综采工作面智能化集控系统分析及应用

苗飞飞

（山西西山晋兴能源有限公司斜沟煤矿，山西 吕梁 035300）

我国煤炭资源丰富，开采环境复杂，目前煤炭需求持续增长，推进煤矿智能化建设是促进煤炭绿色、安全、高效开采的重要手段[1-5]。智能无人采矿打破了传统的人工操作基础上以单机位置控制目标的思想，提高了综采自动化程度，但煤矿智能化建设水平不平衡。斜沟煤矿以提高安全性、减少井下人员、提高生产效率为原则，以建成智能化示范矿井为目标，加快推进智能化建设工作，实现了“自主移架＋记忆割煤＋跟机干预＋集控”采煤模式。本文以斜沟煤矿18106 工作面为工程背景，结合该工作面的地质条件及开采技术条件详细分析了综采面智能化集控系统，为煤矿智能化的发展提供了理论需要。

1 工作面概况

斜沟煤矿18106 工作面走向长度为3740 m，倾向长度为285.5 m，总面积1 067 670 m2，煤层倾角7.9°。工作面地面标高+1015～+1209 m，井下标高+814～+847 m。18106 工作面煤层平均厚度为5.8 m，以暗煤为主，含亮煤条带，含黄铁矿碎片，可见残留植物碎片，含少量劣质煤。最下面一层夹矸局部增厚，最厚处1.6 m。煤层普氏硬度为2～3。18106 工作面直接顶为中细粒砂岩，平均厚度2.46 m，岩性特征为灰白色，成分以石英为主，含少量暗色矿物，含方解石脉，局部尖灭。岩层普氏硬度为6～7。基本顶为中粗粒砂岩，平均厚度为11.04 m，岩性为灰白色，块状构造，可见植物化石，成分以长石为主，可见脉状煤质条带。岩层普氏硬度5～6。直接底为泥岩，平均厚度3 m，灰黑色，泥质结构，块状构造，含植物化石，局部尖灭。岩层普氏硬度为2～3。18106 工作面东侧为18108 回采工作面及采空区（煤柱宽度11.7～19.7 m），西侧为18104 采空区（煤柱宽度12.8～19.4 m），南侧为实煤区，北侧为11 采区上山大巷。

2 智能化集控系统概况

斜沟煤矿18106 工作面智能化集控系统由多个部分组成，分别为集控中心、具备记忆截割的采煤机控制系统、电液控制的液压支架、工作面万兆环网交换机、工作面无线通信系统、无线视频监控系统、泵站集中控制系统、运输机高压变频器驱动、顺槽皮带远程集控、工作面3D 可视化功能，如图1。

图1 智能化集成控制系统示意图

该智能化集控系统主要包括以下内容：

1）工作面集控中心是整个工作面协调机制的中心，主要由操作室与塔式主机组成。集控中心内集成了三机工况数据、语音视频数据、远程控制功能、泵站子系统、电液控子系统等，实现了工作面运输机、转载机、破碎机、泵站系统的“一键启停”和单机启停操作以及工作面设备运行状态的集中监控，以及工作面生产情况的视频集中监控。

2）采煤机具备自动化记忆割煤功能。采煤机能记忆中部和头尾割三角煤示范进刀时的采机位置和相应位置的左右摇臂高度，打开自动化功能后采煤机按记忆数据进行仿形截割。当工作面条件变化时，可使用遥控器进行人工干预，采煤机会自动保存干预数据，不断进行智能学习，优化采煤工艺。

3）工作面液压支架实现了电液控制。工作面每台液压支架上安装1 套电液控制系统（带操作屏幕）；1 个一级护帮压力传感器用于检测前护帮位置；2 个立柱压力传感器用于检测立柱压力；1 个伸缩量传感器用于检测前伸缩量位置；1 个推移油缸位置传感器用于检测推移行程。电液控系统具有自动化功能，还可配合采煤机实现斜切进刀工艺，自动割三角煤。

4）工作面工业环网方面，工作面集控台安装有一台万兆环网交换机，交换机与集控中心塔机的千兆交换机采用光纤连接，用于和地面调度的远程通信和控制。工作面机头和机尾处各安装一台4G无线基站，交换机和4G 基站之间采用光纤连接，搭建了覆盖整个工作面的4G 无线网络，用于摄像头和采煤机无线数据的传输，4G 无线网络100 Mbps 的下行速率和50 Mbps 的上行速率，网络延时小于50 ms，保证了采煤机远程监控数据、工作面视频监控数据快速可靠地与集控中心及地面调度室传输。

