薄煤层工作面智能化成套装备关键技术研究.pdf

局广山机械第4 8 卷2 0 2 0 年第7 剪 薄煤层工作面智能化成套装备 关键技术研究 李刚1 ’2 中国煤炭科工集团太原研究院有限公司山西太原0 3 0 0 0 6 2 山西天地煤机装备有限公司山西太原0 3 0 0 0 6 摘要为了有效解决薄煤层开采存在的诸多问题，开发一套链牵引薄煤层采煤、运输、支护、集中控 制为一体的成套装备，通过智能自移设备列车、地面井下智能集中控制中心及双滚筒采煤机，完成等 高切割、地面远程控制、工作面智能巡检等功能，完成割煤、牵引、运输、移架、推溜、动力设备列 车协同循环控制，实现了薄煤层无人化开采。 关键词薄煤层；智能化；视频系统；智能设备列车；三维激光扫描巡检机器人 中图分类号T D 4 2文献标志码A文章编号10 0 1 3 9 5 4 2 0 2 0 0 7 0 0 0 5 0 6 R e s e a r c hO nk e yt e c h n o l O g ya b O u tc O m p l e t es e tO fi n t e U i g e n te q u i p m e n t f b rw o r k f a c eO f t h i nc o a ls e a m L I G a n 9 1 ’2 ’T a i y u a I lI n s t i t I l t eC o ．，L t d ．o fC h i n aC o a lT e c l l l l o l o g y E n g i I l e e m gG r o u p ，T a i y u 锄0 3 0 0 0 6 ，S h a n X i ，C h i n a 2 S h a n x iT i a n d iC o a lM i n i n gM a c h i n e r yC o ．，L t d ．，T a i ”l a n0 3 0 0 0 6 ，S h a l l x i ，C h i n a A b s t r a c t T bs o l V e Ⅱl ep r o b l 锄so c c u r r e d 蛐g 蛐g 也e 廿1 i l lc o a ls e a m ，ac o r n p l e t es e to fc h a i l l - d r 楚．g e d e q 吨删i n l e 咖gI I l i n i I l g ，昀州，s u p 肿ga n dc 删i z e d 蛐l f - o rt I l i nc o a ls e a mw 雏d e V e l 叩e d ．W i l h t h ea i do ft l l ei n t e l l 远e n tf - a c i l i 够s e l h n o v i I l g 恤血，u I l d e r g r o u n di I l t e l l i g e n tc e n 砌i z e dc o n n ．0 1c e m e ro n 铲。吼d a n dd l l a l 一d n H ns h e 鲫％m ee q u i p m e n tc o r n p l e c e de q I u a lh e i g h tc 砌I 坞，g r o u n dr e m o t ec o n 廿o la n dn e l l i g e n tp a t r o l i r 印e c t i o no nw 抵ee t c ．