高端综采工作面成套装备技术研究

闫叶俊

(兖矿东华重工有限公司，山东 邹城 273500)

我国预计煤炭储量为4万亿～5万亿t，2010年查明的可采储量为15000亿t。同时，我国是世界第一产煤大国，2016年我国煤炭总产能超过34.1亿t，生产矿井5300多个。经过多年积累，我国煤机行业发展较快，形成了较完整的煤炭装备制造体系。

采用新技术，进一步提升煤机装备高可靠性、高产高效，对于推进新旧动能转化具有重要意义。煤机装备产品专业性强，其发展直接制约了煤矿高产高效的发展。目前在自动化、智能化方面与先进国家还存在较大差距，产品综合配套能力不强，特别是在智能开采成套装备技术方面远远不及美国、澳大利亚等国家。进一步落实 “走出去战略”开拓国外市场，研制1500万吨级高端综采工作面成套装备成为亟待解决的问题。

1 主要研究内容

1.1 综采工作面设备全三维配套技术

结合先进的计算机辅助选型系统，将综采工作面各主要装备三维化建模，自顶向下的对整个工作面进行配套。更直观地反应出设备配套的不足之处，可以更有效地、有针对性地对综采工作面的配套装备进行改进。

1.2 综采工作面远程集中控制系统

综采工作面远程集中控制系统包括：综采工作面供电系统、采煤机控制系统、泵站控制系统、液压支架控制系统、综采工作面三级通讯控制系统、顺槽胶带机通信控制系统、综合自动化监测系统、综合自动化系统等。通过系统集成、信号传输，将工作面各种设备的监测结果进行分析和数据整理，确定整个工作面的生产工艺过程，并以形象直观的数据显示和三维模拟的方式显示出来，对生产过程进行及时的调度和管理，最终实现综采工作面设备远程集中控制。

1.3 综采工作面自动化控制系统

综采工作面自动化控制系统已将多种技术（如控制、以太网、无线、视频、通信、液压等）应用于综采工作面，实现在工作面顺槽监控中心对综采设备进行集中自动化控制。主要功能有以下几点：

（1）远程控制功能，地面调度中心可对综采工作面的设备 “一键”启停；

（2）在顺槽监控中心对工作面设备的集中控制（采煤机工况监测与远程控制功能、液压支架工况监测远程控制功能、运输系统集中自动化控制功能、泵站系统集中自动化控制功能、综采设备数据集成处理、远程故障诊断、管理等功能）；

（3）具有工作面工业以太网，在工作面实现数据的高速传输，实现数据的井上下传输；

（4）工作面视频监控系统，实现对主要综采设备进行实时视频监控；

（5）就地控制功能，当综采工作面自动化控制系统出现故障时或检修时，各子系统可就地启动，不受综采自动化系统控制，确保生产不受影响。

（6）数据共享功能，根据综采工作面自动化控制系统及其功能，结合工业以太网技术，将系统收集的信息、数据、视频等资料进行统一集中存储、分析、处理、传输，通过向第三方提供标准的接口、协议，进行异地信息存储、分析、处理，进而实现异地控制功能。

1.4 嵌入式3D可视化操控平台的研究与应用

嵌入式3D可视化操控平台是数字矿山的重要组成部分，是一个辅助煤矿进行井下实时3D虚拟监控、监控回放的综合性平台。它可整合井下综采机械、破碎机、转载机、皮带机等所有大型机械的包括位置、状态、报警等全部数据信息，同时以三维可视化的形式展现相关信息。以虚拟仿真技术为主要平台进行开发，采集工作面中相关设备的真实数据，真实再现井上井下设备的操作及控制。替代传统二维图片界面控制，提升远程操作直观性和准确性

1.5 综采工作面设备生产工艺记忆功能

通过对综采工作面设备在不同工况下的运行数据进行整理、分析，对工作面不同生产工艺的设备参数进行优化，实现整个综采工作面设备的自动控制。

1.6 综采设备计算机辅助选型系统

计算机辅助选型系统将计算机高速而精确的计算能力、大容量存储和数据处理能力与设计者的综合分析和逻辑判断能力以及创造性思维结合起来，从而大大加快设计过程，缩短设备选型的周期并提高选型质量，为煤矿开采提供安全可靠的工作面综采设备选型。

1.7 液压支架及高可靠性电控系统

稳定、高可靠性的电控系统可以将液压支架的瞬时姿态进行有效记录、分析，并能够促使系统做出工作面状态的有效判断，对实现少人化、无人化工作面开采有着十分重要的作用。

1.8 采煤机及自动化控制系统

在线监测采煤机运行工况，包括：负荷、速度、转速、位置、温度等参数，与液压支架电控系统通讯进行数据交换；通过连续监测刮板输送机、转载机、胶带机的负荷量，自动调节参数，实现连续采煤。

1.9 刮板输送机及自动化控制系统

在线监测刮板输送机运行工况，包括：负荷、速度、转速、运量、温度等参数，将数据上传至工作面集中控制系统，通过数据分析，实现对采煤机、转载机、胶带机等设备的运行情况的干预。

