王坡煤矿3308 综采工作面智能化系统改造与应用

张焕峰 陈品华

（山西天地王坡煤业有限公司，山西 晋城 048000）

煤矿综采工作面复杂工况极易对作业人员身体健康造成危害[1-3]。如何将工人从高危作业环境中解放出来一直是国家和业内科技工作者关注的焦点问题[4]。加快煤矿智能化改造，推动煤矿装备智能化和高端化水平，实现井下固定岗位无人值守与远程监控及各系统智能化决策和自动化协同运行是解决上述问题的有效途径[5-6]。本文对王坡煤矿3308 综采工作面智能化系统设计进行研究，以期为类似工程条件矿井智能化系统设计提供参考和借鉴。

1 工作面概况

王坡煤矿3308 综采工作面位于3#煤层三采区南翼中部，煤层平均倾角3°，平均厚度4.2 m。直接顶为泥岩，平均厚度2.15 m；基本顶为粉砂岩，平均厚度7.62 m；直接底为泥岩，平均厚度1.95 m；基本底为粉砂质泥岩，平均厚度3.26 m。工作面长度175 m，推进长度2124 m。采用综采放顶煤回采工艺，全部垮落法管理顶板。工作面采高2.9 m，放煤高度1.3 m，采放比为1:0.45。改造前3308 综采工作面智能化水平不高，用工人数多，生产效率低。3308 综采工作面主要设备见表1。

表1 3308 工作面主要设备表

2 智能化控制系统改造方案设计

为降低工作面用工人数，提高工作面智能化水平和生产效率，设计对3308 综采工作面进行智能成套装备改造。改造后的智能化系统主要由顺槽监控中心、采煤机自动化控制系统、支架电液控制系统、三机监测系统、工作面语音通信控制系统、智能集成供液系统、顺槽皮带机控制系统、移动变电站监测系统、工作面以太网和地面分控中心等部分构成。以下针对3308 综采工作面现有采煤机、转载机、破碎机、刮板输送机及液压支架电控系统改造方案进行具体说明。

2.1 采煤机改造设计

3308 综采工作面现有MG300/700-WD 型双滚筒采煤机，为提高采煤机智能化水平，对其进行如下改造：1）为采煤机配置一路12 V/1 A 本安隔离直流电源，用以为电液控制系统红外线发射器供电。2）在3308 顺槽监控中心内设置一台顺槽监控箱，利用RS-485 接口连接顺槽监控箱与自动化控制系统，采用标准MODBUS RTU 协议通信。3）在3308 综采工作面转角处设置一台分线箱和中继箱，采煤机的数据通过载波通信传输至中继箱，再经过光纤传输至顺槽监控中心内的顺槽监控箱，以实现采煤机数据、控制指令与顺槽监控箱的长距离双向实时通信。MG300/700-WD 型双滚筒采煤机改造明细见表2，采煤机传感器布设位置如图1。

图1 采煤机传感器布置图

表2 采煤机改造明细

2.2 三机改造设计

3308 综采工作面现有转载机、破碎机和前后部刮板输送机信息化智能化水平不足，为实现转载机和前后部刮板输送机的变频驱动及成套设备的动力部工况监测功能，为3308 综放工作面提供信息化、智能化技术支持，对三机设备进行了智能化升级，三机改造明细见表3。

表3 三机改造明细

2.3 液压支架电控系统配置方案（单架）

3308 综采工作面电液控系统智能化改造后，具备自动跟机放煤控制、成组多轮放煤控制、三角煤“机架协同”控制以及记忆放煤等功能。液压支架电控系统配置方案详见表4。

表4 液压支架电控系统配置方案（单架）

2.4 智能集成供液系统

2.4.1 智能集成供液系统构成

智能集成供液系统是集泵站、电磁卸载自动控制、泵站智能控制、变频控制、乳化液自动配比、系统运行状态记录与上传于一体的自动化设备，同时也是一套完整的综采工作面供液系统解决方案。

2.4.2 远距离供液系统

随着采掘设备机械化程度的提升，显著增大了工作面液压系统对乳化液的需求，导致乳化液泵站功率越来越大，出口压力不断提高，而变频器、自动配比装置在乳化液泵站的广泛应用，使工作面的供液能力得到加强，也导致设备对巷道空间的占用面大幅增加[3]。目前多数工作面的供液设备均安放在顺槽皮带机头处，占用空间大，导致人、物通过不畅和设备列车移动不便，降低了回采速度[5]。为了消除以上缺陷，提高煤矿的生产效率和资源回收率，充分利用现有的先进设备，提出了远距离供液的方式。将泵站从变电列车移出，在工作面顺槽以外或者轨道大巷单独设置一个固定泵站，采用远距离钢管管路供液，即可减少变电列车数量，又可以降低检修工的检修工作量，同时消除变电列车外移所造成的安全隐患。

