综采无人工作面自动化开采技术研究与应用.pdf

第 4 1卷 第 7期 2 0 1 5年 7月 工矿 自 动化 I ndu s t r y a nd M i ne Aut o ma t i o n V0 1 ． 4 1 No ． 7 J u 1 ．2 O 1 5 文 章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 O 1 5 0 7 0 0 0 5 0 5 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 5 ． 0 7 ． 0 0 2 王峰． 综采无人工作面 自动化开采技术研究与应用E J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 5 ， 4 1 7 5 - 9 ． 综采无人工作面自动化开采技术研究与应用 王 峰 北京天地玛珂 电液控制系统有限公司，北京1 0 0 0 1 3 摘 要 针 对 综采 无人 工作 面 高效 开采 需 求 ， 提 出了以协 同控制技 术 为核 心 ， “ 三机”自动控 制技 术 为基础 ， 运煤 设备 自移控 制技 术 为辅 助 ， 视 频监 控 、 数据 平 台展 示为延 伸 的综采 无人 工作 面 自动化 开采技 术 方案 。结 合黄 陵一号煤矿 1 0 0 1工作面现场条件 ， 介绍 了该方案的具体 实现 。应用结果表明， 该方案可 自动完成割煤 、 移 架 、 推 移刮 板 输送机 和 顶板 支护 等 生产 流程 ， 实现 了减人提 效 。 关 键词 综 采 工作 面 ；无人 工作 面 ；自动化 开采 ；协 同控 制 ； 远 程控 制 中图分类 号 TD 6 7 文 献标 志码 A 网络 出版 时 间 2 0 1 5 0 7 0 1 0 8 5 4 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 5 0 7 0 1 ． 0 8 5 4 ． 0 0 2 ． h t m1 Re s e a r c h a nd a pp l i c a t i o n o f a u t o ma t i c mi ni n g t e c h no l o gy o f u nma n ne d f u l l y me c h a n i z e d c o a l mi ni n g f a c e W ANG Fe ng Be i j i n g Ti a n d i Ma r c o El e c t r o Hy d r a u l i c Co n t r o l S y s t e m Co ． ，Lt d ． ，Be i j i n g 1 0 0 0 1 3 ，C h i n a Abs t r a c t I n vi e w of r e qu i r e me nt of hi gh e f f i c i e nt m i ni ng f o r u nma n ne d f u l l y m e c h a ni z e d c o a l mi ni ng f a c e，a n a u t o m a t i c mi ni ng t e c h no l og y s c he m e o f un m a n ne d f ul l y m e c h a ni z e d c oa l mi ni ng f a c e wa s pr o po s e d whi c h t a ke s c oo pe r a t i v e c o nt r o l t e c hno l o gy a s c or e， a ut o ma t i c c on t r o l t e c hno l o gy o f s he a r e r ， hy dr a ul i c s u ppo r t a nd s c r a pe r c o nv e y o r a s ba s i s ，s e l f a dv a nc i ng c o n t r ol t e c h no l og y o f c o a l c o n ve yi ng e q u i pme nt a s s u p p o r t ，a n d v i d e o mo n i t o r i n g a n d d a t a p l a t f o r m d i s p l a y a s e x t e n s i o n．