与 科研工作。E ma i l p m1 ． y l mp mj t ． t o m． c n 目前 ， 平煤集 团矿井 开采范 围不断 扩大 ， 生产 年 限和采深不 断增 加 ， 工作 面条件 恶化 ， 七 大 自然 灾害 加剧。现用综采设备 以人工操作为主， 工作面人员 多、 环境恶劣、 工作劳动强度高、 安全保障低， 限制了 设备 效能 和煤炭产 能 ， 因此 ， 需要 提高综采 设备 自动 化装 备水平 ， 实现 工作面 无人或少 人 ， 解 决高 瓦斯 煤 层安 全开采 和薄煤 层高效 开采 的难题 。 1 自动化 综采设 备发展 现状 1 ． 1 国外 自动化 综采设 备发展现 状 国外利用滑行刨煤机及 电液控制系统控制液压 支架组成的薄煤层全 自动化综采设备解决 了薄煤层 安全高效开采问题 。但因其对煤层赋存条件要求苛 刻以及进 口设备价格 昂贵而 未能得 到大量推广 。 二 十世纪末 期 以来 ， 美 、 德 、 英 等先 进 采 煤 国家 研 制 开发 了新型 电牵 引采煤 机 ， 实 现 了机 械 一电气 一 体 化和工 作面 的液压 支 架采 煤 机 的联 动 ， 为滚 筒 采煤 在煤矿井下无线电发射天线、 功率、 频率等与点燃瓦 斯 能量 的关 系 。 矿井移动通信关键科学技术问题还包括网络结 构、 信令、 调制方法等。 4结语 本文 分析 了基 于“ 有 线 ／ 无线 转换 器 基 站” 和 “ 基站 交换机 ” 网络 结构 的 P HS t ] 灵 通 、 C DMA 和 Wi F i 矿井移动通信系统 ； 提 出并探讨了有待解 决的若干矿井移动通信关键科学技术问题 。笔者相 信， 矿井移动通信的发展有赖于矿井移动通信技术 的进步和关键科学技术问题的解决 。 参考文献 [ 1 ] 孙继平 ．矿井移动通信 的特点及现有系统分析[ J ] ．煤 矿 自动化 ， 1 9 9 7 4 2 1 ～2 4 ． [ 2 ] 孙继平．矿井 移动 通信 需求 分析及 网络结构 的研究 [ J ] ．煤矿设计 ， 1 9 9 9 1 1 7 ～1 9 ． [ 3 ] 孙继平．多功能煤矿井 下无线通信 系统J R] ． 北京 中 国矿业大学 北京 ， 2 0 0 6 ． [ 4 ] 孙继平．矿井 通信 与监 控关 键科 学技 术 问题 [ R ] ． 北 京 中 国 矿 、 I 大学 北 京 ， 2 0 0 9 ． 2 0 0 9年 第 7期 于励 民 利 用 国产装备 实现综 采 自动 化 的研 究与 实践 1 1 5 机作为落煤装煤成套综采装备实现 自动化奠定了基 础 。由于落煤 装煤 工 艺 的 特殊 性 ， 由滚 筒 采煤 机 组 成的综采工作面尚没有真正的全 自动化成熟案例 。 1 ． 2 国内 自动化 综采设 备发展 现 状 近年来 ， 国内液压支架 电液控制系统 的关键部 件能够替代进 口产品， 自主开发的电液控制系统操 作方便 ， 且具 有 中文显 示 。采 煤 机 采 用交 流 变 频 牵 引取代液压牵引， 普遍具有离机遥控操作、 中文状态 显示和故障自诊断功能， 实现了采煤机的 自动控制 。 另外 ， 具有 记忆 功能 、 能 够 在 工作 面 实 现 “ 记 忆 仿 形 切 割” 及 “ 视频 监测” 的智能 型采 煤机也 取得 突破 ， 其 与电液控 制液 压支架 组成 的 自动化综 采工 作 面成 为 现实， 利用国产滚筒采煤机组成成套 自动化综采装 备的条件已经逐步成熟。 