薄煤层智能化工作面的建设及技术创新

文/黄超慧

（责任编辑：庞永厚）

随着煤炭资源开采的日益减少，薄煤层的安全高效开采成为了我国煤矿企业关注的焦点。平煤股份四矿在薄煤层开采过程中，存在着采面高度低、条件差，人员不能直立作业，劳动强度大等难题，迫切需要薄煤层综采工作面实现无人自动回采，将工人从高危的生产环境中解放出来。平煤股份四矿从薄煤层智能化工作面论证、综采设备配套选型和智能化控制系统几个方面对薄煤层智能化工作面的建设进行了深入研究，对设备的选型设计和配套参数进行细致分析，对控制系统的智能化功能进行了创新和完善，建设了既有一定生产能力，又能适应复杂生产环境的薄煤层智能化工作面。该薄煤层智能化工作面的建设，实现了减员提效，智能化远程控制和安全高效生产的目标，为薄煤层综采自动化设备的推广和同类薄煤层的智能化开采提供了有利参考。

一、智能化工作面的建设

1.工作面概况

平煤股份四矿位于平顶山矿区中部，1955年11月建矿，1958年8月1日投产，现核定年生产能力224万吨。投产60多年来，矿井由单一水平开采变为多水平开采，由低瓦斯矿井变为煤与瓦斯突出矿井。特别是四矿可采区域呈南北狭长走向，再加上四组煤层同时开采，采区上、下重叠布置，主要进、回风巷断面变形量高达50%以上，开采垂深在850m以上，回采工作面客观上面临着高瓦斯、高地压、高地温；通风难、运输难、提升难、供风难、供水难、行人难的安全发展瓶颈。

己15-23090工作面位于己三采区东翼中部，己15煤层厚度1.0～2.0m，平均煤厚1.45m。煤层赋存稳定，基本顶为细粒砂岩，厚6～12m，厚层状。直接顶为粉砂与粉砂质泥岩互层，厚3.5～5.5m，层状。基本底为粉砂质泥岩，厚2.5～7.0m，团块状。直接底为泥岩，厚1.5～2.5m，碎块状。呈缓倾斜单斜构造，煤层倾角5°～12°，平均煤层倾角9°。正断层22条，其中13条大于1m的正断层，落差1.1～4.4m。工作面设计采长148m，走向1966m，可采走向1870m，可采储量74万吨。

2.设备选型

根据该工作面地质条件，经过充分论证，采煤机选用上海天地MG2×250/1200-WD采煤机，该采煤机机面高度890mm，每个滚筒由两台250KW的截割电机驱动，高度低、功率大，能够适应己15-23090工作面煤层薄、断层构造多的复杂地质条件。

运输设备采用平煤神马机械装备集团河南重机公司的SGZ900/800刮板运输机，该运输机针对薄煤层降低了机头、机尾高度。

液压支架选用平煤神马机械装备集团河南矿机有限公司ZY6800-10/20D电液控支架，乳化液泵站集中供液系统选用浙江中煤机械科技有限公司BRW500/37.5泵站水处理及集中供液系统，电液控系统选用德国marco公司pm32-ifc智能化系统。

此外，采用SZZ-800/315转载机、ZY1100型转载机迈步自移装置、ZT17500-16/30D机巷端头支架2组共4架、ZC4000-15/28风巷垛式超前支架80架等设备。设备配套时为保证工作面两端的破底及拾煤效果，采用了抬高运输机销排中心高度的措施，配套后采煤机机面高996mm。

3.系统构成及功能

己15-23090薄煤层智能化综采工作面由液压支架电液控制系统、采煤机控制系统、运输子系统、工作面人员定位系统、工作面视频系统、泵站集中供液系统、组合开关监测系统、设备检修预警系统、地面分控中心系统等10个子系统组成。如图1所示。

在顺槽监控中心采用vistwo软件控制平台，工作面综采设备通过数据传输平台和控制平台相连接，在液压支架电液控制系统与采煤机控制系统实现全面跟机自动化的基础上，将电液控制系统与液压支架视频监控系统相结合，通过监控中心远程操作对液压支架进行干预，实现工作面设备运行状态和环境状态监测，依据数据分析基础和预警报警机制，满足复杂环境下液压支架的自动化、智能化控制。

平煤股份四矿己15-23090薄煤层智能化综采工作面设备主要具有以下功能。

（1）液压支架电液控制系统可以实现邻架单动控制、隔架控制、自动跟机移架控制、成组支架动作控制、工作面顶板围岩耦合等多项功能。同时，通过人员定位卡自动闭锁附近液压支架、划定工作面安全区域并进行警示，三角煤区域斜切进刀和端头支架、转载机一键自移，根据压力监测数据实现矿压分析及顶板周期来压的预警等功能。此外，可监测液压支架高度、压力、行程剂倾角等各项参数，并根据生产情况、视频监控进行远程调节。

（2）运输子系统利用华宁集控设备实现自动控制、点动控制，实现在集控中心远程控制刮板运输机、转载机、破碎机一键启停；具有实时监测三机运行状态、电机和减速器的运行参数（油温、油位、轴承温度、冷却水温度、流量）及工作面运输机闭锁、语音通讯等功能。