T h u S ，c o o p 删V ec y c l i cc o n 晌lo fc u 仕咄，d 熘i I l g ，昀n 洲，s u p p o nm o V i I l g ，s l i d i I l g 觚d m e p o w e r f 犯i l i 够缸a i nr e a l 切e 也s oa s t o a c I l i e V eu I m 删m e d m i I l i I l g o n m i I l c o a ls 锄． K e yW b r d s t h i nc o a ls e 锄；i I 此l l i g ∞c e ；V i 刚s c r e e ns y 咖n ；i I l t e l l i g e n t ‰i l i 够的i 1 1 ；3 Dl a s e rs c 锄n j n gp a 舡o l i I 啪e c t i o nr o b o t 薄 煤层综合机械化开采由于空间小、地质条件 复杂、开采困难、成本高、安全风险大、效益 差等问题，存在很多技术难点，特别是极薄煤层开采 尤为困难。近年来，为了杜绝资源严重浪费和开采失 衡的现象，延长矿井的服务年限，提高煤矿资源采出 基金项目国家重点研发计划 2 0 1 7 y F c 0 8 0 4 3 0 5 ，工作面智能 化超前支护装备辅助作业平台；山西省重点研发计划项目 2 0 1 8 0 3 D 1 2 1 0 0 5 ，顺槽巷道长距离交替循环支护运载成套装备； 山西省科技重大专项 2 0 1 8 1 1 0 2 0 1 7 一0 1 ，循环交替支撑数字化 掘进及后配套平行作业工艺；天地科技青年项目 2 0 1 8 一T D Q N 0 3 5 ，煤矿井下重复应用移动风桥关键技术研究 作者简介李刚，男，1 9 8 1 年生，副研究员，主要从事煤矿 井下支护与输送装备研究设计工作。 率，薄煤层智能化安全高效装备性能提升成为开采薄 煤层的关键技术n 圳。 煤矿综采智能化装备与水平在不断提高和快速发 展，但主要是针对中厚煤层及放顶煤工作面装备的智 能化装备与技术。由于薄煤层开采受其环境与空间的 约束，操作困难，设备能力欠缺，且投资与产出比较 低，没有达到真正意义上的工作面少人化开采。随着 煤矿综合机械化水平的不断提高，适应薄煤层开采条 件的综合机械化装备不断涌现，大大提高了薄煤层开 采自动化水平。目前薄煤层开采主要以采煤机、刨煤 机为主以刨煤机为龙头的智能采煤系统，具有结构 简单、截深浅、运行速度陕、生产效率高等特点，但 编 辑 亚 瑾 条 掘 妻 万方数据 圈舢机械籼糊㈣。期 受地质条件影响大，适应性差、功率利用率低、收煤 1 实现智能无人化控制是薄煤层开采工作面 编效果差；以摇臂式电牵引滚筒采煤机为龙头的智能采能化控制系统研究的核心与目标，将工作面双滚筒 辑 煤系统，具有适应性强、技术成熟等特点，但设备结煤机、刮板输送机、转载破碎连续运输系统、成套 严构尺寸大、截割功率偏小、适应性较低；以等高链牵 采液压支架、自动配比乳化液泵站、长距离带式运 引滚筒采煤机为龙头的智能采煤系统，具有截割功率 系统、智能控制设备列车等，通过智能集中控制中 瑾 大、生产效率高、适应性强等特点，具有推广价值与 系统相互连通，构建薄煤层开采设备必备的多平台 应用前景。结合传统薄煤层开采方式，分析研究以刨 同控制系统，实现煤矿地面与井下巷道集控中心集 煤机、滚筒采煤机为龙头的智能采煤系统优点，深入 监控，保持各设备问良好运行，如图1 所示。 研究等高链牵引滚筒采煤机的采煤方式，开发截割功 2 采用4 G 网络构建煤矿井下高速传输平台， 率大、运行速度快、适应性强的薄煤层智能凹采工作 过设备行程、姿态、压力、流量等传感器，结合视 J J J J 面成套装备，是实现薄煤层减员增效、本质安全、高 监控平台，对综采工作面设备运行状态进行实时监 效开采的先决条件，对降低工作面人员劳动强度，提 及可视化图像监控，实现1 人巡视、远程干预、高 高资源利用率、薄煤层矿井产量及料会绎济效益具有 智能化控制模式，如图2 所示。 i ．