薄煤层智能化工作面的建设及技术创新.pdf

科技■信息化 I Science Technology | Inatization 薄煤层智能化工作面的建设及技术创新 U文 /黄超慧 随着煤炭资源开采的日益减 少， 薄煤层的安全高效开采成为了 我国煤矿企业关注的焦点。 平煤股 份四矿在薄煤层开釆过程中， 存在 着采面高度低、 条件差， 人员不能 直立作业， 劳动强度大等难题， 迫 切需要薄煤层综釆工作面实现无人 自动回釆， 将工人从高危的生产环 境中解放出来。 平煤股份四矿从薄 煤层智能化工作面论证、 综釆设备 配套选型和智能化控制系统几个方 面对薄煤层智能化工作面的建设 进行了深人研究， 对设备的选型设 计和配套参数进行细致分析， 对控 制系统的智能化功能进行了创新和 完善， 建设了既有一定生产能力， 又能适应复杂生产环境的薄煤层 智能化工作面。 该薄煤层智能化工 作面的建设， 实现了减员提效， 智 能化远程控制和安全高效生产的目 标， 为薄煤层综釆自动化设备的推 广和同类薄煤层的智能化开釆提供 了有利参考。 _ 、 智能化工作面的建设 1.工作面概况 平煤股份四矿位于平顶山矿 区中部， 1955年11月建矿， 1958年明 1日投产， 现核定年生产能力224万 吨。 投产60多年来， 矿井由单一水 平开采变为多水平开采， 由低瓦斯 矿井变为煤与瓦斯突出矿井。 特别 是四矿可采区域呈南北狭长走向， 再 加 上 四 组 煤 层 同 时 开 采 ， 采区 上、 下重叠布置， 主要进、 回风巷断 面变形量高达5 0 以上， 开采垂深 在850m以上， 回采工作面客观上面 临着高瓦斯、 高地压、 高地温； 通风 难、 运输难、 提升难、 供风难、 供水 难、 行人难的安全发展瓶颈。 己 15-23090工 作 面 位 于 己 三 采 区 东 翼 中 部 ，己15煤层厚度 1.02.0m,平均煤厚1.45m。 煤层 赋存稳定， 基本顶为细粒砂岩， 厚 612m,厚层状。 直接顶为粉砂与 粉砂质泥岩互层， 厚3.55.5m, 层 状 。基 本 底 为 粉 砂 质 泥 岩 ，厚 2_57.0m, 团块状。直接底为泥 岩， 厚 1.52.5m,碎块状。 呈缓倾 斜单斜构造， 煤层倾角5 12 , 平均煤层倾角9 。正断层22条 ， 其中13条大于lm的正断层， 落差 l.l4.4m。 工作面设计采长148m， 走向1966m， 可采走向1870m， 可采 储量74万吨。 2.设备选型 根 据 该 工 作 面 地 质 条 件 ， 经 过充分论证， 采煤机选用上海天地 MG2x250/1200 WD 釆煤机， 该采 煤机机面高度890mm， 每个滚筒由 两台250KW的截割电机驱动， 高度 低、 功率大， 能够适应己15- 23090 工作面煤层薄、 断层构造多的复杂 地质条件。 运输设备采用平煤神马机械装 备集团河南重机公司的SGZ900/800 刮板运输机， 该运输机针对薄煤层 降低了机头、 机尾高度。 液 压 支 架 选 用 平 煤 神 马 机 械 装 备 集 团 河 南 矿 机 有 限 公 司 Z Y6800-10/20D电液控支架， 乳 化 液 泵 站 集 中 供 液 系 统 选 用 浙 江 中 煤 机 械 科 技 有 限 公 司 BRW500/37.5泵站水处理及集中 供 液 系 统 ，电液控系统选用德国 marco公司pm32ifc智能化系统。 此外， 采用SZZ-800/315转载 机 、Z Y1100型转载机迈步自移装 置、Z T17500- 16/30D机巷端头支 架2组共4架、ZC4000-15/28风巷 垛式超前支架80架等设备。 设备配 套时为保证工作面两端的破底及 拾煤效果， 采用了抬高运输机销排 中心高度的措施， 配套后采煤机机 面高996mm。 5 6 hina Coal Industry 2020/05 Science Technology | Inatization | 科技信息化 3.