2成套 自动化 综 采设备 的适应 性研 究 自动化工作面根据工作 面的作业规程， 将各设 备的动作编制成相应的程序存入系统中， 由集 中控 制器发出指令 ， 实现采煤转载机、 破碎机、 运输机 的 顺序启停功能； 采煤机、 液压支架联动功能， 支架跟 随采煤 机位置 和方 向 自动完成 降 一移 一升 、 推 溜 、 喷 雾等动作； 所有喷雾 系统与喷雾泵 的成组 自动控制 功能； 采煤机记忆切割功能等。通过 自动化控制 系 统对工作面情况的检测， 供电系统与瓦斯监测 系统 实现 了 自动 闭锁功 能 ， 对 工 作 面所 有 设 备 的 工况 进 行 监测 和监控 ， 并 以数字 化或 图形 的方式 直观 显示 ， 可及时发现设备的故障信息， 并对设备进行控制和 处 理 。 由于 目前 自动化 综采 设 备 对周 边 环 境 、 顶底 板 状况没有判断能力 ， 因此 ， 对工作面条件要求较高。 根据经验， 要求 自动化工作面 的顶板 、 底板 中等稳 定 ， 避免 在正 常生产 中发 生漏顶 、 冒顶事故 。为防止 液压支架拉移过程中出现歪架、 咬架现象 ， 要求工作 面倾 角小 于 1 5 。 。 由于滚 筒采 煤 机 自开切 口工序 复 杂 ， 采煤 机 在 机头、 机尾煤壁开切 口工 艺还无 法实现 自动化 ， 因 此 ， 仍需人工遥控操作。滚筒采煤机对工作面两巷 的布置方式、 巷道断面无特殊要求。 可见 ， 煤层赋存条件限制了 自动化综采设备的 广泛使用 ， 还需要进行针对性的研究和实践 。 3 成套 自动化综采设备选型设计及配套技术研究 充分运用现有集中控制 、 采煤机工况 自动监测 及故障诊断、 采煤机 自动控制 、 液压支架 电液控制、 刮板输送机工况监测 、 顺槽集中控制等技术 ， 与已在 平煤使用成熟的液压支架 、 刮板输送机、 电牵引采煤 机等装备相结合 ， 构成适应平煤工作面条件 的 自动 化综 采设备 ， 如 图 1所示 。 A B 戊 8 2 2 1 1 0风 巷 1 一采煤机 ； 2 一刮板运输机 ； 3 一液压 支架 ； 4 一破碎机 ； 5 一转载机； 6 ～可缩胶带 ； 7 一绞车； 8 一六组合开关 ； 9 一喷雾泵 ； 1 0 --乳化 液泵 ； 1 1 一清水过滤器； 1 2 一绞 车； 1 3 一电缆车 ； 1 4 一电站 2台 l 2 5 0 k VA， 1台 8 5 0 k VA ； 1 5 一自动配 比装置 ； 1 6 一乳化液泵箱 ； 1 7 一喷雾泵箱 ； 1 8 一自动控制室 ； 1 9 一电缆 车 图 1 平煤 集团工作 面 自动化综 采设备组成 图 3 ． 1设备 选 型设计 采煤 机 太 原 矿 机 MGT Y2 5 0 ／ 6 0 0 1 ． 1 D 智 能电牵引采煤机， 截深为 8 0 0 mm， 功率为 6 0 0 k W 刮板输送机 张家口煤机 S G Z 一7 6 4 ／ 5 0 0 转 载机 张家 口煤 机 S Z Z 一7 6 4 ／ 2 0 0 液压 支架 郑州煤 机 Z Y5 0 0 0 1 ． 4 5 ／ 3 ． 0 D 支架 电液 阀 天 玛和 郑州煤 机 P M3 1 泵站 无锡威顺 wR B一4 0 0 ／ 3 1 ． 5 喷雾泵 无锡 威顺 B P W3 1 ． 5 ／ 1 2 ． 5 移动 变 电 站 吉 林 通 化 KB S GZ Y一 1 2 5 0 k VA， 3台 组合 开关 潞 安 海 通 QJ Z 1 1 2 0 0 ／ 1 1 4 0 6 ， 3台 通信 、 控制系统 天津华宁 KT C 1 0 1 乳化 液泵 站微机全 自动控制和综合保 护系统 无 锡 威顺 Y KZ 一2 B型 ， 1台 3 ． 2 自动 化 综采 工作 面控 制 系统 集成 3 ． 2 ． 1 工作面集 中控制系统 工作 面集 中控制 系统 由 2台井下防爆计算机 1台采煤 机 现场控制站 、 l台液压支架 现场 控制 站 、 1台光 纤 环 网交 换 机 、 1台隔爆 型 UP S电源 组 成 。