煤矿智能综采工作面解决方案

姜 宁，刘进平，崔智明

(潞安环能股份公司 机电办，山西 长治 046204)

智能综采工作面建设是以信息化手段提升生产效益、降低安全事故、推进生产方式变革的必然举措，是促进企业转型升级的必然选择 。本文结合李村煤矿1306工作面煤层赋存特点，联合国内一流煤矿设备生产厂家，从工作面煤体建模、直线度控制、工作面地理信息系统(GIS)、工作面通讯系统、液压支架自动控制、综采设备协同运行方式、煤量扫描、刮板机智能调速控制、工作面人员安全识别和高效开采工艺等多个方面进行综合研究，设计了综采工作面智能化开采解决方案，采取重点关键技术攻关创新、成熟先进技术集成相结合的方式，解决了复杂地质条件下智能化、少人化高效连续开采的技术难题，为潞安集团在综采工作面智能开采方面奠定了基础。

1 工作面概况

李村煤矿1306工作面埋深510～540 m，切眼净煤柱平距长270 m，进风巷长1 398 m，工作面可采长度1 220 m，实测平均煤厚5 m，储量220万t。该工作面按Y型+高抽巷布置，利用已掘成的辅助回风巷作为其中一条巷道，回采时在辅助回风巷采用柔模技术沿空留巷。高抽巷与工作面辅助回风巷平距30 m，设计高抽巷底板距煤层顶板34.5 m。

辅助回风巷距一采区1号回风下山1 062 m揭露FJ17断层(H=0～2.5 m，∠51°)。现实测巷道最大坡度8°，工作面下行运煤倾角2～3°(但相邻工作面最大倾角11°)，实测平均瓦斯含量8.01 m3/t，计算得采前可解析瓦斯含量5～7 m3/t，设计配风量3 600～4 000 m3/min 。

2 解决方案

综采自动化控制系统建立在各单机装备系统的智能化基础之上，单机设备的智能化包括：电液控制系统、采煤机控制系统、输送机控制系统、集成供液系统。并构建了高速通信、可视化及设备远程控制自动化平台 。系统结构见图1。

图1 综采自动化控制系统框图

实现功能包括：煤体模型的构建、地理信息系统(GIS)、直线度控制、调高控制、机架协调控制、液压支架姿态与防片帮控制、端头设备一体化控制、工作面瓦斯浓度关联控制、煤流负荷平衡控制，采煤机在工作面煤层的三维实时展示，基于捷联惯性导航的采煤机定姿定位。

针对水、火、顶板、瓦斯、作业人员人身安全等煤矿生产过程中常见的不安全因素，选择了具有针对性的煤体建模、液压支架姿态监测及防片帮、工作面瓦斯浓度关联控制、综采设备声光预警及远程控制、人员精准定位系统、破碎机红外闭锁联锁等功能。

2.1 单机装备的智能化控制

2.1.1 液压支架电液控制系统

电液控制系统功能主要有：在控制器界面或上位机界面上显示立柱工作压力、推移行程、采煤机位置方向、工作面高度、支架姿态和护帮板状态；单台支架可实现“降、移、升”自动控制；通过红外线检测系统实现跟机自动化；具备支架初撑力自动连续补偿功能；能够实时监测工作面矿压，控制顶梁和顶板平行，保障支护质量；通过对工作面以及超前支架的立柱压力进行分析，实现矿压分析和对顶板初次来压和周期来压进行预警；电液控制系统须向综采自动化控制系统开放自动跟机启停功能，保证综采自动化控制系统可在巷道监控中心实现对液压支架自动跟机的远程操作 。