图1 智能化系统架构图

（3）采煤机控制系统实时采集工作面相应位置上的采高、倾角、俯仰角、速度、方向等信息，并以5cm为间隔做即时映射，并生成截割曲线模型。采煤机实现集控中心一键启停和可视化远程控制、记忆截割，以及监测油温、油位、电压、电流、通讯状态及故障信息。利用红外/编码器/RFID射频定位+惯导技术精确位置，绘制采煤机位置曲线，通过在自动化主机上输入工作面高度修正值的方式来获取与工作面相适应的采割曲线。通过图像识别及惯性导航系统对工作面刮板运输机、液压支架曲线进行校直，实现采煤自动化。

（4）工作面视频系统具备监测工作面割煤、综采设备运行状况和人员状况、视频跟机自动切换、顺槽设备和人员状况的功能。摄像头具备330°自旋转及自清洁功能。

（5）综采工作面集中控制中心具备所有综采设备远距离一键启停、各项参数实时监测，以视频摄像头监控全工作面设备运行状态、煤壁状态、人员状态以及依据人员识别、定位设定安全区的功能；具备设备检修预警管理，监测工作面瓦斯浓度、粉尘浓度，并根据需要开启区域支架顶梁喷雾降尘功能。

（6）地面分控中心系统具备在地面调度中心显示综采设备运行状态和远程控制综采设备的功能；具备通过视频系统监控工作面、顺槽内的设备和人员状况，与井下集控中心进行通讯，对工作面各综采设备运行状态数据采集和分析并定时(或任何时段)生成状态分析报告等功能。

二、智能化工作面创新点及关键技术

己15-23090薄煤层智能化工作面顺槽监控中心采用vistwo软件控制平台，工作面综采设备通过数据传输平台和控制平台相连接，实现工作面设备运行状态和环境状态监测，依据数据分析基础和预警报警机制，实现综采设备智能管理。在设备调试期间，针对该套智能设备控制系统进行了部分优化和改进。

1.数据传输高度集成、多网合一

工作面电液控、视频、照明、供电、数据传输、系统控制实现多网合一，工作面架与架之间一线贯通，减少了工作面架架布线量，节省了安装时的人力、物力投入，减少了生产中的故障点。

2.采煤机与工作面采高联动

采煤机使用红外、射频和编码器三种定位模式，实现精准定位、采煤机与工作面采高联动，当液压支架高度不足以通过采煤机时，可实现自动停止采煤机牵引或在集控中心预警。

3.液压系统爆管保护

当液压支架远距离供液系统油管破裂压力骤降或大量泄漏时，自动控制系统根据传感器压力变化，可实现自动停泵或在集控中心预警。

4.矿压分析及预警

通过对工作面支架立柱压力数据采集，实现矿压分析及顶板初次来压和周期来压的预警功能，为采面顶板管理提供有效依据。

5.端头支架及转载机远程遥控操作

端头支架与转载机自移并入电液控制系统，端头支架安装照明及摄像头，可实时显示巷道人员、设备状态，实现端头支架、转载机一键自移及遥控器遥控操作。

6.煤流运输预警

智能工作面煤流与负荷之间具有协调功能，当运输设备负荷大时，实现采煤机牵引自动减速或在集控中心预警，避免因负荷大引起运输机压车。

7.遥控器采用汉化模式

电液控制系统遥控器及控制器全部采用汉化模式，便于职工操作培训。

8.设备检修预警功能

（1）在集控中心电脑随机存储和编辑工作面供电、供液和通讯系统图，方便查询和故障排除。

（2）备品备件录入系统，实现设备易损件备件的核对和查询。

（3）自定义录入工作面各设备检修重点及检修周期，实现设备周期检修提醒，保证设备维护和检修效果。

三、智能化工作面建设的改进方向

一是工作面电液控、视频、照明、供电、数据传输、系统控制实现多网合一，工作面架与架之间一线贯通的数据线为百兆带宽四芯数据线，多信号及供电导致数据及视频传输的实时性较差，有时可能导致视频延迟或卡顿，可将该四芯数据线进行升级，提高视频及数据传输的流畅性。

二是惯导系统及视频监测图像智能识别较差，导致在集控中心观察采面运输机、支架的平直需通过惯导对图像进行人工处理，图像智能识别及数据处理功能有待提高。

三是智能化及功能设置选择性有待完善，控制系统只是按既定程序执行动作，未采用神经网络、模糊控制及自适应技术，不具备通过大数据自主完善系统功能及分析判断功能，此外，工作面不具备设备按采煤机设定轨迹自动运行的功能。

四是为保证安全及更好地了解设备运行状态，采煤机、液压支架及转载机自移等设备在动作命令执行前，建议由语音预警或声光预警功能来提供预警。

四、结论

平煤股份四矿己15-23090工作面是河南省首个薄煤层自动化工作面，智能化综采设备可通过传感、通讯等技术，实现顺槽设备控制中心远程可视化操作、综采设备集中控制一键启停，实现液压支架自动跟机移架、液压支架支护状态监控、运输机自动调直、采煤机记忆截割、设备工况检测和故障诊断技术等功能，在人员较少的情况下实现自动回采，从根本上提高了作业安全系数，极大地改善了煤矿工人的工作环境，大幅降低了工人的劳动强度，实现产能增效、提质增效、减员提效，单班生产人员由20人减至9人，月均产量达到10万吨，创造了巨大的经济效益，有效推动了河南省薄煤层的开采工作，对薄煤层安全高效开采具有推广意义和参考价值。