采煤机现场控制站通过具有多种标准化接 口与 协议的本安型光纤环网交换机 ， 集成了采煤机子系 统 、 运输机子系统 、 负荷 中心子系统 、 泵站控制子系 统 、 工作面语音通信系统等 。 1 1 6 工矿 自动化 2 0 0 9年 7月 采煤机现场控制站 根据采煤机位置及方 向自 动控制 ； 根据运输机负荷 自动调整采煤机牵引速度 ； 实现 自动调整采煤高度、 远程记忆监控、 采煤工作面 三机 采煤 机 、 支架 、 运 输 机 联运 功 能 ， 对 工 作 面采 煤设备的工况参数进行在线实时监测与监控， 实现 设备运行状态参数的采集、 监测、 传送 、 记录、 图形模 拟显示 、 表 格输 出 、 故障诊 断等 。 液压 支架现 场控 制 站 采用 P M3 1或 Z E 0 7 0 1 电液控制系统。其中 P M3 1支架电液控制系统是集 散型控制 系统 ， 采 用 T B US总线 B I DI 总线 的通信 方式 ， 所有控制功能的实现都由工作面支架控制器 完成 ， 当连接工作面系统与主机系统的电缆出现故 障时， 工作面的控制动作不受影响。P M3 1支架 电 液控制系统配置和连接如图 2所示。 工作面1 2 7 V 或2 2 0 VA C 电源线路 第一个控制器组 最 多6 或7 个控制器 、 ， 一 ， 第二个控制器组 最多6 或7 个控制器 第三～n 一 1 个控制器组 每组最 多6 或7 个控制器 ＼、 第H个 最末 1 个 控制器组 最多6 或7 个控制器 ①一支架控制器 p m3 2 ／ s g ； ②～隔离控制器 p m3 ． 1 ／ p a ／ 1 1 ； ③ 一双路电源箱 n t z ／ d ／ 2 X 1 ． 5 ； ④总线提升器 p m3 ／ p a ／ t p u ⑤ 一网络终端器 p m3 ／ a c k ； ⑥ 一架间干线电缆组件 c o n m／ 4 c ； ⑦一电源输 出电缆组件 c o n m／ 4 a ； ⑧一耦合器一本架干线电缆组件 c o n m／ 4 c ； ⑨一耦合器 一邻架干线电缆组件 c o n m／ 4 c 图 2 P M3 1支架 电液控制系统配置和连接 图 工作 面集 中控制 系统 的具体 实现方 案 1 工作面系统 工作面系统包括单个支架控制单元系统及将所 有支架上的单元系统通过必要的共用或附加设备连 接起来的控制网络。每个支架控制单元包括 1个支 架控 制器 、 1 个 电磁 线 圈驱 动 器 、 1个 推移 千 斤顶 行 程传感器、 1 个立柱压力传感器、 1个红外线接收传 感器以及将上述设备连接在一起的电缆、 固定安装 所需的附件等。 2 主机 系统 主机系统包括 1台井下防爆 主控计算机、 1台 网络变换器、 1个 B I D I 通信 电流变换器、 2个 限流 器 、 1个 电缆接 续器 、 3个本 安接线盒 、 各元件 之 间的 连接电缆、 1条主机到工作面的数据通信电缆 ， 通信 电缆为 2对 2芯双绞线 。 主机系统收集 、 显示、 存储工作面系统的监测信 息， 具有保护系统及控制软件， 并可对工作面系统实 施控制 如启动 跟机 自动 化 、 配置 参数等 ， 主机 系统 具有多种标准数据通信接 口， 可与第三方设备进行 数据通信 如与采煤机通信 以获得位置信息 ， 并具 备各 种井 上、 下通信 解决 方案 接 口， 具备 标准 的 R S 4 8 5接 口 ， 保 证与井 下 以太 网对接 。 3 采 煤机位置 监测系 统 采用红外线方法设计采煤机位置监测系统 。