大采高智能化综采技术探索与实践

暴 晶

（山西霍尔辛赫煤业有限责任公司，山西 长治 046600）

当前煤矿开采安全问题受到大众关注，将煤矿作业人员从采煤一线提升到顺槽或工作面端头等相对安全位置，是保证工作面人员安全的唯一途径。煤矿综采工作面采煤工艺环节复杂、设备数量众多，因此建设自动化综采工作面，要整体考虑综采工作面各个部件，将采煤机、液压支架、运输系统、供电系统、供液系统等单机设备统一管控、协同调度，将综采工作面采煤装备看成是一个大机器，每个单机设备都是这个大机器的一个可控部件，通过为这个大机器配套集控中心，实现对工作面各个采煤部件的统一管控，实现煤矿开采的智能化。以霍尔辛赫煤业3105 大采高综采工作面为研究对象，对其智能化综采技术进行了探索和实践[1-2]。

1 工程概况

霍尔辛赫煤业位于山西省长治市长子县丹朱镇，井田面积71.39 km2，设计生产能力为4.0 Mt/a，主要开采3 号煤层，资源储量537.34 Mt，可采储量235.34 Mt。

辛赫煤业3105 大采高工作面主要开采3 号煤层，煤层厚度为5.0～5.9 m，平均煤厚5.6 m，煤层倾角为0～8°53′，平均倾角5°，工作面净长度280 m。3105 工作面采用“两进一回”、“进风顺槽沿空留巷”、“Y 型”通风，即工作面布置有一条胶带进风顺槽（3105 沿空留巷巷道）、一条辅助进风巷 （3105 沿空留巷回风巷）、一条回风顺槽。工作面采用6 m 一次性采全高工艺。根据集团的要求，该矿将3105 大采高工作面建设成为大采高智能化综采工作面。

2 智能化综采工作面的设计思路

2.1 设计目标

采用适用于大采高智能化综采工作面自动化的集中控制系统成套装备，实现对综采工作面综采设备可靠、实时的监测和自动控制，将煤矿的采煤工作方式革新为计算机集中监测控制结合机械化的自动化采煤工作方式，为煤矿高产、高效、安全、绿色开采提供基础，实现“远程自动化采煤，就地巡视手动干预”的目标。

项目实现综采工作面自动化开采，将整个综采工作面的操作人员减少至5 人，顺槽集控中心操作人员1 人，采煤机巡检人员1 人，顺槽运输系统巡检员1 人，工作面机头巡检员1 人，工作面机尾巡检员1 人，最终实现减员提效，实现安全、高效生产。

辛赫煤业作为集团首个智能综采工作面试点，希望起到引领先锋的示范作用，为集团其他矿井建设智能综采工作面提供经验与实践资料。

2.2 装备配套情况

采煤机MG750/1815-GWD，1 台；刮板输送机SGZ-1000/2×1200/280，1 台；转 载 机SZZ-1200/700，1 台；破碎机PLM3500，1 台；自移机尾12PZY2700，1 台；智能化系统，1 套；负荷中心KBSGZY-2500/10/3，3 套；智能乳化液泵站BRW400/31.5X，1 套；智能喷雾泵站BPW500/16，1 套；组合开关QJZ-2000/1140-8，2 个；支架电液控SAC，1 套；喷雾泵BPW500/16，3 套；移动变电站KBSGZY-1250，2 套；矿用隔爆兼本质安全型变频调速装置ZJT-500/1140，3 套；矿用液压自移无轨设备列车MZC20，31 套；顺槽集控中心（三机协同控制中心），1 套 ；综采移动管理平台一体化软件，1 套；工作面视频监控，1 套；综采供配电系统集中控制监测，1 套。

3 智能化综采工作面系统实现及关键技术

3.1 自动化顺槽集中控制系统

综采工作面集中控制系统对煤矿各子系统进行整合并协调联动控制。3105 智能化工作面集控操作中心配置如图1，主要有：（1）配置3 台KJC127型矿用隔爆兼本安型服务器作为工作面集控系统上位机；其中2 台用于处理自动化设备数据及自动化采煤工艺，1 台用于处理视频监控系统数据。（2）配置2 台KXJ127 型矿用隔爆型PLC 控制箱，作为顺槽集控中心控制逻辑运算单元。（3）配置2 台TH24 型本安操作台，实现顺槽远程对采煤机和液压支架的远程控制。（4）配置2 台KJJ127 隔爆兼本安型网络交换机，作为集控中心设备之间以及井下与地面之间网络数据交换。（5）配置6 台PH12矿用本质安全型显示屏。

图1 集控中心内部设备配置图

3.2 综采工作面视频监控系统

综采工作面无线视频监控系统由KBA12C 矿用本安型除尘摄像仪、快速插拔电缆组成，如图2。在综采工作面顺槽内的设备列车上安放一套集中监控平台，可实现工作面可视系统的视频图像的井下实时显示。视频系统的工作面摄像头具有防尘的功能。当采煤机到达对应的可视系统单元时，可视功能开启，达到清晰流畅的视频效果。当安装有视频软件的电脑通过MODBUS 协议接收到采煤机的位置会自动跟随采煤机切换摄像仪监控画面。

