一次采全高综采工作面的智能化集控系统技术研究

摘要：智能化工作面的集控系统是实现自动化开采核心，用于综合监测设备的运行状态、根据设备的运行状态进行综合控制和综合预警、报警。若该系统不能安全、稳定地运行，自动化开采就无从谈起。因此智能化集控系统的结构和硬件构成是能否实现工作面自动化基础保障。同时对任何一个子系统的安全稳定的监控，也是实现工作面智能化集控的关键一环。山西华宁焦煤公司通过对现有的设备进行智能化改造，建成了集团内首个6.3米大采高智能化工作面，达到了设备就地、集中、远程三级网络管理，大大降低作业人员劳动强度，减少了现场作业人员数量，提高了作业安全性和工作效率。

关键词：智能化；智能化集控系统

一、引言

煤炭是我国主体能源，2021年煤炭产量41.3亿吨。综采作业是煤矿井下最重要、最危险的前端生产环节。“目前，全国智能化采掘工作面已建成687个，其中采煤工作面431个，掘进工作面256个；并且已有26种煤矿机器人在煤矿现场实现了应用。这一年，通过智能化建设提高产能达1亿吨以上，为煤炭安全保供提供了有力支撑。”国家矿山安全监察局在2021年煤矿智能化重大进展发布会上介绍了全国煤矿智能化建设的成效。

在此背景下，华宁公司准确把握发展方向，紧跟信息时代发展步伐，推进煤矿智能化发展进程，对智能化开采技术方案进行了整体配套研究，统一了设备的传输通信协议和技术标准，解决了各种设备之间的信息孤岛和信息壁垒，建成了集团内首个大采高一次采全高智能化采煤工作面，实现了对煤炭生产“人、机、环、管”的全面监控。

二、概述

一次采全高智能化综采工作面生产过程以现场无人操作为目标，实施的技术主要难点在于需要利用远程终端集中化全流程的监测监控生产全过程，这是集视频、有线通信、无线通信、自动化、红外线、系统集成、数据处理等多种技术的综合应用。通过视频可视化技术、远程实时控制技术、数据自动推送技术等，实现在地面或顺槽监控中心对综采工作面设备的远程监控。通过综采工作面综合控制系统软件将电液控制系统监控软件、集成供液系统监控软件、三机集中控制监控软件、视频管理软件、数据通信软件、工业以太网等集成到统一平台下。它运行在多台计算机平台上，实现分布式集成控制，完成综采工作面设备，包括支架、采煤机、胶带机、刮板机、转载机、破碎机、泵站的集中监测和控制。

三、系统设计

通过对工作面现有的设备进行智能化改造，液压支架升级改造为电液控制，并增加智能化设备：井下顺槽集控中心、地面分控中心、工作面自动跟机视频监控系统、视频分析预警系统、支架采高监测、支架状态预警系统、工作面人员定位、泵站控制系统、三机监测系统、数据云端服务、手机App、皮带机尾自移、转载自移等；智能化系统集成各设备数据，需要各子系统设备本身有接入智能化系统接口或升级改造后有接入智能化系统接口。

以下接入智能化系统的设备，通过升级后具备接入智能化系统内：智能供液系统、采煤机子系统、三机语音控制子系统、组合开关系统、移变系统、顺槽皮带系统、动力部监测系统、工作面环境监测系统等设备的升级改造。

以液压支架控制器为基础，建立从工作面到地面调度室的专用通讯数据传输线路，以电液控制系统，采煤机控制系统，三机语音及皮带保护控制系统，泵站控制系统为基础，以工作面人员识别系统，工作面视频系统，视频分析预警系统，安全监测系统为保障，以工作面数据处理为依据，控平台建设成以井下集控，地面远控，系统智能控制为目标，实现具备自动感知，自动分析，智能控制的，安全、高效、节能、少人化的智能综采工作面。

（一）割煤系统

煤机装机总功率2300kW、截割功率2×900kW、截割滚筒直径3200mm、截深865mm、最大生产能力5000t/h。具有智能截割功能，可实现智能斜切进刀、截割三角煤、中部割煤等工艺动作；具有速度调节、采高定位、位置定位、姿态定位功能，可在显示窗中、遥控器上显示采高、位置，同时可传输到顺槽和地面集控中心；系统具有可配置生产工艺的记忆截割功能，对不同工况的工作面所需的工艺均可满足，可在本地和远程终端实现学习记忆、学习修正、自动操作；当采煤机设置在自动记忆截割模式下，可进行人工干预各项预定操作，并且人工干预的优先级最高，保证特殊情况的安全性。

