马兰矿18509综采工作面智能化技术应用与探索_白海云.pdf

马兰矿 18509 综采工作面智能化技术应用与探索白海云（西山煤电集团有限责任公司马兰矿，山西太原030000）摘要：介绍马兰矿工作面地质概况，阐述智能化系统装备总体构成，对控制系统功能和设计进行研究，论述存在的问题及相应的解决办法，并探讨开采效果，以提高操作的安全可靠性，进而逐步提高综采工作面智能化水平。关键词：综采工作面智能化煤岩体识别通信系统中图分类号：TD67文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）02-0176-03118509 工作面地质概况马兰矿位于山西古交西南 15 km，井田面积104.4 km2，设计生产能力 400 万 t/年，18509 工作面现主要开采 8 号煤层。工作面切眼长度 350 m，两顺平均走向长度 1 235.5 m；运、回顺均为矩形断面，钢丝绳钢带+锚杆+金属网+锚索联合支护，运顺宽度5.2 m、高度 3 m，回顺宽度 4.8 m、高度 3 m。18509 工作面煤层平均厚度 2.65 m，煤层倾角 15，平均倾角 3，工作面伪顶为泥岩，直接顶为粉砂岩，老顶为以粗砂岩、砂砾岩、中砂岩为主的砂岩互层，底板为泥岩。老顶来压明显，工作面有三条断层，落差均在06 m，回采期间对生产造成影响。2智能化系统装备总体构成马兰矿 18509 工作面智能化系统装备主要由综采自动化控制系统（SAM）、液压支架电液控制系统（SAC）、智能集成供液系统（SAP）三大系统组成。其中，控制系统主要由综采单机设备、运顺监控中心、地面监控指挥中心三部分构成，如图 1 所示。智能化工作面将采煤机、支架、运输控制、“三机”通信、泵站等控制系统及供电系统互相融合，实现联控联动、智能化远程控制，实现综采工作面“有人巡视，无人操作；顺槽可视化控制，地面远程割煤”。2.1综采自动化控制系统综采工作面自动化控制系统由电液控制系统、远程供液控制系统、数据集成系统通过内部构建的以太网集中到统一管理平台，并在远程隔爆计算机控制系统上实现可视化操作，对综采工作面的采煤机、液压支架、泵站等设备的运行进行动态操控。地面调度指挥中心可实现对综采工作面机电设备进行一键启停和远程操控。日常生产作业时，经过安全确认后，在地面调度室按下一键启停按钮，工作面的设备按顺序依次启动，设备进行数据采集、传输至控制中心下达信号，工作面采掘设备进行破煤、装煤、运煤、移架、推溜等采煤作业工序，实现工作面的连续、安全、高效开采。2.1.1运输顺槽监控指挥中心对工作面的设备、系统、顶板、煤壁、采煤、运输、移架等所有工作情况进行监视、控制及远程操作，并通过内部以太网传输至地面调度指挥中心。2.1.2综采面视频监控每 6 架距离之间设置 1 台支架实时工作状态监控仪及 2 台工作面煤壁实时状态监控仪，把工作面情况实时传输至调度生产集中监控指挥中心实时监控。2.1.3采煤机智能化工作控制根据采煤机采高及位置的实时状态，实现智能化定位，能够根据储存的程序自动远程进行截割工作，从而实现智能化生产。2.1.4记忆截割将采煤机运行设置为示范生产状态，人工控制采煤机进行示范刀割煤，储存所有参数程序，并根据工作面的状态及采煤工艺需要及时进行配置修改。智能运行时，根据记忆的截割轨迹进行自动割煤。当煤层条件发生变化时，通过人为就地干预或远程干预。2.1.5整机检测及数据传输整机检测包括工况检测、姿态检测和故障诊断。并将生产系统的所有数据及状态实时环网传输共享，运顺监控中心和地面监控室随时可见采煤机运行状态。2.1.6远距离操作指挥与控制运顺监控中心和地面监控室控制指挥所有设备及相关系统，按照记忆工况智能化运行，在生产条件收稿日期：2022-02-25作者简介：白海云（1976），男，本科，毕业于中国矿业大学采矿工程专业，工程师，从事煤矿安全生产工作。