煤矿智能化异构集成开采系统研究

赵德雄

（中天合创能源有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 017020）

智能化开采对提高我国煤矿井下生产的安全性有重大意义，受到国家高度重视。门克庆煤矿的煤层具有强冲击倾向性、水文条件差、工作面环境恶劣、工作面人员劳动强度大等问题，从“无人则安”的理念出发，以安全高效、绿色智能化开采及智慧矿山建设为目标，研制具有“中煤模式”的综采工作面智能化控制成套设备与技术。

1 工作面概况

门克庆煤矿位于鄂尔多斯地区，埋深达到600m以上。其3108工作面区域总体为一向西倾斜的单斜构造，倾向270°左右，并在工作面内发育次一级的波状起伏，其波峰、波谷宽缓。煤层厚度为4.25～5.53m，平均煤厚约为4.80m。在顶板水疏放后正常涌水量850m3/h，最大涌水量为1275m3/h。同时矿井存在明显冲击地压现象，冲击地压大，带来矿井生产安全保障要求高。而要提高矿井生产的安全性，必须提高成套装备的智能化水平，监测各设备及矿井开采情况，减少井下工作面操作人员数量。

2 工作面系统智能集成简介

工作面系统智能集成是指综采工作面的信息化、数字化，进而实现在顺槽主控计算机和地面调度指挥中心对综采工作面设备的远程监控以及各种数据的实时显示等。本智能化开采系统分为地面和井下两部分，其中地面主要是显示和监测功能，井下是智能化系统的核心，分为各设备的自动化系统、数据传输和交互系统以及智能化开采平台。各设备的自动化系统通过工作面有线、无线数据传输平台与智能化开采平台进行实时通讯，智能化开采平台对各设备的运行状态、工况参数以及煤层地质条件、开采工艺等进行综合评判，远程对各设备进行自动化控制，实现各设备之间的协同动作和远程监控。如图1所示。

图1 工作面智能化开采系统结构

3 智能化开采系统构成

3.1 液压支架系统

门庆克煤矿支架电液系统采用德国DRD公司支架电液控制系统，其采用16功能电磁阀驱动17个出口动作功能的主控阀，能够进行简单的跟机拉架、推溜和成组动作等功能，但不能与工作面采煤机实现联合动作，不能将液压支架监测数据传输给智能开采平台。因此需要通过对其技术升级，实现能够通过工业数据传输技术，将支架电液控制系统监测到的状态数据和工况数据实时传输到智能控制平台处，并能够在智能化控制平台处实现对工作面支架的相关动作进行远程自动控制和手动控制。

系统之间的数据传输和交互是实现其他智能化开采功能的基础和保障。由于支架电液控制器的数量多，分布距离较长，传输数据量较大，因此在与支架电液控制器之间通讯时应充分考虑核心通讯内容和次要通讯内容。所以在智能控制平台与支架电液控制系统的顺槽控制台之间采用modbus/485和modbus/TCP两种方式进行数据传输，以保证通讯的稳定性和可靠性。

此智能化开采平台主要对护帮的姿态进行监测，通过伸缩梁与护帮联动的方式，实现通过护帮的动作监测来同时反应伸缩梁的动作状态，同时借助立柱的压力值和推移行程传感器来初步判断支架的姿态，实现对支架姿态的实时监测，配合其他设备更好地实现智能化开采。

支架电液控制系统应能够进行手动开采和自动开采两种方式。当采煤机在任意位置、任意工艺段时，支架电液系统都能够开启自动化开采模式。与采煤机进行配合，进行不同工艺段的自动开采，同时与智能控制平台实时数据交互，接受智能控制平台的动作指令和保护指令，实现整体协同作业，智能开采。支架安装如图2。

图2 支架安装传感器图

3.2 输送机控制系统

输送机控制系统在原有的系统基础上进行改造、升级，以实现智能化开采的目标。原有系统配置包括刮板输送机变频器、转载机变频器、破碎机组合开关、语音通讯集控装置及各个驱动部的工况监测装置。通过智能驱动、自动润滑、皮带自移机尾电液控制等智能化功能，对设备的使用和维护方面带来极大的便利，更有利于延长设备的使用寿命，提升设备性能，如图3。