2.1.2 采煤机控制

为适应智能化工作面的设计要求，在满足基本控制功能的基础上，采煤机要有精确的采高控制、准确的煤机位置信息以及记忆割煤等功能。

1) 基本功能。采煤机具备按钮控制和无线遥控等功能，实现采煤机的远程操作；具有各运行参数监测功能；具有端头操作、就机操作、应急近控操作、离机遥控操作等常规操作手段，也可实现巷道自动运行及远端操作方式；采用大屏幕中文显示，便捷查看系统内部的操作指令及工作信息；可以通过引入矿方的瓦斯浓度监测系统的检测数据实现采煤机速度与瓦斯浓度的联动控制。

2) 自动化功能。采煤机控制系统具备采高自主定位、位置自主定位、记忆截割功能、远程双向通讯功能，实现以记忆割煤为主，远程干预为辅的生产工作模式，其主要功能有：记忆截割、整机检测、数据传输、远程控制、采高定位、位置定位、智能调高 。

采煤机控制结构见图2。

图2 采煤机控制结构

2.1.3 输送机变频控制

刮板输送机及转载机采用“变频器外部调速控制器+(高压变频器+移动变电站)+单速变频调速+弹性联轴器+减速器”的驱动方式，实现刮板输送机的智能负荷调速及软启动控制 。其主要功能如下：

1) 智能启动。设备启动时通过对机头、机尾部电机速度、加速度等独立控制，使刮板机先张紧下链道链条，再顺序启动，降低了启动冲击及避免了松链跳齿；能够判断是否重载或带载启动，自动调整启动时差及加速度等参数，实现平滑启动，避免链条重载启动造成损伤。

2) 煤量检测与智能调速。智能控制系统能够实现煤流量实时扫描，结合刮板机输出功率智能调节链速，实现刮板链运行距离的减少、磨损及功耗。

3) 低速检修功能。根据检修需要，智能控制系统可以将刮板输送机设置为低转速运行，便于进行检修工作。

4) 功率协调。区分机头、尾驱动部的不同角色和能力需求，按刮板机的运行特性配置不同的驱动包，实现多驱动单元的协调工作。

5) 远程监控功能刮板机智能控制箱自身可以实现对变频器的启停控制功能，同时也可以通过标准的RS485总线通信接口或硬结点连接形式，实现第三方控制平台对变频器的启停控制功能；还可通过MODBUS协议将相关信息传至第三方控制平台，满足与矿井自动化系统的通讯需求。

6) 故障自诊断功能。智能控制系统能够对关键部件运行距离、时间等参数进行记录；并能够对关键部件寿命进行预估、预警，自动生成预防性维护报告，大大降低维护时间及故障概率。

7) 破碎机红外安全装置。在转载机入口处设计安装红外线安全闭锁联控保护装置，保证人员人身安全。

2.1.4 集成供液变频、自动配比

1) 智能变频控制系统。泵站控制系统具有集中、就地、远程等多种控制方式。统一、标准的通讯协议保证系统能够快速、可靠地与智能综采自动化控制系统无缝对接，实现数据监测，远程单动、联动、时间均衡等多种控制，完全满足工作面自动化的使用需求。

2) 多级过滤系统。系统从整体层面考虑，根据工作介质的流向，采取分段、分级、按需处理的方案，将功能过滤与安全防护有机结合，以进水过滤站、加水过滤器、高压过滤站、回液过滤站为核心设备，将不同精度和流量过滤元件组合，形成以液压介质为核心的多级过滤系统。

3) 乳化液自动配比系统。以定量泵、原装进口混合器、高精度浓度传感器及控制器为主体的自动配比系统，大幅提高了乳化油的利用率和乳化液配比的稳定性。

2.2 智能化控制平台

通过建立智能化的通信平台、可视化平台及集中控制平台，为整个智能化工作面构建起基础平台，保证所有智能化功能的实现。

2.2.1 工作面通信平台

利用工作面以太网，通过交换机、光电转换器及综合接入器将数据传输到巷道集控中心服务器，实现了工作面设备信息采集及自动化控制。网络管理具备流量优先级、虚拟局域网等管理功能，确保重要数据获得优先动态支持，且具备自诊断功能。

