第45屆等級獎論文---小青礦N2407綜采工作面智能化應用與探索

小青礦 ?李東來 ?李偉國 ?史延彬 ?高 ?明 ?

?以采煤機記憶截割、支架自動跟機及遠程監控為基礎,以生產系統智能化控制軟件為核心,應用“以工作面自動控制為主,遠程干預控制為輔”的自動化生產模式,實現“智能化作業,有人巡視”,實現了減人提效、安全高效開采的目標。

關鍵詞綜采 ? 智能化 ?減人提效 ??

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前言

近年來隨著綜采自動化開采技術在全國煤炭行業推廣應用,綜采自動化開采技術已在國內中厚煤層條件下趨于成熟。同時隨著國家“機械化換人、自動化減人”的科技強安專項的發布,提高煤礦本質安全水平促進煤礦安全發展的必由之路,也是推進煤礦工業轉型發展的根本出路。小青礦在全國首家引進使用德國全自動薄煤層刨煤機生產設備,實現薄煤層工作面全自動化生產的技術基礎上,本著“少人則安、無人則安”的理念,對中厚煤層綜采工作面智能化開采技術進行了有益的研究與探索。

1 ?N2407工作面地質概況

小青礦N2407工作面長330m,兩順平均走向長度1235.5m,煤層平均厚度2.65m,煤層傾角1°~5°,平均傾角3°,工作面煤炭工業儲量192萬噸。偽頂為泥巖,直接頂為粉砂巖,老頂以粗砂巖、砂礫巖、中砂巖為主的砂巖互層,底板為泥巖。

工作面老頂來壓明顯,工作面有三條中部斷層FWN9斷層、FWN10斷層、FWN11斷層,落差均在0~6m,回采期間對生產造成影響。

N2407工作面運、回順均為矩形斷面,鋼絲繩鋼帶+錨桿+金屬網+錨索聯合支護,運順寬度5.2m,高度3m,回順寬度4.8m,高度3m。

2 ?N2407工作面智能化總體構成

小青煤礦N2-407智能化工作面主要由SAM —綜采自動化控制系統;SAC—液壓支架電液控制系統;SAP—智能集成供液系統三大系統組成。實現了綜采工作面“有人巡視,無人操作;順槽可視化控制,地面遠程割煤”。該系統將采煤機、支架、運輸控制、三機通信、泵站等控制系統及供電系統互相融合,實現聯控聯動、智能化遠程控制,控制系統主要綜采單機設備、運順監控中心、地面三部分構成。如圖1。

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圖1 ?總體構成

2.1 SAM綜采自動化控制系統

綜采工作面綜合控制系統軟件是電液控制系統主控計算機軟件、集成供液系統主控計算機軟件、順槽集中控制主控計算機軟件、工業以太網網管軟件、視頻管理軟件、數據集成軟件、數據通信軟件等集成到統一平臺下的系統軟件。它運行在多臺隔爆計算機硬件平臺上,實現分布式集成控制系統,完成綜采工作面的綜采設備(支架、采煤機、刮板機、轉載機、破碎機、皮帶、泵站)的集中監測和控制。該系統具有在地面調度指揮中心對綜采工作面設備的監測及一鍵啟??刂坪瓦h程干預操作功能,實現對綜采設備的智能監測與集中控制。日常生產作業時,經過安全確認后,在地面調度室按下一鍵啟停按鈕,工作面的設備按順序依次啟動,設備數據高速上傳和控制信號實時下達,自動完成工作面內的破煤、裝煤、運煤、移架、推溜等采煤作業工序,實現工作面的連續、安全、高效開采。