S p e c i f i c i mp l e me n t a t i o n o f t h e s c h e me wa s i nt r o du c e d i n c ombi n a t i o n wi t h f i e l d c o nd i t i on of 1 00 1 c o a 1 f a c e o f H u a n gl i n g No． 1 M i ne．The a pp l i c a t i on r e s ul t s s h ow t ha t t he s c h e me c a n a u t o m a t i c a l l y f i ni s h p r o d uc t i o n p r oc e s s e s o f c o a l c u t t i ng， s u p p o r t a d v a n c i n g ， s c r a p e r c o n v e y o r p u s h i n g a n d r o o f s u p p o r t i n g ，a n d r e a l i z e s h i g h e f f i c i e n t wi t h l e s s p e o pl e． Ke y wo r dsf ul l y m e c h a ni z e d c o a l mi ni ng f a c e； un m a n ne d c oa l m i ni n g f a c e； a ut o ma t i c mi ni n g； c o op e r a t i ve c on t r ol r e m o t e c o nt r o l 0 引 言 随着对煤炭需求的增长 ， 单纯依靠大量人工手 动操作难 以满足高效 、 快速开采要求。因此 ， 降低综 采工作面劳动强度 ， 提高工作人员安全系数 和采煤 效率 ， 最终实现井下采煤的无人化 ， 已成为国内外采 煤行业的重要研究方向[ 1 ] 。 目前 中国 自动化综采工 作面 占开采工作面 比重相 比美 国、 澳 大利 亚等 国家 较小 ， 而且所谓 自动化综采工作面多是在单个设备 或 自动控制功能基础上增加部分设备的联动过程 ， 自动化设备之 间的协 同性及开采 环境适应性有待 加强 。 本文提出了以协同控制技术为核心的综采无人 工作面 自动化开采技术方案， 并介绍了该方案在黄 陵矿业集团有限责任公 司一号煤矿 以下简称黄陵 一 矿 1 0 0 1工作面实现的具体情况。该方 案以工作 收稿 日期 2 0 1 4 1 2 1 2 ； 修 回日期 2 0 1 5 0 5 1 9 ； 责任编辑 盛男 基 金项 目 国家高技 术研究 发展计 划 8 6 3计划 资助项 目 2 0 1 3 AA0 6 A4 1 0 。 作者简 介 王 峰 1 9 8 4 一 ， 男 ， 山西大同人 ， 工 程师 ， 硕 士 ， 主要从 事煤矿开采 自动化方 面的研究工作 ， E - ma i l wa n g f e n 8 t d ma r c o ． t o m。 2 0 1 5年 第 7期 王峰 综 采无人 工 作 面 自动 化开 采技 术研 究与应 用 7 表 1 采煤机十 四象 限记忆割煤工艺 上行记忆割煤工艺 下行记忆割煤工艺 象限 工艺 姿态 液压支架范围 象限 工艺 姿态 液压支架范 围 1 中 部 割 煤 2 5 号 一 1 6 。 号 8 中 部 割 煤 蓝 1 3 5 号 一 1 号 2 割 底 煤 叠 1 6 o 号 一 1 5 o 号 9 割 底 煤 1 号 一 1 o 号 3 清浮煤 1 5 o号一 1 6 o号 1 0 清浮煤 1 0号一1号 4 斜 切 进 刀 蓝 1 4 9 1 3 6 号 1 1 斜 切 进 刀 鲁 1 1 号 一 2 4 号 5 割 三 角 煤 耸 1 3 6 1 6 。 号 1 2 割 三 角 煤 2 4 1 号 6 割底煤 1 6 o号一 1 5 o号 1 3 割底煤 1 号一 1 o号 7 清浮煤 1 5 0号 1 6 o号 1 4 清浮煤 1 0号一1号 而按照记忆参数调整截割部高度[ 5 ] 。 将采煤机工作流程按照象 限进行分割 ， 将工作 面分割成不同区段 ， 通过定义在各个区段 的采煤机 割煤方式 ， 实现全工作面采煤机记忆割煤 。