城郊煤矿国产综采自动化设备配套应用

马慎义

河南煤化集团永煤公司城郊煤矿，河南 永城 476600

我国综采自动化系统起步较晚，一般情况下只是对工作面进行监测，并没有对工作面设备进行控制，且系统简单，控制对象单一。如何实现国产综采自动化意义重大，永煤集团城郊煤矿在2503综采工作面首次采用成套全国产设备进行综采自动化回采，截止到2012年9月份，自动化工作面已回采原煤40万吨，自动化程度较高。

1 工作面设备配置及功能

1.1 采煤机配套及功能

根据工作面煤层厚度(2.3m～3.3m)，选用MG200/500-QWD型无链电牵引采煤机。该采煤机电控系统为DSP控制，通过通讯线将各电机运行参数、采煤机运行速度及滚筒截割高度等数据即时传输至顺槽控制计算机，通过在顺槽控制计算机上实现采煤机远程开停功能。

1.2 三机及胶带机配套

根据工作面采煤机生产能力，工作面及顺槽内主要设备为：MG200/500-QWD型采煤机、SGZ730/2×200型刮板运输机、ZY3800-16/35D型电液控液压支架、SZZ730/160型转载机、PLM1000型破碎机、SSJ1000/2×160型胶带输送机，运输能力基本匹配。

1.3 液压系统配套及功能

1.3.1 采用一套BRW400/31.5型大流量乳化液泵，两泵一箱，单台乳化液泵电机功率250kW，流量400m3/h，泵站调定压力31.5Mpa，支架电液换向阀组中控制立柱、推移油缸的换向阀，其流量不小于400L/min，其余阀件流量不小于125L/min，能够满足自动化快速移架的要求。

1.3.2 为保证乳化液质量，采用了进口乳化油，配液用水采用两级反渗透净化水装置供水，处理能力3t/h，净化后的水质达到饮用水标准，完全满足工作面液压系统正常用水需要。

1.3.3 液压系统配备高压反冲洗过滤站，过滤站过滤精度不低于25μm，流量不小于1000L/min，具有定时和根据系统压差自动反冲洗及顺序反冲洗功能；工作面每台支架均安装了反冲洗装置，每班反冲洗一次，保证液压系统介质清洁。

1.4 供电系统配套及功能

选用三台KBSGZY800-KJZ6×400型负荷中心供电，变压器容量800kVA，供电电压等级1140V/3300V，6回路输出。该型负荷中心采用DSP综合控制模块，与顺槽集成计算机组网实现运行参数显示、故障检测、数据通讯、远程启停控制功能。

1.5 顺槽内数据集成及监控系统

1.5.1 顺槽内数据集成及监控系统主要由两台KJD220隔爆兼本安型计算机作为主控制计算机（一台为工作面电液控主机，另一台为工作面系统集成主机）和一台本安型光纤环网交换机组成。主控制计算机上提供Modbus、Modbus/TCP等多种标准接口与协议，实现综采工作面设备相互通讯并将信息传入网络的功能。

1.5.2 工作面电液控主机与支架控制器通过CAN总线和RS485通信相互冗余组成一个操作、监控、存储系统。系统提供对工作面液压支架的远程控制及跟机控制的支持；具备在线故障诊断能力，能够诊断液压支架电液控制系统的网络状态、传感器故障等；提供对支架控制器的程序更新、参数配置等支持；同时通过光纤环网交换机进行数据转换，完成对工作面支架电液控制系统和工作面其他设备的数据集成和上传。

1.6 电液控系统及功能

电液控系统采用ZE07型国产化设备，将顺槽内电液控主机与支架上安装的微电脑控制器组成一个操作、监控、存储网络。顺槽电液控主控计算机能够对支架控制器进行远程更新程序、参数配置、传递参数等服务，并能够在线诊断液压支架电液控制系统的网络状况、支架控制器的工作状态、各类传感器状态等。

2 自动化系统对工作面的控制

2.1 控制模式

系统集成整体结构如图所示，主要由地面监控部分（含操作员站、图像监视器数据库等）、1000M工业以太环网和井下就地监控站（主要含有监控计算机、隔爆监视器，各设备监控单元）三部分组成。系统核心是井下就地监控站，监控站中监控计算机为基于嵌入式Linux操作系统的井下工控机，监控计算机与电液控制器通过CAN总线进行通讯，与采煤机、运输系统等通过RS485等传输协议进行通讯。在系统主机中通过编写“三机联动”控制算法实现对综采工作面的远程监测与控制。

2.2 地面监控

自动化综采工作面采用工业以太环网作为矿井生产综合自动系统的综合信息传输平台，井上下数据传送主干线采用MGTB-4光缆，交换机采用KJJ137型网络交换机，通过网络交换机将不同的通讯协议转换为tcp/IP协议，并在统一的工业以太环网上传输，实现信号集成。

