煤矿井下无人工作面的发展前景

董冠军

（太原理工大学 信息工程学院，山西 太原 030024）

煤矿井下无人工作面的发展前景

董冠军

（太原理工大学 信息工程学院，山西 太原 030024）

“无人则安”是煤矿安全的发展方向。文章以神东煤炭公司榆家梁煤矿44305工作面为试点，介绍了煤矿井下工作面自动化采煤自动化的关键技术和试验中存在的问题，并提出了今后的研究方向。

工作面；自动化；记忆割煤；远程干预

实现煤矿井下无人工作面的主要技术途径有两种：一是使用刨煤机、刮板输送机、液压支架组成的综采机组；刨煤机综采机组适用于薄煤层或中厚偏薄煤层开采，对煤的硬度要求较低，而且只能用于地质条件变化不大的煤层。二是使用滚筒式采煤机、刮板输送机和液压支架组成的综采机组。滚筒式采煤机综采机组适用于厚煤层开采，对煤层硬度、厚度、地质条件的适应能力强。

1 国内外煤矿井下无人工作面的技术现状

目前，德国、法国、俄罗斯、比利时等国广泛采用刨煤机综采机组；德国使用刨煤机的时间最长、技术水平最高，并且实现了无人工作面。美国JOY公司、德国DBT和EKF公司开发了有自动化功能的滚筒式采煤机（但尚未在实际生产中成功使用）。滚筒式采煤机自动化割煤工艺目前有两种：一是工作面只需设置1名操作人员，只完成顶滚筒的割煤，尾滚筒根据控制器的设定自动完成割煤。二是通过操作人员手动进行一次示范性割煤，采煤机按示范的程序自动记忆割煤，并需操作人员跟随采煤机监护其运行情况。

国内许多煤炭企业为提高资源回收率、延长矿井寿命、实现资源均衡开采，对薄煤层开采技术进行了一系列的研究和实践。铁法煤业集团于2000年引进了德国的自动化刨煤机综采系统，装备了国内第一个薄煤层刨煤机自动化工作面，年产量达到120万t～150万t。随后，西山煤电集团的马兰矿等企业也引进了德国的刨煤机综采系统。神东煤炭公司，从2004年开始试验了5个自动化综采工作面。经对神东矿区1.5m～2.0m煤层的自动化开采实践，实现了薄煤层的安全和高效生产，并延长了矿井服务年限。陕西省神木县榆家梁煤矿44305工作面，于2008年进行了滚筒式采煤机的自动化割煤实践，试验了采煤机机尾滚筒随机割煤、滚筒式采煤机记忆割煤、滚筒式采煤机记忆割煤加有线远程干预三种自动化采煤工艺，归纳出以下经验：

(1)采煤机尾滚筒随动割煤，必须有操作人员跟机作业。在采高1.8m采煤机速度超过6m/min时，人员跟机操作困难、安全隐患多、劳动强度大，采煤机的割煤能力不能充分发挥。

(2)记忆割煤工艺通过采煤机自动重复示范割煤时，不能有效地对工作面的设备和巡视人员的安全状况进行监测，而且不能根据煤层变化自动调节采高，难以保证煤质要求。

(3)记忆割煤加有线远程干预割煤工艺，是通过采煤机上的摄像系统对工作面进行远程监视（在顺槽设备列车上进行监视）；该工艺主要解决了工作面的设备和人员的安全问题，而且通过远程干预实时调整采高，适应煤层的起伏变化。

综上所述，我国厚煤层滚筒式采煤机实现无人工作面时，以采用采煤机记忆割煤加有线远程视屏干预自动化割煤工艺最为先进，但是还需进行完善才能普及。

2 实现煤矿井下无人工作面的关键技术

综采工作面中，通常采煤机沿刮板输送机的轨道运行，由于煤层厚度的变化和地质断层的出现，主要靠司机观察地质条件变化来控制采煤机滚筒的截割高度。因此，采煤机自动调高技术是实现采煤机远程控制的首要关键技术。再者，随着工作面的推进，采煤机司机还要观察采煤机的运行前方的液压支架工作状态。例如，液压支架是否支撑到位，前掩护梁是否收回等问题，这就需要解决液压支架与采煤机的协调远程控制问题。

实现液压支架与采煤机联动作业，要将液压支架的电液控制装置在整个工作面形成网络化控制，工作面所有液压支架上都装控制器，并在工作面端头装主控装置。主控装置控制整个工作面设备的运行状况，并能形象化地显示液压支架位移情况、主要参数、采煤机行走方向和位置等。主控装置要与工作面和井下监控系统进行通讯，将工作面运行参数实时地传输到地面中心控制室，实现地面控制室对井下工作面的监控。

采煤机与工作面运输系统的协调远程控制也很重要，因为综采工作面运输系统的工作状态决定着采煤机如何控制。例如，工作面刮板输送机和顺槽可伸缩胶带输送机出现运量超限、输送机发生故障等问题，都要及时调整采煤机的工作参数。

为保证采煤工作面自动化正常运行，控制系统中要安装一套远程控制器，通过光缆将采煤机遥控器移至顺槽设备列车上，工作人员也从工作面移至顺槽设备列车上的控制室，工作人员通过设备列车上的主控制台视频监视工作面设备的工作情况，必要时对工作面设备的运行情况进行干预。