2.2.2 工作面可视频化平台

每6架支架安装1台与工作面平行的监控支架用本安摄像仪，每2架支架安装1台与工作面垂直的监控煤壁视频用本安摄像仪，在具备上述监控要求外，在刮板机机头及监控中心各安装1台本安摄像仪。本安摄像仪通过工业环网将数据传输至本安显示器，实现4台摄像仪图像一次显示，且能够根据采煤机位置进行视频自动切换，同时将数据传输到地面调度中心显示并保存 。

2.2.3 远程控制平台

巷道监控中心通过隔爆主机的电液控主机实时监测工作面全部液压支架当前的立柱压力等状态信息，并通过视频主机软件直观地监测支架当前姿态信息，同时通过支架操作台实现对工作面液压支架的动作控制干预。该操作人员同时兼顾采煤机、三机及泵站的集中控制。

支架操作台通过CAN协议保证控制命令实时发送至工作面支架控制器进而完成动作干预。采煤机、三机及泵站控制指令通过操作台发送给主机，由主机向各设备发出。

2.3 智能化功能

2.3.1 基于地理信息系统与惯性导航的采煤机煤层识别及定位功能

1) 采区三维数字化GIS模型。结合工作面实际情况，采用矿井地震波CT探测方法来探明影响工作面安全高效回采的煤厚信息、地质情况，建立描述煤层的三维数字化GIS模型。方案见图3。

2) 采煤机绝对定位系统。通过惯性导航系统，实时测出采煤机的三维位置坐标，结合采煤机左右摇臂的摆角，反映采煤机当前割煤作业时左右两个滚筒与GIS顶底板关系，避免截割到顶板或底板。

3) 煤层识别系统与截割路径规划系统。根据采煤机在煤层中推移的位置，调取推进方向采煤机附近一段距离的煤层GIS三维数字化模型中的信息，识别出当前和下几刀煤层的数字化信息，与记忆截割记录下的截割模型比对，以此规划出采煤机行走及摇臂的调高信息 。

图3 GIS方案

2.3.2 工作面调高控制

以记忆截割技术为基础，附加多种感知数据，融合人工调高控制经验及采煤机调高控制模型，建立基于感知—分析—决策机制的智能调高截割模板，实现基于外部主控计算机(非采煤机)的远程智能调高控制技术应用。同时对采煤机数据的读取、存储、分析、界面展示几个方面进行优化 。

1) 煤机数据读取、记录方式完善优化。完善采煤机状态数据中煤机里程位置数据的读取功能，并以此为数据记录基准轴，开展煤机工况数据记录完善工作，当读取到煤机调高控制操作时，每隔一定时间记录当前煤机工况状态，间隔时间可以根据实际情况进行调整，范围是0.5～5 s。当煤机在运行过程中出现折返情况时，若滚筒高度数据发生变化，需要记录下各里程记录点的最高采高、最低卧底量。

2) 煤机数据存储方式完善优化。将主控计算机读取的数据进行存储，同样以煤机里程位置作为基础数据轴，辅以数据读取时间点进行数据存储，煤机各数据可单独存储，也可整体储存。

3) 煤机数据分析功能完善优化。针对采煤机存储的数据，软件中可实现运行工况数据导出，导出的煤机工况数据以煤机里程位置作为坐标轴。依据读取存储的煤机里程位置及滚筒采高、卧底高度数据，建立单次循环过程二维的煤层赋存状态描绘曲线，以及多次循环推进过程的煤机赋存状态三维图形。

2.3.3 基于可视化的远程控制

建立井下巷道集中控制室，实现工作面视频监视、语音调度、联络及远程操作工作面相应设备，其主要功能有：液压支架跟机自动化及远程控制、采煤机记忆割煤及远程控制、运输设备集中自动化控制—一键顺序启停控制、乳化液泵站集中自动化控制、供电系统集中监测。

