综采工作面自动化技术应用与展望

任彦峰

（山西焦煤集团有限责任公司屯兰矿，山西 古交 030206）

引言

由于煤矿行业工作劳动强度大、危险性高，煤矿在科技日益进步的今天依旧是危险和落后的代名词，为了减少煤矿职工的劳动强度，降低人员作业危险，将职工将从井下现场解放出来，自动化无人开采成为煤矿开采的必然发展方向。因此，针对综采工作面自动化技术应用展开分析。

1 自动化工作面的发展背景

随着陕煤黄陵煤矿第一个国产自动化工作面的回采，掀起了国产自动化工作面的建设高潮，淮南张集、阳煤新元、神东石圪台等为代表的一大批自动化工作面相继建成，推动着煤炭矿井开采方式的变革。

2 自动化工作面的组成

自动化综采工作面主要由液压支架电液控系统、自动集成供液系统、远程视频监控系统、综采自动化控制系统等功能融合而成。

2.1 电液控系统

电液控系统主要包括支架控制器、支架服务器、本质安全供电电源、各类传感器、耦合器、线缆等组成。

电液控制系统通过采煤机机身安装的红外发射器和液压支架安装的红外接收器互相配合，可以实现采煤机位置的准确定位，传感器利用通讯网络将获取的位置数据上传至服务器，服务器通过预设的程序对采煤机运行轨迹进行逻辑判断后，对工作面电液控系统发送控制指令，电液控利用先导回路控制主阀组实现支架护帮、立柱、移架千斤的动作。

三角煤区段的自动跟机是电液控控制的重点和难点，三角煤跟机工艺分7个工艺段设计[1]。工艺1，接续中部跟机，自动跟机采煤至机头/机尾；工艺2，返刀割底煤至机头/机尾；工艺3，扫底煤；工艺4，斜切进刀；工艺5，返向上刀至机头或机尾位置；工艺6，第二刀扫底煤；工艺7，三角煤结束，煤机从机头位置正常割煤至中部位置，完成三角煤跟机和中部跟机的衔接。

智能集中供液系统是为工作面电液控系统提供完整的供液方案，为工作面提供恒压、清洁、配比稳定的高质量乳化液，是电液控系统乃至自动化综采工作面稳定运行的有力保证。智能集中供液系统包括水净化系统、废水回收利用系统、自动配液系统、高压过滤及回液过滤系统、泵站系统、自动控制系统、乳化液箱等组成[2-3]。

2.2 视频监控系统

自动化工作面根据实际需要在液压支架、运输机及皮带机头尾、各转载点安装带自清洁功能的视频监控系统，实现系列车控制中心和地面远程指挥控制中心对整个综采工作面关键部位的视频监控。工作面摄像仪采集的视频画面实时上传至监控中心，红外线传感器获得采煤机位置，通过软件处理后显示画面跟随采煤机无缝切换。

2.3 自动化集中控制系统

集中控制中心利用组态软件合理编排综采工作面设备的逻辑动作，实现机电设备的一键启停和自动集中控制。集中控制中心基于工作面覆盖的工业以太网及现场总线，实现对综采设备一键逻辑启停、单设备启停的功能，并具有启动前的设备保护状态检测以及过程中的保护状态检测功能。设备运行过程中可以根据视频图像及显示参数对设备进行调整，综采工作面设备之间严密的连锁关系，保证了系统的安全运行。

集中控制中心能够对采煤机的运行电流、速度、方向、温度、摇臂高度等数据进行采集。在此基础上，可以通过集控中心操作台对采煤机油泵电机、截割电机、牵引电机启停以及变换牵引方向、调节牵引速度、摇臂高度等，并通过集控中心显示器显示采煤机的各种状态。

2.4 采煤机记忆截割控制系统

工作面回采作业时，人工进行示范刀作业，采煤机内置编码器记录采煤机位置曲线及左右摇臂位置。记忆截割时编码器将采煤机位置数据传入采煤机主控器，主控器根据采煤机位置记录和分析，不断修正采煤机运动姿态，实现采煤机记忆截割功能。采煤机截割过程可以实时打至学习模式，实现边截割、边学习。

2.5 供配电系统

集中控制利用移变、组合开关、变频器的通讯模块与集控中心的上位机实现通讯，达到供配电系统集中监测、控制的功能。

3 自动化工作面目前存在的问题

目前，大多数自动化工作面采用记忆割煤+视频远程调整运行模式，现阶段记忆割煤不能适用于煤层倾角较大、地质环境复杂的条件，导致回采过程缺乏有力指导，而远程视频人工调整过程受摄像仪清晰度、位置等影响，且受远程操作人员经验与主观判断要求较高，其次惯性导航系统、煤岩识别系统投入费用较高。但是目前也并无成熟的应用，因此采煤机常态化的自动割煤在煤层地质条件复杂条件下并未常态话运行。尽管煤矿行业的机电设备安全可靠性得到了极大提升，但是液压系统跑冒滴漏等设备故障还时有发生，两顺槽超前段顶板的支护、工作面浮煤清理、自移机尾的拉移等没有完全实现机械化。工作面煤层起伏、顶板破碎、断层变化等特殊条件下的特殊回采工作，导致现阶段自动化综采工作面可以减轻职工劳动强度，但是并不能大规模减少作业人员、提升生产效率。

目前，记忆割煤、远程视频监控割煤、煤岩识别割煤等方式均还不成熟，均有一定的局限性，而具有数字矿山的自动化割煤方式，还需要基于GIS三维仿真技术的发展，逐渐实现工作面地质环境的全透明，包括煤层厚度、倾角、硬度、瓦斯含量、顶板岩性等。透明工作面是实现采煤工艺常态化运行的基础。自动化工作面存在的问题主要为：一是自动化工作面发展还处在初级阶段，设备、人员、资金投入还不够多，自动化采煤技术还不完善；其次各自动化厂家研发人员大多远离生产现场，对现场的情况及需求了解不够，现场的问题不能及时反馈。

4 综采工作面自动化技术发展方向

机械化方面，依托我国机械行业、材料行业等基础学科的发展，提升机械系统、液压系统的安全可靠性，减少人工维护工作，对综采全过程采用标准化机械作业，减少人工作业环节。

采煤机自动割煤方面可以利用三维地震、瞬变电磁仪、地质雷达、钻探等手段相结合，对工作面地质状况进行综合探测，并应用物联网、大数据、人工自动技术为依托，应用GIS、远程控制、三维仿真技术，最终实现透明化工作面，回采过程中以煤岩识别技术实时修正地质模型，实现采煤机的智能截割。

5 结语

综采工作面自动化回采技术目前仍处在初级阶段，其发展是一个大学科的系统工程，需要多学科研究人员共同努力推进。随着机械化、自动化以及工作面透明技术的发展，自动化、智能化工作面将是煤矿企业发展的必由之路。