远程干预是通过采煤机上的摄像系统传输工作面图像，工作人员根据图像上的采煤机滚筒截割情况和支架工作状态等信息，必要时对采煤机运行状态进行人为干预，可有效避免煤层变化时截割矸石，并对工作面设备的安全运行提供有效保证。也可以在每个液压支架上安装摄像装置，当采煤机走到某个支架时，打开该支架的摄像系统；走过以后，关闭摄像系统，从而为操作人员提供采煤机工作的视频画面，保证采煤机的正常割煤。

3 采煤工作面的网络化控制系统

网络化控制系统由地面监控中心的工业以太网通过连接器与井下中继器相连，中继器通过PROFIBUS总线与工作面诊断器、控制器、各设备连接，形成工作面网络化控制系统，控制内容如下：

（1）现场传感器：主要装在液压支架和采煤机上。液压支架主要装有前探梁角度传感器、缸内液体压力传感器、移架位移传感器、护帮板收回接触传感器、支架姿态传感器。采煤机装有行走速度传感器、位移传感器。传感器发出的信号传输给本安型可编程控制器。

（2）液压支架控制器：每台液压支架上都装一个控制器，对液压支架实施自动控制，控制对象是液压支架的主控阀组和辅助阀组；辅助阀主要有单向阀、安全阀、双反流冲洗过滤器、立柱液控单向阀。

（3）顺槽计算机控制系统：顺槽设备列车上安装三台防爆计算机。第一台计算机用来控制液压支架电控系统，称为主控计算机；完成控制、显示、储存液压支架的数据和信息，并为支架自动化传输相关采煤机数据，采用自动化模式操作工作面液压支架，操作模式预先通过参数设定来确定。控制内容包括：自动斜切模式，设定成组推溜起始架，开始成组推溜，机头、机尾整体推溜，故障显示、分析，急停支架，开启工作面控制系统。控制系统采用RS485接口模式和Modbus通讯协议与视屏系统连接，在自动行进中向视屏系统提供采煤机位置，让摄像头在最佳位置启动。

第二台计算机用来控制采煤机；调节采煤机的工作位置、当前牵引方向和速度、左右滚筒当前的载割高度、各动力系统的负荷状态等信息。通过设定通讯接口向采煤机发出操作指令。例如：断电、停止牵引、切换牵引、左右摇臂升降等。它与采煤机之间的控制是依靠采煤机上专用的电缆和调制通讯模块实现的。视屏系统显示采煤机运行状态，操作人员依据视屏显示内容对采煤机进行远程控制。采煤机控制计算机与主控计算机串联，将采煤机有关信息传送给主控计算机，并与主控计算机实现采煤机与液压支架的联动控制。

第三台计算机用来监控工作面刮板输送机、顺槽转载机、破碎机、负荷中心、乳化液泵站、可伸缩胶带输送机。将这些设备的运行状态、故障报警、故障诊断等信息传送给主控计算机，由主控计算机完成各设备的联锁控制，主控计算机还可将各设备运行数据和信息向地面调度中心转发。

4 井下无人工作面的系统结构

工作面控制主要是对液压支架的监控、对采煤机的监控、对负荷中心的访问、对工作面通讯系统的访问、实现对转载机、破碎机、输送机、乳化液泵站的集中控制；它由一台可编程控制器、一台主控计算机、一台百兆隔爆交换机、一台隔爆型UPS电源组成。并与矿井以太环网接口。顺槽可伸缩胶带输送机的控制，主要由一台百兆隔爆交换机、皮带集控系统、组合开关组成。其功能是皮带集控对组合开关的访问、数据的上传、与矿井以太环网接口。

通过工作面主控计算机实现对工作面所有生产设备的全面控制，完成顺序开机和顺序停机功能。通过顺槽主控台实现乳化液泵站和喷雾泵的集中控制。

实现采煤机跟机自动化，完成电液控系统，根据采煤机运行位置自动进行液压支架的升、降、移动作。实现系统联锁，工作面设备具有急停闭锁功能；工作面输送机与采煤机具有互锁功能；采煤机与喷雾泵具有联动功能。系统整体是一种可在线编程的控制系统，可以远程、实时、在线运行，能为系统故障的排除提供有力的技术保证，对系统的维护和管理十分便捷。

5 现存问题和前景展望

目前我国采煤工作面自动化存在下列问题：自动化仅适用于煤层赋存比较稳定，走向和倾角起伏变化不大、构造少、煤层倾角不大、煤层顶板、底板条件较好，工作面水文地质条件简单的场合；配套支架空间相对狭小，架间的管线易损坏；工作面操作人员技术水平较低，需进行技术培训；摄像系统因工作面煤尘大，导致视频画面的清晰度不高。

上述问题中主要应解决摄像系统视频清晰度不高的问题，要尽快研制镜头自动清洗装置。煤矿大多数井下工作面的地质条件变化复杂，难以掌握和预料；要使大多数井下工作面实现自动化采煤，还有赖于高智能化控制技术的发展，使控制系统由“检测——比较——计算——执行”发展到“识别——推理——决策——执行”的新结构。这样的控制系统才能根据环境的变化，自适应地调整控制规则，希能模拟人的思维过程及时处理遇到的复杂问题，实现煤矿井下工作面采煤的较高程度的自动化。

Prospects of Unmanned Working Face in M ines

DONG Guan-jun

(College of Information Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan Shanxi030024)

The orientation ofmine safety development is unmanned working.The paper did the pilot study on the 44305 working face of Yujialiang Mine to introduce the key technology and problems of mining automation and to put forward the future research direction.

working face;automation;memory cutting coal;remote intervention

TD67

A

1672-5050（2011）09-0065-03

2011-06-13

董冠军（1953—），男，河北仓县人，副教授，研究方向为智能控制理论与技术。

徐树文