1.10 转载机、破碎机及自动化控制系统

在线监测转载机、破碎机运行工况，包括：负荷、速度、转速、运量、温度等参数，将数据上传至工作面集中控制系统，通过数据分析，实现对采煤机、刮板输送机、胶带机等设备的运行情况的干预。

1.11 胶带机及自动化控制系统

在线监测胶带机运行工况，包括：负荷、速度、转速、运量、温度等参数，将数据上传至工作面集中控制系统，通过数据分析，实现对采煤机、刮板输送机、转载机、破碎机等设备的运行情况的干预。

同时，煤矿井下带式输送机应用智能技术，可为井下煤矿营造一种安全运行环境，可对井下情况进行实时巡视、控制，实现煤矿井下作业体系逐渐系统化的目标。运用智能系统除了能保证系统运行的可靠性，还能有效排查故障，从而提高运输系统效率。

1.12 综采工作面供电系统及自动化控制系统

综采工作面供电系统主要包括监控设备和控制系统。通过监控采煤机开关、运输机开关、破碎机开关、转载机开关、乳化泵开关、喷雾泵开关等，调用各个组合开关的运行参数、整定参数、故障参数，对供电系统实现远距离控制，并与工作面设备综合自动化系统的其他子系统联网，根据工作面不同工况设定不同参数，实现自动化控制。

1.13 乳化液浓度在线监测及自动配比系统

煤矿用乳化液配比浓度在线监测及自动配比系统主要功能包括：井上计算机动态显示监测参数，报警；井下现场显示数据和报警；根据监测参数实现乳化液浓度自动配比；乳化液压力、流量在线监测。

乳化液泵站浓度在线监测及配比系统装置能够实现乳化液浓度自动校正，当系统内乳化液浓度超出设定值时，会自动加水或加油来校正系统的乳化液浓度值。装置具备液位实时监测和乳化液自动补液功能，当乳化油箱液位偏低时，进行低液位报警，乳化液浓度低时提示补充乳化油并自动加油。

1.14 综采工作面主煤流智能喷雾除尘系统

依靠综采工作面自动化生产的理念，实现超大采高综采工作面刮板输送机、转载机及破碎机对煤尘的有效控制。主要通过在刮板输送机、工作面机头、破碎机处设置能够智能操作的喷雾系统，通过电液控制实现对各喷雾装置的程序化控制，使每一个喷雾点均可以根据煤流的状态智能喷雾。

1.15 采煤机惯导定位导航与工作面自动取直算法

针对煤矿综采工作面生产设备、开采工艺及现场环境进行充分调研、分析、科学论证，通过对煤矿综采自动化和智能化技术的科学研究，研发高精度惯导定位导航算法，实现采煤机的精确定位与自主运行；通过研发工作面自动取直算法实现对三机状态检测及智能远程联控的对接融合，实现工作面自主取直。

2 主要目标或技术经济指标

智能化综采装备技术在应用过程中，提升了生产效率，减少了人工作业和多工种之间的交叉作业，降低了职工劳动强度，提高了生产效率，节约了人工成本；同时，智能化无人综采技术的应用，对煤矿来说，还提升了综合管理水平，提升了员工素质，提升了矿工和煤矿社会地位，提升了相关技术水平，提升了安全生产保障能力，提升了国产装备制造水平，该项目主要目标如下：

（1）建立、建成高产高效示范性工作面，实现单工作面年产1500万t，各设备运转正常性能可靠，生产效率平均提升30%以上，综采工作面单班作业人员减至2～3人；

（2）支护设备大修周期≥5年，刮板运输机过煤量≥2000万t，实现综采工作面设备计算机辅助选型及全三维配套；

（3）智能化综采成套装备国产化率为100%，完全替代进口技术和设备，实现综采工作面远程集中控制、地面集中控制，实现综采工作面地面3D虚拟可视化实时在线监控，实现工作面视频全景拼接及工作面人员设备的精确定位；

（4）实现多系统的数据整合统一化管理，为后期设备选型及工作面控制提供数据支持，实现乳化液的自动添加及配比，控制综采工作面的乳化液使用效率，实现综采工作面设备生产工艺记忆输出功能。

3 预期成果

发展高端煤机装备制造业是基于当前我国煤炭产业所面临的经济形式的准确判断，是实现“创新驱动”和“新旧动能转换”的重要举措。通过1500万吨级成套装备技术研究及应用，在煤矿综采工作面中全面实现高可靠性、少人化、无人化值守作业，实现智能化的多级综采设备的集中控制。提升各主要设备的使用效率，降低各设备的维修及保养费用。高端千万吨级开采成套装备技术研究与应用的研制成功，将引领我国煤炭开采模式向自动化、智能化、无人化转变，实现煤机企业产业升级，实现矿井安全生产的高产高效，提高煤机企业产品附加值，提高矿井的开采效率。