智能化采煤工作面建设研究.pdf

2020年第5期西部探矿工程 * 收稿日期 2019-08-28修回日期 2019-09-12 第一作者简介 王东亮 （1995-） ， 男 （汉族） ， 山东枣庄人， 助理工程师， 现从事煤矿开采工作。 智能化采煤工作面建设研究 王东亮*， 董运启， 邓海宾， 刘 生 （山东能源枣矿集团七五煤矿， 山东 济宁 277600） 摘要 以枣矿集团七五煤矿3 上217智能化工作面为案例， 从支架自动跟机移架、 煤机记忆截割、 工 作面远程集中控制、 注浆锚索代替超前支护、 工作面大数据系统、 劳动组织等方面介绍智能化工作面 建设经验， 并从工效与产量、 安全效益、 管理提升三方面介绍了智能化工作面建设的成效， 并对智能 化工作面存在问题提出相关改进建议。 关键词 智能化工作面； 跟机移架； 记忆截割； 大数据系统； 劳动组织 中图分类号 TE22 文献标识码 A 文章编号 1004-5716202005-0121-03 随着装备的升级煤炭的智能化开采成为新的趋 势， 以支架自动跟机移架、 煤机记忆截割、 工作面设备 一键启动等为标志的智能化采煤工作面成为煤炭智能 化开采的典型案例。枣矿集团七五煤矿3 上217工作面 通过建设智能化工作面实现了正常采煤生产过程中少 人、 安全、 高效开采， 是智能化工作面建设的代表之一。 1工作面基本情况 3 上217工作面煤层厚3.6～4.6m， 平均厚度4.1m， 倾角10， 工作面长度141m， 走向长度868m， 采用走向 长壁后退式采煤、 全部垮落法处理采空区顶板。 工作面装备 ZY6800/24/50D 型液压支架 97 架; ZZ9200-24/50型端头支架1架； SZZ-830/400型转载 机1部； MG400/930WD型采煤机1部； SGZ-830/800 型刮板运输机 1 部； PLM-1500 型破碎机 1 部； DSJ- 100/63/2160型可胶带输送机1部。 2智能化工作面建设 以枣矿集团七五煤矿3 上217智能化工作面为例， 智能化工作面建设主要包括以下几个部分 2.1液压支架自动跟机移架 2.1.1液压支架自动跟机的硬件基础 （1） 电液控系统 包括控制器、 电磁阀驱动器、 隔离 耦合器均能够正常工作， 电液控系统系统间通信正 常。电液控系统传感器均能够正常显示支架的工况。 （2） 传感器 采煤机位置检测装置， 包括采煤机上 红外发射器， 支架上红外接收器能够正常工作， 中间无 遮挡。 2.1.2液压支架自动跟机参数设置 支架自动跟机移架由一名支架巡检工对支架控制 器参数进行设定， 紧跟煤机运行方向按照作业规程中 有关采煤工序规定设置喷雾、 移架等参数， 并根据工作 面条件摸索出适应智能化生产的参数设置， 设置完成 后， 启动跟机实现自动喷雾、 收护帮、 移架、 推移运输机 等动作。 2.2采煤机记忆截割 采煤机记忆截割系统由配套的各种传感器、 传感 器中心、 采煤机与顺槽通信模块以及记忆截割软件组 成。采煤机记忆截割首先是进行人工操作， 通过读取 采煤机机身传感器的高度、 速度、 当前位置等数据在控 制程序数据库学习记忆一个割煤循环， 在地质条件稳 定时， 后续生产调用记忆截割功能， 实现煤机自动重复 执行上一循环割煤时煤机相应位置的速度、 采高等状 态参数， 实现智能割煤。在地质条件变化时， 跟机巡检 可以实时进行人工干预， 以弥补智能化割煤缺陷， 达到 智能采煤、 人工干预的最佳状态。 2.3工作面视频监控功能 视频监控系统通过网络传输的方式完成对工作面 采煤机、 液压支架及采场状况的视频监控， 实时为远程 操作员建立身处现场实景的信息， 确保远程操作的安 全。通过视频监控系统传送工作面图像， 操作人员根 据煤层变化情况、 滚筒截割情况、 支架状态等信息， 必 要时对采煤机进行远程干预。 2.4工作面远程集中控制 121 2020年第5期西部探矿工程 将综采工作面主要设备， 包括采煤机、 液压支架、 运输系统、 供电系统、 供液系统， 通过自动化控制系统 连接起来， 实现在井下集控中心和地面调度中心对工 作面设备进行工况信息监测和远程集中控制， 并实现 工作面设备 “一键启停” 和 “顺序启停” 。 