当工作 面 推进一 定 时 间或长 度后 ， 煤 层发 生较 大变 化 ， 再重 新进行记忆割煤示范刀学习 ， 满足现场调整要求 。 1 ． 3 带式 输送机 、 转载机 自移 带式输送机 、 转载机属于运输系统的一部分 ， 对 工 作面 出煤 系统 来说 不可 或缺 。 自移 装置 作为 带式 输送机 、 转载机重要组成部分 ， 在工作面推进过程中 实现转载机推进和带式输送 机机尾移 动的协 同动 作 ， 从而实现运输巷设备随工作面快速推进 的目的， 同时降低工人劳动强度、 改善工人工作环境 ] 。带 式 输送 机 自移机 尾是 运输 巷转 载机 与 带式 输送 机 中 间衔接 部分 ， 当工 作 面 推进 度 满 足机 尾 1次 推 移 行 程时， 机尾 自移装置执行水平推移动作 ， 完成带式输 送 机机 尾 自移 动作 。转 载机 快速 推移 装置 利用 摩擦 力 ， 将机身与导轨互为支点 ， 实现转载机迈步 自移动 作 。该工作方式突破 了传统的锚 固拉移作业方式 ， 操作简单 ， 采用一刀一推作业方式 ， 可实现工作面快 速推进要求 。 黄 陵 一 矿设 备 原 有 自移 装 置 需 要 手动 操 作 、 多 人协作配合完 成， 工作效 率低且环 境噪声大 、 粉尘 大 ， 对工人身体有很 大威胁 。为满足高产 高效工作 面推进 ， 提高物料转运效率 ， 同时降低工人劳动强度 和改善 劳 动 环 境 ， 带 式 输 送 机 与 转 载 机 均 引 入 了 S AC型电液控制系统 ， 将之前人工手动操作改进为 电控操作 ， 配合 自动控制程序 ， 实现设备 自动控制功 能 。同时， 为达到工作面高产高效 目的， 研发了基于 工作面端头支架联 动的带式输送机 、 转 载机 自移控 制模式。该控制模式将带式输送机、 转载机的快速 自移控制功能与工作面端头支 架推进功能进行关 联 ， 通过设备 间的联 动控 制 ， 提 升设 备协 同运作 能 力 ， 实现运输设备的快速前移 ， 从而实现工作面快速 推进的生产 目标 。控制模式具体实现方式如下 。 1 在带式输送机、 转载机上配置电液 控制系 统 ， 实现机身 自动前移 ； 同时电液控制系统实现程序 控制 ， 在控制过程中通过调整时间参数进行设备动 作 时序控 制 。 2 通 过 与 工 作 面 液 压 支 架 电液 控 制 系 统 通 信 ， 实现动作关联 ， 即在端头支架推溜启动时， 启动 带式输送机、 转载机 自移装置的 自动控制， 进行设备 间 的协调 配合 。 1 ． 4综 采 可视 化 平 台 综采 工作 面视 频监视 系 统是无 人工 作 面可视 化 的重要组成部分 ] 。该系统利用工业 以太 网作为通 信媒介 ， 通过合理安装布置摄像仪 ， 能够对工作面液 压支架 、 采煤机、 煤壁等进行全范围覆盖 ， 实现对综 采工作面的视频监控 。通 过主控计算机及 显示设 备 ， 视频 画 面可在监 控 中心进 行集 中展 示 。 在黄陵一矿 1 0 0 1工作面， 每 6台液压支架安装 1台监控支架用矿用本质安全型摄像仪 ， 并安装在 液压 支架 的顶 梁上 ， 照射 方 向与工 作面 平行 ； 每 3台 液压支架安装 1台监控煤壁用矿用本质安全型摄像 仪 ， 并安装在液压支架的顶梁上 ， 照射方向与工作面 垂 直 。矿用 本质安 全 型摄像 仪 的视频 数据通 过工 业 以太网传输至矿用本质安全型显示器显示 ， 矿用本 质安全型显示器可同时显示采煤机附近 4台矿用本 质安全型摄像仪拍摄 的图像， 且显示图像可跟随采 煤机行走而 自动切换。 8 工矿 自动 化 2 0 1 5年 第 4 1卷 2 综 采 工作面 设 备协 同控 制 系统 实现 综采 无人 工作 面 自动化 开 采 的关 键 在 于打 破综采工作面各子设备单独运行状态 ， 在综采设备 之间建立联系， 使工作面设备 融合 为一个整体 的出 煤 系统 ， 实现 各综 采设 备协 同化 、 自动化 运行 。 综采工作面设备协同控制主要利用综采工作面 各子 系 统 自动控 制 功 能作 为本 地 控 制 基 础 ， 同 时利 用计 算 机技 术对 各 子 系统 的运 行 状 态 进 行 分 析 、 关 联及协同控制 ， 从而实现综采工作面无人开采。 实现设备协同控制的前提条件是能够实时监控 综采工作面各子系统设备运行数据。综采工作面设 备协同控制系统架构如图 2所示 。