在 采煤机上安装红外线发射器 ， 发射数字信号 ， 每台支 架 上安装 1 个 红外线接 收传感 器接 收红外线 发射器 发射的数字信号， 以监测采煤机的位置和方向信息 ， 实现支架跟机 自动化。 3 ． 2 ． 2 通信 、 控制一体化系统 选 用 K TC 1 0 1系 统 ， 采 用 灵 活 的控 制 方 式 ， 为 工作 面刮板输 送机 、 转载 机 、 破碎 机及乳 化液泵站 提 供通信 、 控制及综合保护作用。K TC I O 1系统原理 如图 3所示 。 K T C I O I Z 主控制 计算机C P U 上位机 K D W1 0 1 电源箱 输入 AC l 2 7V 计算机总线下的模块 中位机 C S1 l{ CS 2l l I Dl I l I D2 f lKEYI l S P 至 } 智能I ／ O 下位机 l Tr ⋯ 二 二 二 扩莩 话 } 智能Y O 下位机 图 3 KTCI O 1系 统原 理 框 图 中位机安装在机巷距采面 2 0 0 m处 ， 工作面每 1 5 m设置 1台组合扩音 电话 ， 共设置 1 6台， 运输 机、 转载机分别实现联合控制和单独控制。 除了通信控制 以外， 上位机具有完善的监测及 汉字显 示和语 音报警 功能 。它可 根据下位 机采集 到 的设备工况 、 运行状态等信息， 作 出相应的动作 ， 如 2 0 0 9年 第 7期 于励 民 利 用 国产 装备 实现 综采 自动化 的研 究 与 实践 1 1 7 沿线闭锁台显示 、 沿线线路 断路位置显示 、 启 车报 警、 启动设备反馈信号连续检测 等。系统 留有过载 报警接 口， 可接入瓦斯 、 风速等传感器， 实现 与被控 设备的联锁 ； 并可以与其它控制系统互联 ， 传递或接 收所控设备运行参数 ， 可接收第三方发送指令 ， 完成 对 所控设 备 的动作 。 3 ． 2 ． 3 系统 实现功 能 实现转载机、 破碎机 、 工作面运输机顺序启停 ； 工作面运输机与采煤机互锁； 采煤机与液压支架联 动 ； 所 有喷 雾系统 与 喷雾泵联 动 ； 供 电系统 与瓦斯 监 控系统闭锁 ； 所有设备均有检修手动位置， 不受集控 主机的控制 ； 单台支架 降一移 一升 自动顺序控制及 单台支架的分步操作 ； 支架跟随采煤机位置和方 向 的 自动推 溜 、 自动移架 、 自动辅 助采煤 机喷雾 。 4具体 实施 方案 4 ． 1 工作 面概 况 首选 采 面为六矿 戊 8 2 2 1 1 0工 作 面 。 地 理位 置 该工 作 面位于 戊二采 区东 翼 ， 西 到胶 带下 山保护煤 柱 ， 东 至 四 、 六矿 井 田边 界 。南 面为戊 8 2 2 0 9 o工作 面采 空区， 北 面为实体 ， 地 面标高 为 2 4 0 ～ 2 7 0 ， 回采标 高为 一4 0 4 4 6 4 。 煤层 赋 存条件 可采 走 向长 为 1 4 0 0 m， 倾 斜 宽 度 为 1 8 0 m， 斜 面 积 为 2 5 2 0 0 0 m ， 平 均 煤 厚 为 2 ． 2 m， 容 重为 1 ． 5 t ／ m。 ， 可采储 量 为 7 8 ． 8 5万 t ， 煤 层倾 角为 3 ～6 。 ， 平 均 4 ． 5 。 。 煤层顶底板情况 直接顶底为 0 ～1 ． 2 m 的砂 质泥岩 ， 老顶 为 0 ． 6 ～ 3 ． 2 m 的 细 砂 岩 ， 直 接 底 为 0 ． 3 ～0 ． 5 m 的砂 质 泥岩 ， 老 底 为 1 ． 2 ～ 3 ． 8 m 的 细 砂 岩 。 地质构造 缓倾斜单斜构造 。掘进期间风机巷 共揭 露 1 7条 断层 ， 风巷距 掘进 开 口 5 0 0 m 处 有一 段 落差 为 1 3 ． 