在井上下集控中心能够实现对采煤机的运行方向、 速度、 滚筒转速和摇臂高度的控制功能； 实现对单个支 架或成组支架实现锁定、 解锁、 执行动作等功能； 实现对 破碎机、 转载机、 刮板运输机单独启停功能； 在液压支架 电液控制系统实现全工作面跟机自动化的基础上， 将电 液控制系统的数据与液压支架视频相结合， 通过集控操 作中心和地面调度中心的操作台对液压支架进行人工 干预， 以满足复杂环境下液压支架的自动化控制。 2.5乳化液保障系统 通过自动控制技术， 将乳化液配液、 高压过滤系统 集成起来， 实现乳化液自动配比， 箱体液位自动检测， 自动补液功能； 反冲洗过滤站压力自动检测， 自动反冲 功能， 形成智能化集成供液控制系统， 提高了供液系统 运行效率。并将采集到的数据集成显示、 实时上传， 实 现了乳化液保障系统的可视化管理。 2.6注浆锚索代替超前支护 运输巷超前采用巷道支架配合注浆锚索支护， 轨 道巷超前采用单元支架支护， 取消原有人工单体超前 支护方式， 2人即可完成当班端头和超前范围内顶板维 护作业， 实现了端头及超前支护由人工操作向自动化 操作的转变， 简化了操作工序和流程， 提升了施工安全 系数、 减轻了职工劳动强度。 2.7工作面大数据系统 通过工作面高速以太环网将采煤机控制系统、 支 架电液控制系统、 工作面运输控制系统、 三机控制系 统、 泵站控制系统及供电系统相关数据上传， 实现对支 架压力、 煤机轨迹、 乳化液自动配比以及高低压过滤站 等生产数据的实时监测及历史数据查询 （1） 实现数据的实时监测和采集， 建立实时数据 库， 并进行存储， 实现历史数据积累， 具备查询历史数 据功能， 并对历史数据根据不同的查询条件做相应的 筛选、 区分。 （2） 实现支架压力数据的实时上传及历史数据查 询存储， 并以不同颜色直接区分压力不足和压力超限。 （3） 实现煤机轨迹数据的实时上传及历史数据查 询存储， 生产期间显示煤机滚筒高度、 煤机速度及牵引 方向， 并以不同颜色区记忆截割及人工操作， 实现煤机 速度的历史查询。 （4） 实现乳化液自动配比装置水箱、 油箱、 液箱、 浓 度以及高低压反冲洗过滤站进、 出口压力实现显示及 乳化液浓度历史查询。 （5） 工作面生产期间， 实现采煤机、 刮板运输机、 转 载机、 破碎机、 胶带运输机动画显示及刮板运输机、 转 载机、 破碎机电流上传， 并实时显示采煤机位置。 2.8劳动组织及岗位设置 采用 “二八” 制作业方式， 一个生产班具体岗位设 置7人， 为跟班工长1人， 负责总协调， 机动帮扶， 重点 兼顾机尾结合部工作及日常班次转载机迁移； 智能设 备总控1人， 负责乳化泵、 三机、 胶带输送机等所有设 备集控兼维护； 煤机巡检1人， 负责正常生产采煤机巡 检； 支架巡检1人， 负责正常生产支架巡检； 运输系统巡 检1人， 负责转载机及胶带运输机巡检， 配合机头结合 部工作， 及日产班次转载机迁移； 端头维护2人， 负责相 互配合完成机头尾端头维护工作。 2.9智能化设备操作与维护人员培养 关于智能化设备操作与维护人员培养是建设智能 化工作面的重要保障 （1） 坚持邀请厂家技术人员来矿实训， 并选派技术 骨干到设备研发单位、 生产厂家实地学习。 （2） 安装期间请设备厂家专家进行现场指导， 同时 安排对使用、 维护人员进行现场教学实现人员素质和 新装备要求的高度匹配。 （3） 突出 “一人多岗、 一人多能、 兼职互补” ， 培养智 能化设备操作与维护、 检修合一的智能化技能人才。 构建 “厂家现场” 的双重培训模式， 培养 “操检合 一” 的技能型人才。 3智能化工作面建设成效 217工作面形成采煤机以记忆割煤为主,人工远程 干预为辅;液压支架以跟随釆煤机自动序列动作为主, 人工远程干预为辅;综采运输设备集中自动化控制的智 能化生产模式。工作面智能化操作工艺实现常态化， 效能发挥达到80％以上， 安全生产、 工作效率和经济效 益都取得了显著成效。 3.1工效与产量 通过智能化装备升级与效能发挥， 使得劳动组织 得到了大幅度的优化， 采用 “二八” 制作业方式， 一个生 产班7人组织生产。工作面每循环工效达到160吨/ 工/小时， 提升2倍以上， 在常规地质条件下工作面具备 日产万吨的单产能力。 