系统构成及功能 己15-23090薄煤层智能化综 釆工作面由液压支架电液控制系 统 、釆 煤 机 控 制 系 统 、运输子系 统、 工作面人员定位系统、 工作面 视 频 系 统 、 泵 站 集 中 供 液 系 统 、 组合开关监测系统、 设备检修预警 系统、 地面分控中心系统等10个子 系统组成。 如图1所示。 在顺槽监控中心采用vistwo 软件控制平台， 工作面综采设备通 过数据传输平台和控制平台相连 接， 在液压支架电液控制系统与采 煤机控制系统实现全面跟机自动化 的基础上， 将电液控制系统与液压 支架视频监控系统相结合， 通过监 控中心远程操作对液压支架进行 干预， 实现工作面设备运行状态和 环境状态监测， 依据数据分析基础 和预警报警机制， 满足复杂环境下 液压支架的自动化、 智能化控制。 平煤股份四矿己15-23090薄 煤层智能化综采工作面设备主要具 有以下功能。 1 液压支架电液控制系统可 以实现邻架单动控制、 隔架控制、 自动跟机移架控制、 成组支架动作 控制、 工作面顶板围岩耦合等多项 功能。同时， 通过人员定位卡自动 闭锁附近液压支架、 划定工作面安 全区域并进行警示， 三角煤区域斜 切进刀和端头支架、 转载机一键自 移， 根据压力监测数据实现矿压分 析及顶板周期来压的预警等功能。 此外， 可监测液压支架高度、 压力、 行程剂倾角等各项参数， 并根据生 产情况、 视频监控进行远程调节。 2 运输子系统利用华宁集控 设备实现自动控制、 点动控制， 实 现在集控中心远程控制刮板运输 机 、 转载机、 破碎机一键启停； 具 有实时监测三机运行状态、 电机和 减速器的运行参数（ 油温、 油位、 轴 承温度、 冷却水温度、 流量） 及工作 面运输机闭锁、 语音通讯等功能。 3 釆煤机控制系统实时釆集 工作面相应位置上的釆高、 倾角、 俯仰角、速 度 、 方向等信息， 并以 5cm为间隔做即时映射， 并生成截 割曲线模型。采煤机实现集控中心 一键启停和可视化远程控制、 记忆 截割， 以及监测油温、 油位、 电压、 电流、 通讯状态及故障信息。利用 红外/编码器/R FID射频定位 惯 导技术精确位置， 绘制采煤机位置 曲线， 通过在自动化主机上输人工 作面高度修正值的方式来获取与工 作面相适应的采割曲线。 通过图像 识别及惯性导航系统对工作面刮板 运输机、 液压支架曲线进行校直， 实现采煤自动化。 4 工作面视频系统具备监测 工作面割煤、 综采设备运行状况和 人员状况、 视频跟机自动切换、顺 槽设备和人员状况的功能。 摄像头 具备330自旋转及自清洁功能。 5 综采工作面集中控制中心 具备所有综采设备远距离一键启 停、 各项参数实时监测， 以视频摄像 头监控全工作面设备运行状态、 煤 壁状态、 人员状态以及依据人员识 别、 定位设定安全区的功能， 具备 设备检修预警管理， 监测工作面瓦 斯浓度、 粉尘浓度， 并根据需要开 启区域支架顶梁喷雾降尘功能。 6 地面分控中心系统具备在 地面调度中心显示综釆设备运行状 态和远程控制综采设备的功能， 具 备通过视频系统监控工作面、 顺槽 内的设备和人员状况， 与井下集控 中心进行通讯， 对工作面各综采设 备运行状态数据采集和分析并定 时或任何时段生成状态分析报告 等功能。 安全监测中心 地曲 调度中心 I牛产控制中心 顺监控中心 综采S备 C 采煤机二机 液压支架 顺梢皮带 俎合开关 泵站 移变 rf/rA； r- Ll 廒ri 人员识别 环境监测 智能化系统架构图智能化系统架构图 中国煤炭工业2020/05 5 7 科技■信息化 I Science Technology I Inatization 二 、 智能化工作面创新点及 关键技术 己15-23090薄煤层智能化工作 面顺槽监控中心采用vistwo软件控 制平台， 工作面综采设备通过数据 传输平台和控制平台相连接， 实现 工作面设备运行状态和环境状态监 测， 依据数据分析基础和预警报警 机制， 实现综采设备智能管理。 