智能集成供液系统包括钢管、连接器、合流器、安全阀、万向弯头、截止阀、分流器等结构，将乳化液泵高压介质输送至工作面，并通过分流器接入工作面液压胶管。

1）管路。选用27SiMn 钢管，实现了公称40 MPa 长距离供液的稳定性，其最大实验压力高达70 MPa，安全系数可达4 倍以上，管道设计寿命可达10 a。27SiMn 钢管可以在不同采区工作面多次安装拆卸使用（特别针对本矿以后所有工作面的重复使用，节省巨大成本），年综合使用成本比高压橡胶管和法兰便宜耐用，而且正常生产中不会划伤或泄漏，提高了安全生产性能。

2）连接器。沟槽式管路连接系统是压力响应式密封系统，密封圈套入两连接钢管的端部，两片卡件包裹密封圈承受密封圈传递的压力，卡口钢管沟槽，上紧两圆头椭圆径螺栓，实现钢管的密封连接。外壳抗腐蚀50 a，可以重复拆卸，是法兰安装的1/10 的时间，无焊接。

3）密封。密封圈设计为压力响应式结构，密封面直径基于钢管外径。介质压力越大，密封越紧密。密封材料采用进口橡胶原料并添加碳纤维以保证各项指标均满足性能要求。

4）管路固定安装方式。整条管路采用固定支撑，管路在不长于8 m 时每条管路的近管端设置吊装工具进行吊装支撑；管路8～12 m 时，管路中间位置设置吊装进行支撑。管路每200 m 安装进回液高压闸阀，安全阀总成安装在乳化液泵站端钢管连接处，压力表总成安装在支架端钢管连接处，过滤器安装在进回液支架前端确保进支架乳化液的纯度，根据管路系统整体走向确定使用定制弯头进行连接。管道每200 m 设有专用截止阀（沟槽式闸阀）、安全阀及耐震压力表；安全阀和压力表通过沟槽式三通联接；管路转弯处需经长半径小角度弯头或万向弯头过渡，以适应高压管路的需要；管卡或接头处可选用可视保护罩进行安全保护；量身设计蓄能器确保管路使用压力正常，同时在进液管路中每300 m 设置一个三通接头方便沿路系统中用液变向使用。

2.4.3 主要功能

1）电磁卸荷恒压供液控制

各泵站均具有液控及电控双控卸荷阀，可实现泵站空载启动及空载停机功能，解决了泵站启动瞬间电机电流过大对电网冲击的问题，实现了空载启动、空载停泵过程与高压系统隔离，避免高压系统的震动。

2）在线监测和故障诊断功能

设有泵站润滑油油温、油位、泵站出口压力等传感器，实现主要设备的状态监测、预警与保护功能。控制系统具有防吸空保护功能，通过液位传感器监测液箱和水箱的液位值，当达到预警值时在主机画面中提示报警，当达到警戒值时停机保护。泵体上配备必要的监测仪表和监控装置，如压力表、矿用本质安全型变送接线盒等，用于采集温度、液位、水位等传感器数据。

3）乳化液泵站的主泵变频控制

将乳化液泵站变频控制与电磁卸载结合，充分发挥变频控制和电磁卸载的优势，提高泵的有效利用率，降低不必要的功率损耗和磨损，实现节能高效，实现泵站变频与电磁卸载智能联动控制技术，避免了普通泵站变频控制技术存在的低速重载、运动部件磨损剧烈等问题；泵站变频与电磁卸载智能联动控制技术，提高了泵站的响应速度，能够根据工作面要求实现快速恒压供液。

3 工作面智能化系统应用情况

王坡煤矿3308 综采工作面智能化系统改造完成并联合试运转以来，工作面采煤设备全部实现了远程集中控制、采煤机记忆割煤采煤、三机智能监控、液压支架自动跟机放煤和远程“一键启停”等功能。通过智能成套装备改造，增配了采煤机、刮板输送机、液压支架等相应的传感器并将数据上传到顺槽监控中心与地面调度指挥中心，实现对设备运行状况和健康状况的实时监测，及时对有故障隐患设备进行检修与处理，降低维修时长和费用。相较于智能化改造前，每班下井人数减少为17 人，每班下井人数降低22.7%，人均生产效率提高31.1%。每天减少人员数量10 人，按照目前人均劳动成本15万/年计算，年节约人工费用150 万元。

4 结语

基于3308 综采工作面现有设备情况，对其智能化控制系统改造进行了方案设计，主要得到以下结果：

1）对工作面现有采煤机、转载机、破碎机、刮板输送机和液压支架电控系统进行了改造设计，并给出了具体改造明细，实现了工作面采煤设备远程集中控制、采煤机记忆割煤采煤、三机智能监控、液压支架自动跟机放煤和远程“一键启停”等功能。

2）现场应用情况表明：3308 综采工作面智能成套装备改造完成并投入运行后，降低了设备维修时长和费用，工作面用人数量降低22.7%，人均生产效率提高31.1%，年节约人工费用150 万元，达到了减人提效的目的。