3.2安全效益 在煤矿企业用工人数较多， 机械化、 自动化、 信息 122 2020年第5期西部探矿工程 化水平低的现状下， 煤炭智能开采实现了机械化换人、 自动化减人， 能够极大提高劳动生产率， 减少井下现场 作业人员， 减少井下作业班次， 促进劳动组织变革。以 217智能化综采工作面为例， 可减少一半以上作业人 数， 将人员从危险的场所、 薄弱时段解放出来， 有效降 低了岗位操作安全风险， 提升了安全保障水平， 对实现 煤矿安全高效生产具有重大意义。 3.3管理提升 通过建设工作面大数据系统实时掌握工作面设备 状态， 精确获取各设备工况参数， 并通过视频监控系统 实时掌握工作面人员工作情况， 提升现场管理水平。 4改进建议 4.1存在问题 （1） 煤机在记忆截割模式下， 割煤过程中并不能有 效识别煤与矸石并自动调整采煤工艺及相关运行参 数。 （2） 支架自动跟机移架因受阻和时限限制等因素， 存在移架不到位情况， 且不具备支架姿态调整功能， 当 支架出现歪斜， 不能自行调整。 （3） 支架拉移超前后， 自动跟机移架时， 不能判断 出超前架， 仍执行移架动作， 对顶板造成二次破坏。 （4支架无工作面找直功能。 （5） 支架自动移架动作前无安全预警信号。 （6自动跟机视频有时不能及时跟机到位， 给远程 操作及安全监控带来了极大困难。 （7） 采场地质条件发生变化时， 自动生产模式下， 仍执行原学习参数， 需要重新记忆学习。 4.2建议措施 （1） 优化煤机记忆截割功能， 在截割煤矸石时， 做 到及时调整煤机速度等相关运行参数。 （2） 增加支架自动移架调架功能 （侧护、 底调） 。 （3） 建议厂家增加支架拉移行程检测判断功能， 当 检测判断支架拉移超前架后不再执行移架动作， 自动 检测判断支架拉移是否到位， 如不到位相应增加拉架 时间。 （4） 增加支架工作面找直功能。 （5） 完善支架移架安全预警功能。 （6） 建议厂家增加支架遥控干预功能， 并设定优先 级别， 便于巡检人员干预调整支架。 （7） 增加支架自动化设定不同参数方案的可选菜 单， 方便在现场条件发生变化时随时切换调整。 5结语 实现智能化开采是煤炭工业技术革命、 产业转型 升级的战略方向， 建设智能化采煤工作面， 推进现阶段 可行的 “无人操作、 有人巡视” 的智能化开采模式， 不断 改进设备性能， 持续提升装备效能， 充分发挥智能化保 障作用， 不断提高智能化技术与综合管理水平， 大幅降 低工人劳动强度， 将工人从危险的工作面采场解放出 来， 实现 “少人则安、 无人则安” 。 参考文献 [1]高有进,罗开成,张继业.综采工作面智能化开采现状及发展 展望[J].能源与环保,2018,4011167-171. [2]王国法,张德生.煤炭智能化综采技术创新实践与发展展望 [J].中国矿业大学学报,2018,473459-467. [3]徐建军.煤矿智能化综采技术现状及展望[J].陕西煤炭,2017, 36344-47. 􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕 （上接第120页） 设备之间的联机闭锁； 综合保护各传感器利用原主斜 井带式输送机设备重新设置， 也无需新购； （5） 备品备件 考虑到主斜井带式输送机的咽喉位 置和对矿井实现年生产目标的重要性， 建议改造时新 购1套传动滚筒和1套高张力改向滚筒备件。 4主斜井带式输送机凹弧半径的校核计算 主斜井带式输送机尾部设一段凹弧段， 输送机坡 度由16变为0， 凹弧半径365.891m， 下式对该凹弧半 径进行核算 Ra≥ ΚαS qBgcosβ 1.250000 37.89.81cos16.5o 167 （m） 式中 Ka动载荷系数， 取1.2； S凹弧段起点的张力， 按张紧装置的最大能力 取值，S＝50000N。 根据上述现有的凹弧半径满足最小凹弧半径要 求， 不会发生 “飘带” 现象。 5结语 根据矿井实际生产情况， 对矿井主运输系统进行 改造， 经过详细的方案比较， 主斜井与13煤层主运输 大巷各装备一台带式输送机， 两部前后搭接的改造方 案， 该技术方案主斜井带式输送机机头传动滚筒的受 力与改造前的主斜井带式输送机相差不大， 机头传动 部及基础基本可以不变， 需要更换的设备较少， 在降低 投入成本的同时， 使得改造工期大大缩短， 有效地保证 了矿井的正常生产。 123