自动化视频监控采用IP网络视频监控方式。在工作面安装4个网络摄像头，分别安装在控制台、工作面19#架、60#架、104#架，通过轨道顺槽控制室的KJJ137型交换机将电液控计算机、设备集成计算机和工作面视频系统集成组网，通过光纤以太网络将监测数据上传至到井上监控计算机，即时浏览查看各设备运行画面，显示以下信息：①工作面支架电液控系统自动化动作过程；②采煤机开停状态、位置、采高及运行参数；③三机开停状态、运行参数，并可实现远程操作功能，从而实现在地面对整个工作面的视频监控。

图1 综采工作面自动化监控系统结构框图

2.3 工作面设备控制功能

2.3.1 每台支架配有微电脑控制器，通过顺槽电液控主控计算机操作界面，向工作面支架微电脑控制器发送动作指令，以采煤机位置作为动作执行的发起点，通过红外线发射、接收装置（采煤机安装红外线发射装置，每台支架安装有红外线接收装置），实现顺序跟机移架、推溜自动化远程操作、动作支架预警功能，并在操作界面上显示支架正在执行的动作过程以及动作完成后的位移量、初撑力。

2.3.2 同时，可以通过操作微电脑控制器面板独立实现邻架手动单动作、成组手动单动作、紧急停止、程序同传等功能；通过立柱下腔压力传感器，显示支架的初撑力和工作阻力；通过紧急停止闭锁按钮，实现本架和系统急停闭锁，结束正在执行的动作。微电脑控制器将上述数据上传至顺槽电液控主控计算机并存储，以便分析处理。

3 综采自动化工作面作业方式

3.1 回采工艺

2503工作面采用综采自动化采煤工艺，采取单向割煤，由机尾向机头方向割煤、移架，由机头向机尾方向返空刀拾底煤、推溜（割煤时自动跟机移架、返空刀时自动推溜）。

3.2 液压支架自动跟机作业工序

采煤机开启，向刮板运输机机头方向割煤，采煤机机身红外发射器发出红外信号→液压支架根据红外接收器接收到的红外信号，将接收到的红外线信号转化为模拟信号传输至支架控制器，支架控制器根据接收到的信号判断采煤机的位置及运行方向，并控制液压支架→采煤机前滚筒前方3架范围内的护帮板自动收回→滞后采煤机前滚筒2架自动伸伸缩梁→滞后采煤机后滚筒4架自动收伸缩梁→滞后采煤机后滚筒4架自动拉架（降架→拉架→升架→伸护帮板）。

4 综采自动化系统的回采优势

综采自动化系统在城郊煤矿2503综采工作面的实际回采应用过程中，在提高了生产过程中的安全系数、降低了职工的劳动强度等方面效果明显。其应用效果具体表现在以下几方面：

4.1 提高施工作业环境的安全性，特别在仰采工作面，其自动化追机作业功能的实现，有效防止了片帮伤人事故，为职工提供更加安全的作业环境。

4.2 其程序化设计，自动跟机拉架、推移刮板运输机等功能的实现，动作准确、可靠，避免了工人在操作期间由于误动作所造成的人身伤害事故。

4.3 采用自动跟机移架、推溜，能够减轻支架工劳动强度。

4.4 采用大流量乳化泵及换向阀，缩短移架、推溜时间，提高工作效率。

4.5 工作面过地质构造带需单架操作时，可采用邻架操作方式，有效防止了冒顶、片帮或人员挤伤事故。

4.6 换向阀操作机构由操作手把改为电液按钮，操作方便。

4.7 自动上传矿山压力数据，进行实时监控，数据读取方便。

4.8 程序设置有液压支架自动补压功能，确保了工作面的顶板安全。

5 需改进完善之处

综采自动化系统在实际回采应用过程中效果显著，特别是提高了安全系数、降低了职工的劳动强度，但在使用过程中也存在一些缺点。

5.1 工作面“三机”联动过程中，特别在仰采过程中，煤墙片帮，造成运输机内电缆槽内积煤，易挤伤电缆，同时造成支架推移框架和架间积煤，需要在支架工在每刀割煤后及时清理。

5.2 自动化采煤对煤层要求较高，只适用于煤层较为平缓，顶板比较稳定、采高比较固定的区域，自动化回采易受断层或构造带的影响，工作面过断层岩石较硬时，需要放炮爆破松动，对自动化程序产生影响。

5.3 自动化采煤不能连续多个循环回采，受工作面顶底板条件等多种因素的影响，在多个割煤循环后工作面支架、运输机的平直度降低，产生错差，易造成设备损坏，需要人工调整设备平直度。

6 结语

随着国家对煤炭行业的工业结构进行调整，大力促进高效安全的现代化矿井建设，以及煤矿企业对减人提效、安全生产日益重视，自动化综采工作面具有先进的自动控制、高度的集中监控、完善的网络管理等优势，这些优势正是传统的普采工作面和综采工作面说欠缺的，事实证明建立自动化综采工作面对减少工人劳动强度，改善工人作业环境，提高工人劳动效率，减少工作面人员数量，提高综采设备利用率，提高综采效率等方面都具有显著的效果，因此建立自动化综采工作面必将成为煤矿发展的趋势。