二■i Ⅲ O II 、一‘ - 口■。。。。一f _ 旷 Ⅱ 旨舒≈越 西瑚 1智能化成套装备组成． 、 ．及智能集 ■ 严峰工- ，生I ．卜卜．_ ‘工 7 弓～。工。。。Y 。 7 。、 a 顺槽集控中心 b 可视化图像监控效果 结合国内外智能开采工作面先进的技术、薄煤层图2 智能化无人成套设备控制系统及可视化图像监控效果 开采技术特点以及存在的问题，研发了一套高效开采 F i g ．2 c o n t m ls y s t e mo f i n t e l l i g e n tu n m a n n e dc o m p l e t e 的薄煤层采煤、运输、支护、集中控制为一体的智能 。q Ⅲp 眦小扑d v 博岫m 8 。啪m 协n n 2d №n 8 化成套系统。该套系统主要由双滚筒采煤机、刮板输 3 通过 维激光扫描视频机器人对综采工作 送机、成套综采液压支架、转载破碎连续运输系统、 环境与“三机”装备，工作面运输巷与装载、运输 长距离带式运输系统隅1 、智能控制设备列车以及智能破碎设备，集中动力控制设备空间状态及设备运行 集中控制中心系统等组成，其主要实现的功能与关键态实时巡检，律寺T 作面三维地质模型识别煤岩与 技术要求如下。 层状态，监控工作面及巷道所有设备运行状态，实 j ；鬈动缒端设备厂| ▲I 上 一 ～ 例煳阪队毫纛网茹扁稳麟器 地咖 井下 运输巷带式输送机 ●■l 。。 一 一 I ■- 一_ 一，，．显示器 数据处理中心 网络交换机 ●I，，’’●I 一 ’l | ～、 ． 』出f 结 ●■■_l ■●■■■ JJ 供电系统 ’’I - _ 一_ 1一 _ 主机 顺槽集控中心 } 乒} 章光电转换器 支架 控制台 巷道 采场 液压支架远程控制专线 采煤机远程控制专线l 光缆I l J l - 矗J L ‘一岛⋯ 。豢蘧复聂黔咝 晨刍彳综合 _ f I 蘸巍机 ⋯掣t 。。露瓣‰搽鼍嘲 1郴 液压支架采煤机 图1智能化无人成套设备控制系统结构分布 万方数据 智能系统对截割部运动轨迹实时修正，保证设备安 全、可靠地运行，提高对设备进行故障诊断、矿压检 测、姿态控制、远程操控等能力，如图3 所示。 网嘲 a 三维激光扫描视频机器人效果 ㈣现场应用 图3 三维激光扫描视频机器人效果及现场应用 F i g ．3 E f f e c t sa n df i e l da p p l i c a t i O no f3 Dl a s e r s c a n n i n gV i d e or o b o t 4 根据工艺要求，识别成套设备与工作面空间 位置关系，实现割煤与牵引的自适应控制、落煤与运 输的协调控制、成套液压支架系统及时支护、工作面 截割与运输、支护设备与巷道智能设备列车协同控 制，如图4 所示。 舢机械籼籼啡。期圈 2 智能工作面成套装备以及控制系 统研究 2 ．1 双滚筒采煤机及控制系统设计 双滚筒采煤机主要由整体机身、滚筒、自动随机 拖缆装置、传动系统及链牵引装置组成，采用分体式 模块化设计，结构紧凑，体积小，前后共2 个滚筒割 煤，截割电动机功率为4 5 k w ，采高范围为1 ． 一1 ．8 m ，过煤高度为3 0 m m ，截深为6 3 0 和8 m m ，整 机长度为7s 0 m m ，机身高度为9 s m m ，电源电压 为33 0 V ，截割能力为1 0t ／h ，牵引速度范围为 1 1 ．5 ～2 5 ． m ／m i n ，采用水冷系统进行冷却，通过4 G 网络控制平台以及智能控制系统，将双滚筒采煤机、 视频监控惯导装置、红外传感器等多设备连接，实现 截割轨迹实时修正、三维空间运行姿态快速调整、自 动记忆截割及超远距离控制等功能。双滚筒采煤机控 制系统原理如图5 所示。 编 辑 皿 瑾 图4 智能化成套设备控制系统 F i g ．