图3 原有配置情况

3.3 采煤机系统

门克庆煤矿原有的采煤机为艾柯夫SL900型采煤机，在保留原有传感器的基础上，对采煤机的电控系统进行改造，使采煤机支持精确定位和远程控制功能。智能控制平台与采煤机系统之间采用单模光缆和通讯电缆两种方式连接，两种通讯方式为冗余设计，采煤机与智能控制平台之间的通讯电缆采用采煤机动力线缆中的一对双绞线。如图4所示。

图4 采煤机系统与智能控制平台的连接

3.4 视频系统

门克庆煤矿开采工作面开采环境复杂，开采过程中能见度条件差、湿度大、设备多且品种杂等，导致视频采集、通信、控制等均受到不同程度的阻碍，因此需要研究一套视频系统，以保证数据的高清可见性、实时性、可靠性、通用性以及方便维护等方面技术要求。

3.5 供电供液系统

供电系统主要包括变频器、组合开关和移动变电站，都为矿方原有设备。供电设备主要是实现对变频器、组合开关及移动变电站的监测功能，智能化控制平台主要是通过modbus/485的方式与各个设备之间的通讯，实现对各个设备状态的监测和控制。中天合创泵站采用雷波泵站，雷波泵站本身具有较完整的控制和监测系统，此项目仅是增加智能化开采平台与雷波泵站之间的通讯功能，将泵站的控制和监测系统移植到智能化开采平台中来。

3.6 皮带监测系统

皮带机主要是实现对顺槽皮带机进行监测，将矿方现有的皮带机监测系统接入到智能开采平台中。集中控制系统与皮带监控系统的主机之间采用AB公司的Ethernet IP的方式进行数据传输。集中控制系统为主站，皮带机监测系统为从站。

3.7 智能控制平台

智能控制平台作为自动化开采系统的核心组成部分，是整个自动化开采系统的“大脑”，通过工业以太网的通讯方式模块接入井下数据环网中，按照不同的采煤工艺要求，协调指挥其他相关系统进行相应的自动化动作。其主要的功能包括对各个子系统的监测、通讯、控制、保护、数据存储等。

3.8 移动APP

移动APP的研发主要是为了通过远程移动终端门对门克庆煤矿3108智能工作面进行监控，实现不同角色管理人员能够对不同的信息进行移动端的实时查看，便于了解井下实际的生产管理和设备运行情况。

移动APP可以对用户权限进行管理，用户个人设置，以及登录应用相关操作。包括登录、绑定手机、修改密码、忘记密码、偏好设置等用户相关功能。智能开采APP的用户都是由后台管理员分配的，不提供用户自行注册的方式。其安全监控功能根据中煤集团综合调度管理信息系统安全监测联网数据采集标准对煤矿的生产安全的实时数据进行监控，主要监控指标包括：低浓度甲烷、高低浓度甲烷、一氧化碳、风速、温度、风压、风量、瓦斯涌出量、负压、粉尘、煤仓煤位、电压、电流、电功率、电度、二氧化碳、氧气等模拟量以及供电开停、局扇开停、主扇开停、馈电开停、风门开关、风筒有无、烟雾有无、供电断电控制器、风机闭锁、二级断电等开关量。

4 结语

通过对蒙陕地区深部煤层矿压显现规律的研究，优化采煤工艺，集成了矿压和设备姿态监测控制系统，开发了防冲智能化开采平台，将矿山压力监测与工作面开采融为一体，构建了煤层具有强冲击倾向性大采高工作面智能化开采体系，实现了蒙陕地区深部煤层大采高工作面的安全高效开采。智能化开采平台采用模块化结构，融合和处理海量多维、异构、大数据，将工作面液压支架、采煤机、输送机、供电供液系统、矿压监测等设备和系统无缝连接，实现了工作面全过程智能化开采，中部智能化开采速度最大达到15m/min，创造国内最大的智能化开采平台。