在设 备调试期间， 针对该套智能设备控 制系统进行了部分优化和改进。 1. 数据传输高度集成、 多网合一 工作面电液控、 视频、 照明、 供电、 数据传输、 系统控制实现多 网合一， 工作面架与架之间一线贯 通， 减少了工作面架架布线量， 节省 了安装时的人力、 物力投入， 减少了 生产中的故障点。 2. 采煤机与工作面采高联动 采煤机使用红外、 射频和编码 器三种定位模式， 实现精准定位、 采煤机与工作面采高联动， 当液压 支架高度不足以通过釆煤机时， 可 实现自动停止采煤机牵引或在集控 中心预警。 3. 液压系统爆管保护 当液压支架远距离供液系统油 管破裂压力骤降或大量泄漏时， 自动 控制系统根据传感器压力变化， 可实 现自动停泵或在集控中心预警。 4. 矿压分析及预警 通过对工作面支架立柱压力 数据采集， 实现矿压分析及顶板初 次来压和周期来压的预警功能， 为 采面顶板管理提供有效依据。 5. 端头支架及转载机远程遥控 操作 端头支架与转载机自移并人电 液控制系统， 端头支架安装照明及 摄像头， 可实时显示巷道人员、 设 备状态， 实现端头支架、 转载机一 键自移及遥控器遥控操作。 6. 煤流运输预警 智能工作面煤流与负荷之间 具有协调功能， 当运输设备负荷大 时， 实现采煤机牵引自动减速或在 集控中心预警， 避免因负荷大引起 运输机压车。 7. 遥控器采用汉化模式 电液控制系统遥控器及控制 器全部采用汉化模式， 便于职工操 作培训。 8. 设备检修预警功能 1 在集控中心电脑随机存储 和编辑工作面供电、 供液和通讯系 统图， 方便查询和故障排除。 2 备品备件录入系统， 实现 设备易损件备件的核对和查询。 3 自定义录人工作面各设备 检修重点及检修周期， 实现设备周 期检修提醒， 保证设备维护和检修 效果。 三 、 智能化工作面建设的改 进方向 一是工作面电液控、 视频、 照 明、 供电、 数据传输、 系统控制实现 多网合一， 工作面架与架之间一线 贯通的数据线为百兆带宽四芯数据 线 ， 多信号及供电导致数据及视频 传输的实时性较差， 有时可能导致 视频延迟或卡顿， 可将该四芯数据 线进行升级， 提高视频及数据传输 的流畅性。 二是惯导系统及视频监测图像 智能识别较差， 导致在集控中心观 察采面运输机、 支架的平直需通过 惯导对图像进行人工处理， 图像智 能识别及数据处理功能有待提高。 三是智能化及功能设置选择 性有待完善， 控制系统只是按既定 程序执行动作， 未釆用神经网络、 模糊控制及自适应技术， 不具备通 过大数据自主完善系统功能及分 析判断功能， 此外， 工作面不具备 设备按采煤机设定轨迹自动运行 的功能。 四是为保证安全及更好地了解 设备运行状态， 采煤机、 液压支架 及转载机自移等设备在动作命令执 行前， 建议由语音预警或声光预警 功能来提供预警。 四、 结论 平煤股份四矿己15-23090工作 面是河南省首个薄煤层自动化工作 面， 智能化综采设备可通过传感、 通讯等技术， 实现顺槽设备控制中 心远程可视化操作、 综釆设备集中 控制一键启停， 实现液压支架自动 跟 机 移 架 、 液压支架支护状态监 控、 运输机自动调直、 采煤机记忆 截割、 设备工况检测和故障诊断技 术等功能， 在人员较少的情况下实 现自动回采， 从根本上提高了作业 安全系数， 极大地改善了煤矿工人 的工作环境， 大幅降低了工人的劳 动强度， 实现产能增效、 提质增效、 减员提效， 单班生产人员由20人减 至9人， 月均产量达到10万吨， 创造 了巨大的经济效益， 有效推动了河 南省薄煤层的开采工作， 对薄煤层 安全高效开采具有推广意义和参 考价值。CG. 作者系平煤股份四矿矿长） 责任编辑 庞永厚） 5 8 China Coal Industry 2020/05