小青矿  李东来  李伟国  史延彬  高  明  

摘 要：以采煤机记忆截割、支架自动跟机及远程监控为基础，以生产系统智能化控制软件为核心，应用“以工作面自动控制为主，远程干预控制为辅”的自动化生产模式，实现“智能化作业，有人巡视”，实现了减人提效、安全高效开采的目标。

关键词：综采   智能化  减人提效   

前言

近年来随着综采自动化开采技术在全国煤炭行业推广应用，综采自动化开采技术已在国内中厚煤层条件下趋于成熟。同时随着国家“机械化换人、自动化减人”的科技强安专项的发布，提高煤矿本质安全水平促进煤矿安全发展的必由之路，也是推进煤矿工业转型发展的根本出路。小青矿在全国首家引进使用德国全自动薄煤层刨煤机生产设备，实现薄煤层工作面全自动化生产的技术基础上，本着“少人则安、无人则安”的理念，对中厚煤层综采工作面智能化开采技术进行了有益的研究与探索。

1  N₂407工作面地质概况

小青矿N2407工作面长330m，两顺平均走向长度1235.5m，煤层平均厚度2.65m，煤层倾角1°～5°，平均倾角3°，工作面煤炭工业储量192万吨。伪顶为泥岩，直接顶为粉砂岩，老顶以粗砂岩、砂砾岩、中砂岩为主的砂岩互层，底板为泥岩。

工作面老顶来压明显，工作面有三条中部断层FWN9断层、FWN10断层、FWN11断层，落差均在0～6m，回采期间对生产造成影响。

N2407工作面运、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5.2m，高度3m，回顺宽度4.8m，高度3m。

2  N₂407工作面智能化总体构成

小青煤矿N2-407智能化工作面主要由SAM —综采自动化控制系统；SAC—液压支架电液控制系统；SAP—智能集成供液系统三大系统组成。实现了综采工作面“有人巡视，无人操作；顺槽可视化控制，地面远程割煤”。该系统将采煤机、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，控制系统主要综采单机设备、运顺监控中心、地面三部分构成。如图1。

图1  总体构成

2.1 SAM —综采自动化控制系统

综采工作面综合控制系统软件是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（支架、采煤机、刮板机、转载机、破碎机、皮带、泵站）的集中监测和控制。该系统具有在地面调度指挥中心对综采工作面设备的监测及一键启停控制和远程干预操作功能，实现对综采设备的智能监测与集中控制。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，设备数据高速上传和控制信号实时下达，自动完成工作面内的破煤、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。

2.1.2  调度生产集中监控指挥中心

综采工作面所有的设备、系统运行状态、生产状态、安全状态，通过环网与实时传输到调度生产集中监控指挥中心，弄成拟态实景，由专职工作人员进行控制指挥生产。

自动化工作面集成控制系统总体方案如图2；工作面自动化控制网络系统图如图3。

图 2 自动化工作面集成控制系统总体方案

2.1.3  N₂407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，使工作面情况实时传输至调度生产集中监控指挥中心，实现实时监控。

2.1.4采煤机智能化工作控制

   根据采煤机的采高实时状态及位置实时状态，实现智能化定位，能够在远程根据储存的程序自动进行截割工作，从而实现智能化生产，采煤机远控见图5。

图5  采煤机智能远控

2.1.5 记忆截割

将采煤机运行设置在示范生产状态下，人工控制采煤机进行示范刀割煤，将所有参数程序进行储存，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。

2.1.6整机检测

整机检测包括工况检测、姿态检测和故障诊断。

2.1.7数据传输

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。

图6 采煤机数据传输示意图

2.1.8 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，在生产条件变化时，控制人员及时进行控制调整，确保安全生产。

图7 采煤机远程控制示意图

2.1.9 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。

图8 采高监测传感器

2.1.10 采煤机实时位置确定

通过传感器把采煤机的实时位置数据，输入到建立的数学模型，精确的对采煤机进行位置定位。

2.1.11支架智能化工作与远距离控制

图9  支架控制图

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。

2.1.12 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。

图10 操作台一键启停

2.2 SAC—液压支架电液控制系统

SAC型液压支架电液控制系统是集工作面控制系统、过滤系统及工作面数据集成及上传系统为一体的对液压支架实施多功能、高效率、自动化控制的成套设备，是一个多层次多计算机集成的网络控制系统，系统的规模和配置有灵活的可选择性和可扩展性，监控功能具有较强的适应性和可延伸性。具有全中文显示，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、推移千斤顶行程传感器、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。系统具有邻架单动作控制功能、隔架控制、自动移架控制，按照控制程序，实现支架的降、移、升动作的自动控制；实现成组自动移架控制和成组推溜控制；具有成组喷雾控制功能。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和伸出，跟机自动移架和自动推溜控制功能，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的动态耦合。

图11  SAC—液压支架电液控制系统

2.3  SAP—智能集成供液系统

智能集成供液系统实现原水的三级过滤、乳化液浓度自动配比和实时监测、自动加水和乳化液，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、乳化液油箱油位检测功能。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。

图12    SAP—智能集成供液系统

3  控制系统

综采工作面综合控制系统软件（LongwallMind）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

图14 系统软件架构

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  通讯设计

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。它抽象了通讯链路层和协议解析层，从各种通讯链路上获得通讯数据，从而实现了各类综采设备的远程监控。

4 应用中存在的问题及解决办法

N2-407智能化工作面在安装调试和生产过程中存在一定的问题，给现场安全生产带来不利，通过矿技术攻关小组的不懈努力，解决了系统存在的问题。

4.1 不能双向语音通讯问题

智能化通讯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讯功能，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，通过矿技术攻关小组人员努力，引入了VOIP语音通讯系统并入工作面KCT101通讯控制主机环网，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讯。

4.2  液压支架不能自动推溜问题

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（127V），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。

4.3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的地质煤层的难题。

4.4运输机窜动时，监控系统失效

通过人工干预调整，解决了在运输机上下窜动现象时，监控系统失效的难题。

4.5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的采集的难题。

4.6偶而数据失准

通过加强维修检查，增加防护外套等措施，解决了工作面数量众多的监控探头、通讯传感器、红外监测等高精度设备，在面对复杂环境时，适应性较差，偶尔会出现数据失准的难题。

4.7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的软件设计，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 综采工作面智能化采煤效果

小青煤矿N2-407智能化工作面自2019年3月份开采以来，累计已生产商品煤94.1万吨，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，所有工作智能化监测操控为主,人工干预操作作为辅助手段，实现了安全生产、高效生产。

实现了减人提效、安全生产。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。

打造了智能化人才队伍。作业人员刻苦钻研业务，强化岗位技能训练，掌握多个专业知识，学习智能化技术，培育出了复合型、智能化的人才队伍。

提升了员工幸福指数。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  智能化工作面还需要完善

    小青矿通过N2-407智能化工作面的应用实践，发现还有许多需要进一步提高智能化水平：目前该系统工作面运输机不能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实现；工作面还不能实现采高自动测量；采煤机电缆拖拽易造成光纤折断，应有独立的采煤机电缆拖拽系统；为减少检修工作量，工作面安装巡检机器人，大大提高检修质量和效率；地面、井下集控中心与工作面喊话实现可视对讲，提高操作的安全可靠性等，逐步实现高水平的智能化综采工作面。  

7  结语

辽宁省内首个智能化采煤工作面--小青矿N2407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。为公司智能化开采积累了丰富的经验。

第一作者简介：李东来：1973年11月出生，男，高级工程师，2009年毕业于辽宁科技学院机械设计制造及自动化专业，现在任小青矿机电副总工程师。联系电话：13464144468