图2 视频监控系统图

3.3 供配电系统集中控制监测系统

综采工作面集控系统PLC 与各个供配电设备通过RJ45 或者RS485 总线进行通讯，实现对各个供配电设备的远程分合闸、状态监测、故障告警、健康预判，为工作面自动化采煤提供动力保障。

3.4 泵站自动化集中控制系统

自动管控泵站控制流程：本系统按照操作权限由低到高有一键智能启停、手动远程启停、就地启停三种操作方式。

一键智能启停：将主控分站“自动、远程、就地”选择开关打到自动档位，按“一键启动”按钮，主控分站向磁力启动器发送指令启动1#主泵。主控分站根据当前系统压力自动判断并调整泵站工作频率。当主控分站检测到当前压力需求达到2#泵站的启动需求，主控分站向组合开关发送指令启动2#泵站，同时根据当前系统压力自动判断并调整1#泵站工作频率。按“一键停机”按钮，主控分站自动停泵，停泵顺序为先停备用泵，再停主泵。

手动远程启停：将主控分站“自动、远程、就地”选择开关打到远程档位，可分别按“1#启动”“1#停机”“2#启动”“2#停机”。

就地启停：就地启停是指远程I/O 分站的启动、停机、急停闭锁按钮操作，就地启停操作权限高于自动启停和远程手动启停。就地启停可在任意时间进行操作控制。

3.5 地面调度数据上传及视频监控存储

（1）支架电液控制系统本身信息及其他综采设备信息通过以太网实现井上下数据传输，系统信息上传到地面，并在井下和井上计算机上同时显示；自动化系统采用标准的OPC 协议对接入矿井自动化系统。

（2）顺槽控制中心实现与三机控制系统通信，获取三机控制系统数据。

（3）顺槽控制中心实现与负荷中心通信，获取负荷中心数据，包括各个回路运行状态、电流、电压以及漏电、断相、过载等故障状态。

（4）顺槽控制中心实现与泵站控制系统通讯，对泵站相关信息进行集中显示。

（5）顺槽控制中心能够将工作面设备工作状态、运行参数等上传到地面调度室。

（6）通过在地面配套1 套高性能服务器，一台实现远程监控工作面设备数据及远程权限操作，一台实现视频监控数据存储及实时查看，一台实现数据备份。

（7）通过在地面配套一台NVR，实现工作面视频图像数据存储、实时监控，NVR 具备HDMI和VGA 信号输出，可接入大屏控制器，实现工作面视频画面上墙。

3.6 工作面无线5G 通信系统

综采面无线网络系统主要由：核心基站KT319-F3、矿用本安型手机KT319-S1 和KZC24 矿用本安型信号转换器等组成。该方案主要覆盖综采采煤工作面区域、皮带巷、材料巷区域。

（1）在设备列车上安装一台KJJ127 型矿用核心交换机，核心交换机与顺槽集控中心天玛电液交换机通过网线对接，实现网络互通。

（2） 在 工 作 面 端 头、 端 尾 各 安 装 一 台KT319-F3（RRU）基站，机头基站，天线1 个朝向皮带巷，1 个朝向机尾方向；机尾台基站天线1 个朝向机头方向，1 个朝向设备列车。通过阻燃光缆级联到顺槽核心交换机，实现综采工作面无线通讯网络覆盖，负责接收工作面内采煤机机身视频、除尘摄像仪视频、三机监测装置数据、采煤机数据。

3.7 顺槽皮带保护控制系统

在皮带机头安装一台控制器用于控制和信息采集，沿线实现运输皮带的控制、通话、拉线急停闭锁、就地启停和胶带机跑偏、堆煤、烟雾、温度、速度、撕裂、超温洒水等保护功能。在运输皮带机尾安装一台智能电话，除撕裂、机尾跑偏和中驱跑偏外各种保护均放在皮带机头，沿线按照100 m 一个双向拉绳开关，100 m 一个通话点铺设。皮带的各种保护示意图如图3。

图3 皮带的各种保护示意图

4 实施效果分析

4.1 减员增效效果明显

霍尔辛赫煤业3105 工作面实施大采高智能化综采技术后，工作面减员增效效果显著，对比以往传统开采技术，整个工作面单班作业操作人员由15人减少至5 人，每年可节约人工成本约750 万元/面。

4.2 生产效率大大提高

智能化综采技术应用后，3105 工作面的生产过程主要以设备自主感知运行和智能控制为主，开采过程自动化程度高，开采工序大幅度减少，工作人员劳动强度大大降低，生产效率大幅度提高。3105工作面回采工效达227 t/工，对比以往生产效率提高了20%左右。

4.3 生产的安全性大幅度提高

3105 工作面实施大采高智能化综采技术后，工作面实现了少人、无人开采的路子，工作人员的工作环境得到了改善，劳动强度大幅度降低，有效地实现了煤矿的自动化、智能化开采，为其他矿井建设智能综采工作面提供经验与实践资料。