4 C o n t r o ls y s t e mo fi n t e l I i g e n tu n m a n n e dc o m p I e t ee q u i p m e n te n t 7 万方数据 圈舢机械籼糊舭⋯， 圄 一 图6 刮板输送机控制系统原理 F i g ．6P r i n c i p l eo fc o n n 4 0 ls y s t e mo fs c r a p e rc o n V e y o r 、送驱动部和牵引驱动部与刮板输送机垂直布置，降低 了机头和机尾的高度与长度，保持整个工作面等高割 i ；煤的工艺要求，驱动部采用变频一体机 减速器 液 压限矩器的传动方式。刮板链形式为中双链，圆环链 采用大直径高强度扁平链【“，机尾设置自动调节张紧 装置，维持刮板输送机合理的张紧状态，保持其正常 运输能力。 2 ．3 成套综采液压支架及控制系统设计 成套综采液压支架主要包括中部支架、过渡支架 及超前支架，其基本结构型式为两柱掩护式，双前后 连杆、整体式顶梁底座及双平衡千斤顶结构，结构件 主要采用Q 8 9 高强度材料，减小支架的质量，提高 j 其内部空间。液压支架采用超大伸缩比立柱，以提高 ；支架对煤层高度的适应性，侧护板双向可调。支架工 { 作阻力为8 I I k N ，支护强度为o ．7 8 ～ ．8 9M P a ，推 i 移步距为8 9 m m 。通过工作面智能控制系统、视频 1 监控系统，以及压力、行程、角度等传感器，实时监 ’测支架支撑压力与姿态，实现自动压力补偿，保持良 好的支护效果；推移位置分段控制、自动工作面调直 及支架空间姿态实时调节；按照采煤工艺要求实现工 作面“三机”同步联动，与等高采煤机自动实时跟机 作业n ‘1 。综采液压支架及控制原理如图7 所示。 a 结构示意 b 控制原理 图7 综采液压支架及电液控制系统原理 F i g ．7H y d r a u l i cs u p p O r tf o rf u l l y - m e c h a n i z e dm i n i n ga n d p r i n c i p I eo fi t se l e c t r o - h y d r a u H cc o n ”o ls y s t e m 工作面运输巷与回风巷超前支护采用左右分体式 6 架l 组工作面智能超前支护辅助平台，主要由修复 平台、智能超前支护支架及自动退锚装置组成。超前 支护强度不小于 ．3 2M P a ，工作支护长度为3 m 。 具备采后自动退锚杆卸压，采前智能判断修复巷道， 支护辅助平台实时监测与巷道、设备之间的空问关系 及压力状态，保证超前支护有效支护巷道顶板，实现 与工作面“三机”同步联动m 1 。工作面智能超前支护 辅助平台如图8 所示。 I I 。＼IIIlIIIIIIlIIIIlI { I i ；～J - J X ㈨麟㈨如搬 i 修复平台、 l ，一、鱼 图8 工作面智能超前支护辅助平台 F i g ．8I n t e i g e n ta d V a n c e ds u p p o r ta u x i l i a r y p I a 埔D r mo nw o r k f a c e 2 ．4 智能设备列车及控制系统设计 工作面运输巷中的动力负荷中心一l 、泵站、电缆 液管、工具箱、集控中心等布置在智能设备列车上， 实现设备列车与工作面截割、运输以及支护设备快速 联动，以及6 m 电缆与液管的自动收放。该设备总 万方数据 长约2 6 0m ，主要有锚固牵引装置、自移轨道、推移 控制系统、3 8 台自移式平板车、远程遥控电液控制 系统以及3 0 台自动伸缩管缆装置组成。锚固牵引装 置与自移式平板车互为支点，通过推移与远程电液控 制系统进行操作，实现设备列车整体前移”】，1 个循 环过程大约需要4 Ⅱl i n ，移动步距约3 ．