总第 238 期2023 年第 2 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 238No.2，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.02.069图 1智能化综采工作面系统总体架构矿井环网地面调度窒可视化远程干预+地面地面井下顺槽监测专线控制专线顺槽顺槽监控中心采场（工作面内）智能化无人操作+工作面工业以太网采场摄像仪摄像仪供电系统供液系统外部运输系统内部运输系统采煤机液压支架自动化系统设计2023 年第 2 期图 2智能集成供液系统集中控制通信图图 3系统软件架构顺槽监控操作中心数据上传交换机自动化显示器光缆RS485泵站控制系统矿用隔爆兼本质安全型主控操作台组合开关监控主机（采煤机，“三机”，（泵站）（自动化）泵站）双向控制RS232闭锁泵站泵站控制节点数据可视化实时数据库数据模型控制分析实时数据同步服务实时数据存取服务历史数据记录服务历史数据同步服务企业级据库地面服务器SQLserver井下综采工作面监控计算机数据可视化工业数据库WPF、Silwerlight 技术、USD技术实时数据库数据模型控制分析支架采煤机记忆截割实时数据同步服务实时数据存取服务历史数据记录服务历史数据同步服务驱动驱动驱动ModbusOpcSQLserverSQLite变化时，控制人员及时进行控制调整，确保安全生产。2.1.7采高定位采高传感器实时感知摇臂的高度摆动的位置，倾角传感器实时监测工作面的倾角及俯仰采角度，采煤机自动调高系统的信息反馈回主控器，通过数学模型准确计算出摇臂的实时高度，进行定位。2.1.8支架智能化工作与远距离控制单套支架、所有支架间安设智能化控制系统，按照储存的相应控制程序，实现工作面支架的降、移、升、推溜、喷雾及与采煤机工作状态适配的智能化生产运行控制。2.1.9采煤工作面“一键”启停及顺序联动集成控制系统设置为“全自动化”工作模式，泵站，运顺皮带，工作面所有的采、运、支架相关设备，严格按设定的设备工作程序智能化控制启动，实现“一键”启停式智能化生产，遇到紧急情况时，按下工作面“急停”按钮，工作面所有设备停机。2.2液压支架电液控制系统SAC 型液压支架电液控制系统实现了对液压支架的程序化和自动化控制。控制系统能够实现单架控制、成组控制、跟机自动化控制、闭锁及紧急停止、故障显示及报警、自动补压、带压移架、矿压监测、工作面数据集成及上传、顺槽及地面监测、数据分析及信息发布等功能。每组液压支架配置一套支架控制单元，包括支架控制器、电磁驱动器、电液控换向阀、监测支架顶板压力的立柱压力传感器、监测采煤机运行位置及方向的红外线接收器。在采煤机上安装红外线发送器，发射数字信号，每组支架上安装 1 个红外线接收器，接收红外线发射器发射的数字信号，监测煤机的位置和方向信息，通过自动化控制软件实现液压支架跟随采煤机自动控制。护帮板跟机自动收回伸出，跟机自动移架、推溜控制功能，跟机喷雾控制功能，从而实现液压支架动作与采煤机运行位置动态耦合。2.3智能集成供液系统此系统实现原水三级过滤、乳化液浓度自动配比和实时监测、自动加水，对泵站出口压力、泵站油温、油位状态、泵站电磁阀动作情况、液相液位、乳化液油箱油位自动检测。泵站单启停控制，也可多台泵站联动控制，具备数据传输功能，实现与综采自动化的双向通信。智能集成供液系统集中控制通信图见图 2。3控制系统综采工作面综合控制系统软件是将电液控制系统主控计算机软件、集成供液系统主控计算机软件、顺槽集中控制主控计算机软件、工业以太网网管软件、视频管理软件、数据集成软件、数据通信软件等集成到统一平台下的系统软件。它运行在多台隔爆计算机硬件平台上，实现分布式集成控制系统，完成综采工作面的综采设备，包括支架、采煤机、刮板机、转载机、破碎机、皮带、泵站等设备的集中监测和控制。3.1系统软件架构设计如图 3 所示，综采工作面综合控制系统软件主要包括驱动层、实时数据层、数据可视化层。通过灵活部署实现多台服务器、主机协同工作，实现分布式集中控制方式。3.2通信设计综采工作面综合控制系统软件建立了统一的数据采集、控制接口，实现了第三方设备的灵活接入。