采煤机 自动化控 制 系统 、 液 压支 架 电 液 控 制 系统 、 转 载机 自移 系统 、 带式输送机机尾 自移系统等综采工作面子系统作为 独立运行系统 ， 对各 自运行状态 、 传感器相关数据进 行监控 。同时通过数据通信 网络 ， 配合工作面视频 监视系统 ， 各子系统将各 自运行状态在综采数据集 成平台进行汇总 ， 最终在主控计算机上实现数据上 传及集中控制 。数据展示平 台主要实现各子系统运 行数 据展 示 ， 协 同控 制 平 台 主要 实现 各 子 系 统 协 调 控制 功能 ， 可 视化 平 台实现 工作 面视 频 监控 。 l 采煤机自 动化l l 工作面视频 l l 转载机 I I 控制系统卜 、 l 监视系统l 自 移系统I 液压支架 电液控制系统 数据集成平 台 二工二 主控计算机 带式输送机 机尾 自移系统 数据展示平台I l协同控制平台I l 可视化平台 图 2综 采 工 作 面 设 备 协 同控 制 系统 架 构 实现设备协同控制的关键在于通过井下集控 中 心主控计算机强大的数据采集 、 分 析、 存储 、 处理能 力 ， 将各子 系统信息进行汇总 ， 通过对工作面运行状 态的实时分析决策 ， 实现设备之间的协同配合 、 整体 调度 ， 实时调整运行设备的工作状态， 实现综采工作 面设 备统 一 运行 。 为实现综采工作面无人 自动化开采， 保证运行 设备安全 ， 协同控制系统要求具有高可靠性 。首先 ， 为实现数据链路 的高可靠性 ， 系统采用冗余模式设 计 。双环工业以太网、 双冗余交换机 、 双服务器 的总 线通信冗余设计可保证 网络通信可靠性。同时针对 各子系统间通信 ， 增加通信校验， 并通过主控计算机 进行校验位 的循环复位操作 ， 从而实时监控数据传 输的可靠性 。当系统 出现通信 或网络故 障时 ， 进行 故障报警提示并执行系统保护动作 。其次 ， 采用模 型动作约束控制模式 ， 利用数据分析算法实时分析 计算传感器数据， 保证执行动作均能够通过控制模 型验证 ， 拒绝非允许 动作 ， 保证设备控 制动作 的安 全性 。 限 于篇 幅 ， 下 面 仅 对综 采 工 作 面设 备 协 同控 制 系统 中采煤机防干涉控制、 煤流负荷控制进行介绍。 1 采煤 机防干 涉控制 。在机械化 开采 条件 下 ， 采煤 机 司机需 要 用 眼 睛 实 时 观察 煤 壁 的工 况 条 件 、 液压支架护帮板收回状态 ， 以避免采煤机在行走 过 程 中发生 碰撞 。采 用综 采无 人工 作 面 自动化 开采 技 术方 案后 ， 主控 计 算 机 可 通 过 液 压 支架 电液 控 制 系统感知采煤机前方液压支架护 帮板 的收 回状态 ， 预 先判 断 可能发 生 的 碰撞 情 形 ， 提 前 发 出警 示 或 闭 锁停机 ， 从而有效保护液压支架及采煤机设备安全 。 2 煤流 负荷 控制 。对 综采 工 作 面运 输 系 统 承 受的负荷进行实时检测 ， 并将检测信息传输 给控制 中心 ， 控制 中心根 据 运输 系统 实 际 承 受 的 负荷 与 能 够承受的理论负荷范 围进行 比较， 主动调整采煤机 的割煤速度 ， 控制落煤量， 以便将运输系统的负荷量 控制 在理 论 范 围内 。有 效 的煤 流负荷 控 制机 制能 够 最大程度提升设备运行效率 ， 为高效开采提供保障。 3远程 监控 技术 远程监控技术使用控制权限管理分配制度。该 制度将设备本地控制作为最高优先级 ， 当有本地操 作 时 ， 远 程控 制 自动解 除 ， 远 程 控 制 授 权 状 态 解 除 ， 设备进人本地控制模式 。当本地操作结束后 ， 用户 需要再次进行远程控制时 ， 须请 求授权通过后才 可 进 入远 程控 制模 式 。 远 程监 控技 术将 视 频数据 通 过 以太 网通信 链路 传输到工作面集控平 台， 实现 图像跟随采煤机位 置 自动切换 。操作人员通过视频图像集合各子系统相 关数据 ， 如液压支架状态、 采煤机截 割部高度 、 煤层 情 况 ， 可对 工作 面 液 压 支 架 、 采 煤 机 进 行 远程 干 预 。 远程干预可实现设备本地控制 的所有功能 ， 避免在 无人工作面开采过程中由于地质条件或煤层变化时 造成设备损坏。可视化平台与数据集成平台为无人 工作面开采过程的设备安全运行提供有效保证 。 3 ． 1巷道 监控 中心远程 控制 利 用 远 程 控制 功 能 实 现对 采 煤 机 、 液 压 支 架 的