（二）支架电液控系统

液压支架结构高度3100mm～6300mm、宽度2050mm、工作阻力18000kN；运输巷超前支架选用国内先进的ZQH2×3400/24/34型巷道超前支護装置，支撑高度3.4m～4.8m，支架宽度4.8m，工作阻力2×3400kN，操作方式采用遥控电液控制。支架采用主副两架框架交错式结构，相互推拉，稳定性好，能实现自移行走动作，一个岗位工通过遥控操作便可完成4组超前支架的自移，减轻工人的劳动强度，提高安全性。较以往使用的迈步自移式超前支架该型超前支护装置反复支撑对顶板的破坏较小。

回风巷超前支架选用ZQ24000/25/50WD型超前支架，支撑高度2.5m～5.0m，支架宽度4.5m，工作阻力24000kN，支架采用整体顶梁、整体底座的结构形式；支架前方设置挑梁；两侧设置护壁装置，可旋转90°；顶梁可以左右旋转以适应顶板变化。该型支架操作简单、工作阻力大，能适应压力较大的巷道。

（三）运输系统

顺槽皮带机选用DSJ140/250/2×450可伸缩带式输送机，运输能力2500t/h；带宽1400mm；带速4m/s;总装机功率2×450，电机采用变频交流电动机，电频器采用国内技术先进由中信重工唐山开城生产的四象限变频器，有效的解决皮带下运时电机能量反馈造成的过电压故障，保证了运输系统的安全平稳可靠。

（四）智能供液系统

智能供液系统由水处理设备、乳化液泵站、喷雾泵站、供回液管路和控制系统组成，采用远距离供液。系统配置有智能高压反冲洗过滤装置、回液反冲洗过滤装置和净水反渗透处理装置，保证进入液压系统的水质为高纯水；乳化液泵站选用国内最大流量的BRW630/37.5型乳化液泵站，四泵两箱，公称流量630L/min，公称压力37.5MPa，功率450kW；喷雾泵站选用BPW516/16型喷雾泵，三泵两箱，公称流量516L/min，公称压力16MPa，功率160kW。供液系统可实现手动、自动和远程控制三种操作模式；具有乳化液浓度自动配比和循环在线监测功能，具有设备运行状态、设备运行时长、运行设备的油位及温度、乳化液泵供液压力、乳化液箱液位、水位显示、曲轴润滑泵压力检测预警保护功能；具有自动投切和自动启动就绪泵站功能，自动启停功能；实现了泵站无人值守。

（五）工作面集控系统

井下集控中心配备SAM型综采自动化控制系统、SAS型采煤机控制系统、SAV型视频跟机系统，在采煤工作面单机设备自动化的基础上，采用千兆工业以太网、串口通信、PLC控制等技术，实现了顺槽集控中心對液压支架、采煤机、刮板输送机、转载机、破碎机、顺槽胶带机、泵站、开关等设备的远程操控。

地面调度指挥中心配备自动化控制系统、视频跟机系统、支架操作台、采煤机操作台，实现了在地面对井下设备的一键启停、视频监视、远程控制功能。

四、系统关键技术

1.工作面人员精准定位。工作面人员精准定位系统具有工作面“人—机—环”闭锁联动功能，能准确地根据不同工种人员在工作面的具体位置和设备的安全距离有效地对设备进行闭锁。

2.皮带机尾自移。机尾自移是综采工作面运输系统的重要组成环节，主要完成在工作面推进过程中实现顺槽转载机与带式输送机尾的快速推移和正确搭接；接受从转载机来的物料，并转入皮带系统，保证顺槽转载的通畅和衔接。主要由头端架、中间基架、尾端架、小车、浮动托辊组、滚筒润滑装置、液控系统等组成。立缸1-4安装与中间基架上，主要完成中间基架的水平调整，水平缸1和2分别安装于头端架和尾端架上，完成整个机身的水平运动和水平面内的方向调整。推移缸完成机身的前进。浮动缸完成浮动托辊组的上升和下降运动；各缸由手动换向阀完成动作控制。

同时具有以下特点：

（1）浮动托辊组能保证跨跃上下坡时与皮带机末端支架正常过渡，减少原煤外泄。

（2）调高采用大行程结构，能更好地适应顺槽底板的起伏。

（3）皮带机导入机构总能保证下回行段皮带的正确导入。

（4）与承载段完全封闭隔离的下回形段，很好地解决了传统结构中下皮带腔易存煤导致胶带损坏的问题。

3.机尾超前架遥控器操作。综采工作面机尾超前段一直是矿井安全管理的重点，顶、底板压力大，片帮、底鼓是其显著特点，在这样恶劣的环境中进行生产作业活动，员工的安全时刻面临着挑战。通过安装矿用本安型遥控发射器、配置无线遥控器后实现遥控功能，遥控距离15m，无线遥控器与发射器间使用红外无线通信技术。正常遥控操作机尾支架时，先打开无线遥控器电源开关，在完成与支架控制器连接后，通过按下遥控器的相应按键对支架控制器进行操作，遥控器显示窗口可显示支架控制器的运行状态。在安全的前提下，最大限度地保证作业人员操作的便捷和安全。