它抽象了通信链路层和协议解析层，从各种通信链路上获得通信数据，从而实现了各类综采设备的远程监控。4问题显露及其解决办法18509 智能化工作面在安装调试和生产过程中也显露出若干问题，给现场安全生产带来不利影响。经工程技术人员不懈努力，解决了系统存在的问题。1）双向语音通信问题。智能化通信系统不能实现地面调度室控制台和运顺皮带头至运输机尾沿线双向通信功能，不能保障沿线作业人员与地面调度室控制台操作员实时通话，存在安全隐患。通过引入 VOIP白海云：马兰矿 18509 综采工作面智能化技术应用与探索177机械管理开发第 38 卷语音通信系统并入工作面 KCT101 通信控制主机环网，实现了井下工作面沿线和控制中心与地面调度室操作员的双向通信。2）液压支架自动推溜问题。本工作面开切眼 224组 ZY6800/15/35 液压支架，因为工作面开切眼距离长、变电列车和泵站离开切眼远，导致供液末端管路和电磁阀供电电路压降过大（127 V），液压支架推移缸推不动和电磁阀不动作，实现不了智能化控制，通过采取工作面开切眼分段供液和供电，解决了技术难题，实现了自动推溜。3）智能化综采工作面煤岩识别系统还不成熟，通过人工干预，解决了在工作面顶板出现变化时，不能及时自动调节采煤机滚筒高度及速度，记忆割煤难以适应复杂地质煤层的难题。4）运输机窜动时，监控系统失效。通过人工干预调整，解决了在出现运输机上下窜动现象时，监控系统失效的难题。5）生产环境可视化清晰度不高。通过采用清晰度更高、实时性更好的云台摄像仪，解决了在井下生产时产生的煤尘严重影响视频图像采集的难题。6）偶而数据失准。通过加强维修检查，增加防护外套等措施，解决了在面对复杂环境时工作面数量众多的监控探头、通信传感器、红外监测等高精度设备适应性较差，偶尔会出现数据失准的难题。7）工作面端头斜切进刀由人工干预转为智能操作。综采工作面端头存在采煤机端头截割负载不平衡问题，降低了采煤机端头截割运行的可靠性，采煤机端头记忆截割时工况恶劣，煤岩界面变化可能较为剧烈，必要时需要人工干预后进行拉架推移运输机。所以端头截割负载出现不平衡情况时需要对记忆的参数进行调节。通过重新设计采煤机端头记忆截割系统的总体架构，将采煤机端头记忆截割系统划分为采煤机端头记忆截割系统、正常中间段记忆截割系统两大部分，重新进行整个端部进刀系统软件设计，采用端部斜切进刀方式割三角煤、采煤机双向割煤工艺，重新设定机尾跟机阶段的跟机、移架、推溜，采煤机后推出缓段的扫刀三次，行走阶段的往机头行走、补充移架，采煤机继续行走的全程推溜、运输机推直准备第二次进刀，采煤机向机尾进刀、行走、跟机移架到结束，采煤机继续往机尾进刀、补充移架，采煤机完成扫三次刀后机尾做头完毕，由机尾向机头进刀，机头跟机、移架、推溜、前后打伸缩梁护帮板等 8 个阶段的工艺参数，从而实现工作面端头斜切进刀由人工干预转为智能操作。5开采效果马兰矿 18509 智能化工作面自 2019 年 5 月份开采以来，累计已生产商品煤 94.1 万 t，实现了生产过程可视远程干预与就地控制功能，采煤生产过程由地面调度室操作员控制，实现了液压支架自动跟机、自动推溜、记忆割煤、自动割三角煤、三机和智能供液系统监测监控，所有工作以智能化监测操控为主，以人工干预操作为辅，实现了安全生产、高效生产。操作人员通过地面远程操控，自动化程度高，提高了安全系数，工作面实现了无人跟机作业，2 人巡视，现场操作减少了 9 人，达到了“少人则安、无人则安”的目标。智能化采煤将员工从操作工变成巡视工，降低了劳动强度，改善了作业环境，降低了职业病危害程度，践行了“以人为本、安全发展”的理念。6结语马兰矿 18509 智能化采煤工作面成功开采，实现了在地面与顺槽综合监控中心对综采设备的智能监测与集中控制，达到了“少人则安、无人则安”目标，获得了省内同行的高度评价。实践发现工作面运输机尚未实现工作面自动调直；采煤机煤岩识别技术还不成熟；SAP 集中供液系统乳化液泵站补水水质监控技术还不能