om 。该设备列 车无需铺设轨道、人工高空悬挂电缆与液管、移动绞 车等繁重工作。通过压力、行程以及倾角传感器信号 反馈及视频监控，监测牵引装置初撑力、推移行程以 及平板车姿态执行状态，判断执行动作是否满足设备 整体前移的要求，并通过c A N 总线实现控制器之间 数据交互与时序分组控制以及整体同步控制。矿用电 控液压移动列车组及控制系统如图9 所示。 拿- a 设备列车组结构 摄像仪 ●p 厶 锚固 装置 系统 b 平板车电控系统布置 图9K D Y Z 4 0 一4 0 ／2 0 0 0 矿用电控液压移动列车组 F i g ．9 K D Y Z 4 0 - 4 0 ／2 0 0 0m i n ee l e c t r i cc O n t r o lh y d r a u I i c m o b i l et r a i ns e t 2 ．5 工作面网络传输视频监控系统设计 薄煤层智能工作面双滚筒采煤机、刮板输送机、 成套综采液压支架、智能控制设备列车、三维激光视 频扫描机器人等设备运行姿态、空间位置、运行参数 等大数据主要采用有线与无线相结合的方式传输。沿 着回采方向每6 台支架设置l 台夜视、低照度、高清 晰矿用本质安全型网络摄像仪；沿着采空区方向每 4 台支架设置l 台摄像仪；工作面运输巷中的设备列 车、超前支架及转载破碎连续运输系统关键位置设置 摄像仪，实现薄煤层智能工作面视频监控全覆盖，摄 像仪监控的视频信息采用有线传输的方式通过支架控 g l U V l d e 0m o n l t o n n g s y s t e m 薄煤层智能工作面机头与机尾各布置2 台三维激 光扫描机器人，监控工作面机头与机尾工作状态及巷 道空间位置关系；双滚筒采煤机左右两侧各布置l 台 三维激光巡检机器人，监控采煤机工作状态及空问位 置关系，同时分析工作面三维空间形态；工作面运输 巷转载破碎连续运输系统与长距离带式运输系统上布 置若干台三维激光巡检机器人，监控工作面运输巷设 备运行状态；三维激光扫描机器人采用无线传输的方 式与支架控制器连接，接入智能控制系统，如图l l 所示。 第l I 1 带式输送机2 设备列车3 ．转载机4 破碎机5 刮板输送机 6 三维激光扫描巡检机器人7 采煤机8 液压支架 图11三维扫描视频机器人工作面分布 F i g ．1 l D i s t r i b u t i o no f3 Ds c a n n i n gV i d e or o b o t so nw o r k f a c e 薄煤层智能工作面通过摄像仪与三维激光扫描巡 检机器人采集信息，视频数据通过支架控制器接入无 画 万方数据 编 辑 皿 瑾 呆 掘 10 圈班机械猢籼扣㈨期 线信号转换器，无线信号转换器通过网络与支架控制 器和工作面网络交换机连接，工作面网络交换机之间 通过双路千兆网络连接，工作面网络交换机与井下环 网交换机通过单独千兆网络连接；工作面机头、机尾 两端各安装1 套4 G 无线基站，工作面上隅区和下隅 区各安装1 套通信分站，4 G 无线基站与通信分站接 入工作面交换机，建立回采工作面三维立体模型，监 控工作面设备运行状态，达到智能开采的目的，实现 井下运输巷集控中心对整个工作面监控及通过井下环 网实现地面远程监控，如图1 2 所示。 良好，有效保证了顶板的安全。 4 结语 自动化、智能化装备，高效的网络传输平台， 以及智能控制系统是实现薄煤层工作面减人增效的有 效途径，通过对薄煤层智能回采工作面成套装备及其 关键技术研究，可有效提高薄煤层开采效率，实现智 能化工作面无人操作、有人值守开采模式，为薄煤层 工作面无人开采积累经验，最终实现无人化开采的目 标。 图1 2 工作面网络传输视频监控系统原理 F i g ．