5）视频监控方面，工作面内每6 台支架前梁处安装一台本安除尘高清摄像仪，可实时监控工作面设备运行情况。

6）泵站采用集中控制系统，可在集控中心对泵站液箱的液位、出口压力、各泵油位、油温、油压，泵电机的电压、电流等进行监控。

7）刮板输送机和转载机采用了组合式高压变频器驱动，可进行软启动和实时调速，降低了启动电流冲击，延长了链条和刮板寿命。工作面运输机、转载机、破碎机的电压、电流、开停等状态信息通过变频器和组合开关传输至集控中心进行实时显示。

3 智能化集控系统运行方式及操作方法

3.1 智能化集控系统运行方式

智能化集控系统的运行方式主要分为两类：一种是自动运行模式，一种是人工操作模式。在煤矿井下现场操作过程中，首先具有优先权的是人工操作模式，也就是说，当综采面需要现场工人进行操作作业时，该系统自动转换成人工操作模式。

自动运行模式在就地闭锁时，集控系统运行停止，随后立即切换至人工操作模式。采煤机巡视工就地使用遥控设备进行人工干预时，集控系统退出自动运行模式，自动转换成人工操作模式。支架巡视工在按下支架电液控制系统急停按钮时，支架在自动运行模式下转换到人工操作模式。人工操作模式转换自动模式时，工作面人员需要与集控系统工进行沟通，由集控系统工启动自动模式。在人工操作模式转换到自动运行模式前，巡视工必须确认工作面无其他人员逗留，确保安全生产。

3.2 交接班及开机前准备

进入工作面，跟班队长、工长及各工种与上一班先进行交接，每班有遗留问题必须当班及时处理。各巡视工在开机前必须各负其责，仔细检查设备运行状况，确保设备安全。集控系统工检查控制列车各控制系统、泵站、乳化液浓度、供电、阻化剂喷洒、煤层注水、巷道断面喷雾、列车附近巷道积水等情况，并通过控制列车通信系统掌握皮带开停状况。采煤机巡视工检查采煤机滚筒截齿、注油、管线等情况。三机巡视工检查刮板小梁、电机及减速器冷却、注油等情况。电气检修工检查控制列车通信系统、供电系统、照明系统等情况。维护工检查两巷超前支架各管线、液压系统窜、漏液情况，超前支护情况，作业循环情况等。

工作面各巡视工在完成巡检，同时无其他外因影响，确保设备和其他人员安全条件下，汇报工长或跟班队长，然后由工长或跟班队长发布开机指令，准备开机。开机前，集控系统工确认皮带巷皮带输送机正常运行。皮带巷皮带输送机机尾不受集控系统的控制。开机后，各巡视工跟机巡视，发现异常，立即闭锁停机。

3.3 开机作业

启动泵站为工作面设备供液、供水；启动按钮为采煤机远程送电，成功送电后采煤机控制系统能正常工作，通过集控系统控制软件能够远程监视采煤机状态数据；启动工作面运输系统，通过操作集中控制系统软件，依据工艺要求启动工作面运输系统。

完成已选择的采煤工艺段后，采煤机牵停，在集控列车操作采煤机远停按钮为采煤机断电；待工作面运输系统将原煤完全运出后操作软件使运输系统停机；确认工作面液压支架不再动作后，将泵站系统停机；关闭集控系统操作软件，为系统断电；为工作面所有设备断电，切断负荷中心电源。

4 应用效果分析

1）经济效益显著提高。斜沟煤矿18106 工作面采煤机具备自动化记忆割煤功能、液压支架自动跟机等功能，工作面集控台安装有一台万兆环网交换机，实现了远程控制的功能，减少了井下人员的数量。综采队由原先的64 人减少到47 人，节省了人工费68 万元/年，工作面日产量增加至9000 t/d，实现了真正的安全高效生产，不仅降低了井下生产的危险性，还提高了生产效率。

2）智能化集控系统在斜沟煤矿18106 工作面成功建设及应用后，也为其他矿井智能化建设提供了经验及依据。

5 结论

本文通过对综采工作面智能化集成控制系统进行分析，主要结论如下：

1）综采工作面智能化集控系统由多个部分组成，智能化集控系统的运行方式主要分为两类：一种是自动运行模式，一种是人工操作模式。

2）智能化集控系统操作主要包括开机前准备、开机作业和系统停机三个步骤。

3）该系统在斜沟煤矿的现场应用效果良好，减少了井下工作人员的数量，提高了该工作面的生产效率。