5 m 的正 断层 ， 对 回采 有 一定 影 响 ， 在 回 采过程 中要 采取 措施 掘 一 个切 眼 ， 跳过 。机 巷 中 段有 一段 瓦 斯 异 常 区 ， 瓦 斯 涌 出量 较 大 。该 工 作 面 水 文地 质条 件简单 ， 水 源 主要 有 顶 板砂 岩 水 和 老 巷 补给水 ， 在顶板裂 隙处、 断层破碎带 附近有淋水 ， 正 常涌水 量 为 1 0 m。 ／ h ， 最大 涌水量 为 1 7 m。 ／ h 。 4 ． 2 劳动 组 织 循 环方 式 按 正 规 循 环作 业 方 式 ， 零 点班 完 成 4 个 循环 ， 八 点班完 成 4个 循环 ， 四点 班完 成 3个 循 环 。环循 环 进度 为 8 0 0 mm， 日循 环个 数 为 l 1个 正 规循 环 。 作业方 式 “ 三 八” 制 作业。3个 生产 班割 煤 ， 检修班插班检修 1 7 O 0 ～2 1 o o 。 综合工种和专业工种相结合 ， 分段追机作业， 循 环 工作 。 5结 语 该 自动 化 综 采工 作 面 控制 系统 的 各设 备 于 2 0 0 8年 1 0月到货 ， l 1 月进行设备联调、 井下设备安 装， 1 1月 中旬进行 整套调试 ， 1 1月底进行试生产， 1 2月中旬投入正常运行 ， 运行状况 良好， 实现 了割 煤 、 拉架 、 推溜 、 自动喷雾计算机程序化控制功能； 实 现了破碎机、 转载机、 运输机 、 割煤机顺序启车 ， 三机 采煤机 、 支架 、 运输机 联动， 采煤机远程记忆监控 功能 ， 规范了现场管理 ， 提高了采煤机械化、 自动化 和安全 生产 管理水 平 ； 实现 了工 作 面 采煤 设 备 工况 参数的实时监测监控 、 传送记 录、 图形模拟、 集 中显 示和故障诊断功能 ， 确保 了各设备 间协调、 连续、 高 效、 安全运行 ； 实现了乳化液 自动配比功能， 保证 了 配比浓度 ， 增强了支架使用效果 ， 延长 了设备使用寿 命； 降低了职工劳动强度 ， 提高 了生产效率 ； 实现 了 在复 杂地 质条 件下 自动 化采 煤 新 工 艺 ， 移架 速 度 比 人工操作提高了 1倍 以上， 减少 了辅助工序 占用时 间 ， 相 应增 加 了有 效 生产 时 间， 原每 班需 要 职工 2 O多人 ， 每天产煤 3 0 0 0 t ， 现只需职工 1 2人 ， 采面 实 际操作 人员 仅需 3人 ， 月 产 原 煤 1 8万 t以上 ； 有 效保证了安全生产 ， 实现 了综采工作面无人跟机作 业 ， 从根本上预防了较大人身伤亡事故的发生。 该系统是国内首家采用全套国产综采设备集成 的 自动化工作面。它的投产对于提升平煤集团六矿 的产 能 、 加 快 安全 高效矿 井建设 的意义重 大 ， 在 国内 综采 设备 成套 应用 方面具 有示 范作用 。 虽然平煤集 团六矿综采 自动化取得 了可喜成 果 ， 但是对 于适应赋存条件复杂多变的煤层及采煤 机等设备进行本机工作状态智能化监控的综采 自动 化控制系统还有待于进一步研究与实践 。 参考文献 [ 1 ] 谭得健． 综采工作面 自动化现状及中国 2 1 世纪发展 展 望[ J ] ． 煤 矿 自动化 ， 1 9 9 9 增刊 ． E z ] 郭振洲 ， 王瑞贤 ， 于海忠 ， 等． 综采工作 面“ 三机 ” 正确选 型及合理 配套 的探讨[ J ] ． 煤矿安全 ， 2 0 0 6 1 ． [ 3 1 张守祥 ， 李首滨 ， 黄 曾华 ， 等． 综采工作面生产 自动控 制 的探讨 E J ] ． 煤 矿机 电， 2 0 0 5 3 ． E 4 3 李效甫． 综采液压支架电液控制系统E J ] ． 煤矿开采， 2 0 01 2 ．