4.割三角煤工艺及自移架。整个工作面采煤机割煤过程轨迹呈现Z字形，先行采煤机割透整个工作面，然后由液压支架推行形成三角煤弯曲段，采煤机斜切进刀，然后回刀吃掉三角煤，完成完整一刀的采煤过程；液压支架跟随采煤机位置进行跟机作业，采用提前过架支撑，实现三角煤割煤过程中的超前支护，采煤机到达指定位置后等待支架动作完成信号，采煤机接收到支架完成信号后进行下一步指令，建立闭环的控制系统。

5.前部刮板运输机机尾自动张紧。刮板运输机是工作面煤炭输送的主要设备，利用刮板链条的循环运动进行煤炭的外输工作，由于刮板链比较长，弹性伸长量也较大，在使用过程中需要根据实时工况对刮板链张力进行动态调整，使刮板链一直处于最佳的工作状态。前部刮板运输机机尾自动张紧系统主要由三部分组成：伸缩结构的机尾传动部、自动张紧液压控制系统、自动张紧电气控制系统。

6.支架防碰撞。采煤机记忆切割模式运行时，通过机器视觉方式及传感器检测方式相结合，对液压支架侧护板收缩情况进行感知，液压支架侧护板距离采煤机前滚筒5架时采煤机正常速度运行、距离3架时采煤机减速50%、距离2架时采煤机停止运行。

7.煤量自动监测。通过煤量扫描仪对通过刮板输送机和转载机的煤量进行扫描，通过对采煤机采高、行走速度、截深、电流、刮板输送机电流、电压、运行速度等数据采集，实现刮板输送机实时煤量的计算，保证实时煤量计算方法的准确，实时掌握刮板输送机的煤量数据，为刮板输送机运行过程中根据煤量自动调速提供数据基础。

8.带式输送机自动张紧。带式输送机是工作面生产流程中的一个主要环节，自动张紧装置属是保证带式输送机正常工作的重要部件，可自动地对输送机张力进行实时控制满足带式输送机正常运行的要求。即改善带式输送机的起、制动性能，提高整机运行的可靠性，在不同的使用条件下，可以保证胶带具有最合理的张力。

自动测力张紧装置以张紧力作为反馈信号随时间变化设定拉力，进行比较，并随时调整张紧装置的该向滚筒的位移。如启动时会自动加大张紧力，运输时恢复恒定拉力，对延长输送带寿命十分有利。

9.采煤机倾角传感器改进。在采煤作业中，根据不同的煤层厚度，采煤机需要对摇臂角度进行调节，从而进行不同的采煤作业。借助倾角传感器，可实现对采煤机机械摇臂的角度测量，用来计算提升的高度和防止提升过高，从而避免设备发生倾翻，造成财产损失和人员伤亡。为更加安全有效地进行作业，将倾角传感器从油缸位置转移到采煤机机械摇臂，通过在采煤机机械摇臂上安装高精度的倾角传感器，能够及时准确检测机械摇臂的横滚角和俯仰角的动作信号，并通过数字方式，将监测到的摇臂角度数据，传送至操作系统，以便操作人员及时调整设备姿态。

10.安全监控智能联动。实时监测综采工作面运、回上隅角、采煤机周围瓦斯浓度，将瓦斯浓度上传至采煤机综合控制平台，控制平台根据瓦斯浓度控制采煤机的运行速度。

11.设备故障诊断功能，对系统内设备进行数据建模、存储、分析。实现基于数据驱动的故障预警诊断。如下：

（1）采煤机故障诊断：能够显示采煤机通信故障、开机率、位置错误等；

（2）液压支架故障诊断：具备智能设备故障诊断，包括程序丢失、参数错误、输入错误、输出错误、通讯错误、人机交互错误和安全操作装置故障等诊断功能。

（3）具有采煤机、刮板运输机、转载机、破碎机、胶带输送机、泵站开关状态显示，包括各个回路运行状态、电流大小、电压大小以及漏电、断相、过载等故障状态显示等。

（4）运输机故障诊断：实现设备运行数据的实时显示、报警和传输。

五、结束语

华宁公司一次采全高智能化开采设备的应用极大提高了劳动生产率，取消了夜班生产，并且实现了一周双休，原煤回采工效提升了46.4%，日工效达到145.8吨/人，实现了“少时则安”的目标。通过一次采全高智能化设备的应用，实现了在调度指挥中心、井下专用操作集控室即可实时监控、操作设备运行，进入割煤、拉架等自动化生产流程，直接减少生产环节流程及现场作业人员，实现了本质安全，达到“无人则安、少人则安”的目标。

作者单位：王保珍    山西华宁焦煤有限责任公司

参  考  文  献

[1] 张立刚.基于移动互联平台的胶带运输无人值守系统的设计[J].信息与电脑，2019.

[2] 范京道.智能化无人综采技术[M].煤炭工业出版社，2017.