2.3.4 基于惯性导航技术的工作面直线度控制

工作面直线度控制功能的主要内容有：采用基于惯性导航技术进行综采工作面直线度检测，通过电液控及惯性导航实现直线度控制，以高速以太网为基础搭建工作面视频监控系统，并应用虚拟局域网等技术，提升整个矿井网络的稳定性与安全性，实现了自动化跟机采煤的常态化应用 。

2.3.5 机架协同控制

所谓“机架协同”功能，指当采煤机运行在记忆模式下自动割煤，支架电液控系统运行在跟机模式下执行跟机自动化时，系统软件能够根据采煤机位置和当前跟机自动化阶段，智能判断工作面支架状态是否满足采煤机进行下一阶段作业的逻辑计算，并向电液控系统和煤机系统发出相应的协调指令功能。协同控制流程见图4。

图4 机架协同控制流程

2.3.6 端头设备一体化控制

在常规工作面的设计与使用中，并未将端头的转载自移系统与超前支护纳入控制范围，主要依据人工手动操作，本项目通过整体设计，将端头设备进行一体化控制。

1) 胶带机自移机尾及转载机自移系统和控制。胶带自移机尾控制系统能够实现遥控及电控控制，且具备声光报警功能；转载机自移系统与端头支架电液进行关联控制，实现转载机自移，亦可单独进行遥控及电控控制。

2) 超前支架控制。通过改造支架液压管路结构，增加交替阀及液压管路，使超前支架能够在前后相连两架共同控制推移千斤顶，左右相连两架共同控制防倒千斤顶，从而在本架可以实现所有控制部件动作；控制系统中增加无线接收棒，布置在超前支架，实现就地遥控器控制支架；在巷道监控中心通过视频监控对超前支架进行远程遥控。

2.3.7 煤流负荷平衡控制

根据采集的采煤机滚筒电机、牵引电机的电流和温度等数据，刮板机电机电流温度数据，以及泵站、三机等其他相关数据，结合煤量信息，智能分析煤流负荷，根据负荷情况，反向调节煤机牵引速度、三机转速等。监控主机对工作面采集的各相关数据进行分析计算，将工作面采煤机、液压支架、刮板机等多种单一设备的工作进行集成，实现综采设备的协同控制。

2.3.8 工作面瓦斯浓度关联控制

李村矿1306工作面瓦斯浓度较大，为防止生产过程中由于瓦斯浓度超限而导致的断电，在工作面与回风巷安装瓦斯浓度传感器，由综采自动化控制系统对工作面与回风巷的瓦斯浓度进行实时监测，并设定相应的阈值，当瓦斯浓度达到阈值后，由自动化控制系统对采煤机割煤速度进行调节，降低采煤速度，从而降低瓦斯涌出量，当瓦斯浓度降低到正常水平以下时，再将采煤机恢复到正常的运行速度，保证采煤过程的连续性与自动化调节功能。

2.3.9 支架姿态控制

在支架底座与顶梁安装倾角传感器，对液压支架的姿态进行检测，当支架姿态超过正常阈值时，由电液控制系统对支架姿态进行调整，防止由于顶板冒空导致支架姿态异常；在支架一级护帮千斤顶安装压力传感器，在护帮板打出去后，检测到压力传感器值未达到补压功能，保证护帮板对煤壁的有效支护，防止片帮。

3 结 语

智能综采工作面关键技术的研究及应用，重点解决了在大采高工作面复杂地质条件下快速连续推进难题，实现了采煤生产过程记忆割煤为主，人工干预为辅；液压支架跟随采煤机动作为主，人工干预为辅；综采运输设备集中自动化控制为主，就地控制为辅的自动化、少人化高效连续开采生产模式。工作面作业人员由原来28人减少至15人，大大降低了员工劳动强度，极大改善了员工作业环境，切实提高了单产单进水平，真正实现了减人提效和安全高效发展。