1 2P r i n c i p I eo fn e t w o r kt r a n s m i s s i o nV i d e om o n i t O r i n g s v s t e mo nw o r k f a c e 3 应用效果 4 3 1 0 7 薄煤层智能化工作面煤层厚度为1 ．1 1 ．6 m ，平均采高为1 ．3m ，工作面布置长度为3 0m ，走 向长度为25 0 0m ，煤层倾角为3 。一7 。，平均为4 。， 煤层硬度厂 o ．2 2 。o ．4 8 ，直接顶为砂质泥岩，厚度为 o ．1 ．5m ，直接底为细砂岩，厚度为o ．1 0 o ．7 0m ， 煤层结构简单。工作面最高月产量为l l 万t ，预计年 产量达到1 2 0 万t 。 1 建立智能集中控制中心与地面控制枢纽，实 现工作面“三机”、工作面运输巷设备与地质环境协 同联动控制。 2 通过有线与无线网络全覆盖，保持工作面设 备可靠通信，视频、语音和数据三网合一的智能化控 制模式。 3 等高采煤机采用垂直进刀方式，减少了割三 角煤、回空刀、切底煤等流程，效率提高了近l 倍， 截割功率与同等功率采煤机相比，单刀力提高了l 倍，破岩能力强。 4 综采液压支架支撑效率达到8 5 ％，支护效果 1 薄煤层智能化无人工作面链牵引式薄煤 层采煤、运输、支护、集中控制为一体的多平 台设备协同智能控制技术，以及三维立体工作 面环境识别技术，实现了工作面割煤、及时支 护、推溜、姿态调整、环境自适应及全环境监 控全覆盖。 2 视频监控系统及三维激光扫描机器人的 应用，为薄煤层智能化无人工作面开采带来指 挥的眼睛，提高成套系统的安全检测，保持多 设备间良好的空间位置状态，实现自适应智能 开采。 3 薄煤层智能设备列车以工作面乳化液为 动力，通过远程遥控实现列车自移、调偏，管 缆自动收缩、防掉道、自适应等功能，达到了 高产高效矿井陕速推进的目的。 参考文献 【l 】王虹．综采工作面智能化关键技术研究现状与发展方向【J 】 煤炭科学技术，2 0 1 4 ，4 2 1 6 l 6 4 ． 【2 】王国法，庞义辉，任怀伟，等．煤炭安全高效综采理论、技术 与装备的创新和实践叨．煤炭学报，2 0 1 8 ，4 3 4 9 0 3 - 9 1 3 ． 【3 】贾明泉．带式输送机张紧装置的非线性P D 控制策略研究【J 】 矿山机械，2 0 1 3 ，4 l 9 1 2 1 4 ． [ 4 J 索智文．煤矿综采工作面无人化开采技术研究[ J 】．工矿自动 化，2 0 1 7 ，4 3 1 2 2 2 6 ． [ 5 】李刚，赵帅．新阳煤矿充填液压支架的研究与应用【J 】． 矿山机械，2 0 1 3 ，4 1 9 2 5 2 8 ． 【6 】何春光，李明忠．超大采高智能化综采成套装备及系统集成 [ J 】．煤矿机械，2 0 1 8 ，3 9 2 1 3 2 一1 3 4 ． 【7 】李刚．超前支架支护效果的分析与研究[ J 】．煤矿机电， 2 0 1 4 6 4 _ 6 ． 【8 】张恒．综采工作面远程集中供液系统设计与应用[ J 】煤矿 现代化，2 0 1 8 6 1 2 8 ～1 3 0 ． 【9 】牛理鹏．滑靴式自移设备列车在煤矿井下的应用[ J ] 机械管 理开发，2 0 1 6 ，3 1 2 1 0 7 一1 0 8 ． 【l o 】中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西天地煤机装备 有限公司．大坡度顺槽迈步自移设备列车2 0 1 5 1 0 1 7 8 7 0 1 9 【P 】．2 0 1 5 - 0 7 - 2 2 ．口 收稿日期2 0 2 0 0 4 0 1 修订日期2 0 2 0 0 5 2 0 万方数据