2.1.1 ?運輸順槽監控指揮中心

對工作面的設備、系統、頂板、煤壁、采煤、運輸、移架等所有工作情況進行監視、控制及遠程操作。

2.1.2 ?調度生產集中監控指揮中心

綜采工作面所有的設備、系統運行狀態、生產狀態、安全狀態,通過環網與實時傳輸到調度生產集中監控指揮中心,弄成擬態實景,由專職工作人員進行控制指揮生產。

自動化工作面集成控制系統總體方案如圖2;工作面自動化控制網絡系統圖如圖3。

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圖 2 自動化工作面集成控制系統總體方案

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2.1.3 ?N2407綜采面視頻監控

每6架距離之間設置1臺支架實時工作狀態監控儀及2臺工作面煤壁實時狀態監控儀,使工作面情況實時傳輸至調度生產集中監控指揮中心,實現實時監控。

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2.1.4采煤機智能化工作控制

? ?根據采煤機的采高實時狀態及位置實時狀態,實現智能化定位,能夠在遠程根據儲存的程序自動進行截割工作,從而實現智能化生產,采煤機遠控見圖5。

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圖5 ?采煤機智能遠控

2.1.5 記憶截割

將采煤機運行設置在示范生產狀態下,人工控制采煤機進行示范刀割煤,將所有參數程序進行儲存,并根據工作面的狀態及采煤工藝需要及時進行配置修改。智能運行時,根據記憶的截割軌跡進行自動割煤。當煤層條件發生變化時,通過人為就地干預或遠程干預。

2.1.6整機檢測

整機檢測包括工況檢測、姿態檢測和故障診斷。

2.1.7數據傳輸

生產系統的所有數據及狀態實時環網傳輸共享,運順監控中心和地面監控室隨時可見采煤機運行狀態。

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圖6 采煤機數據傳輸示意圖

2.1.8 遠距離操作指揮與控制

運順監控中心和地面監控室控制指揮所有設備及相關系統,按照記憶工況智能化運行,在生產條件變化時,控制人員及時進行控制調整,確保安全生產。

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圖7 采煤機遠程控制示意圖

2.1.9 采高定位

采高傳感器實時感知搖臂的高度擺動的位置,傾角傳感器實時監測工作面的傾角及俯仰采角度,采煤機自動調高系統的信息反饋回主控器,通過數學模型準確計算出搖臂的實時高度。

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圖8 采高監測傳感器

2.1.10 采煤機實時位置確定

通過傳感器把采煤機的實時位置數據,輸入到建立的數學模型,精確的對采煤機進行位置定位。

2.1.11支架智能化工作與遠距離控制

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圖9 ?支架控制圖

單套支架、所有支架間安設智能化控制系統,按照儲存的相應控制程序,實現工作面支架的降、移、升、推溜、噴霧及與采煤機工作狀態適配的智能化生產運行控制。

2.1.12 采煤工作面“一鍵”啟停及順序聯動

集成控制系統設置為“全自動化”工作模式,泵站、運順皮帶、工作面所有的采、運、支架相關設備,嚴格按設定的設備工作程序,智能化控制啟動,實現“一鍵”啟停式智能化生產,遇到緊急情況時,按下工作面“急?!卑粹o,工作面所有設備停機。

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圖10 操作臺一鍵啟停

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2.2 SAC液壓支架電液控制系統

SAC型液壓支架電液控制系統是集工作面控制系統、過濾系統及工作面數據集成及上傳系統為一體的對液壓支架實施多功能、高效率、自動化控制的成套設備,是一個多層次多計算機集成的網絡控制系統,系統的規模和配置有靈活的可選擇性和可擴展性,監控功能具有較強的適應性和可延伸性。具有全中文顯示,能夠實現單架控制、成組控制、跟機自動化控制、閉鎖及緊急停止、故障顯示及報警、自動補壓、帶壓移架、礦壓監測、工作面數據集成及上傳、順槽及地面監測、數據分析及信息發布等功能。

每組液壓支架配置一套支架控制單元,包括支架控制器、電磁驅動器、電液控換向閥、推移千斤頂行程傳感器、監測支架頂板壓力的立柱壓力傳感器、監測采煤機運行位置及方向的紅外線接收器。系統具有鄰架單動作控制功能、隔架控制、自動移架控制,按照控制程序,實現支架的降、移、升動作的自動控制;實現成組自動移架控制和成組推溜控制;具有成組噴霧控制功能。在采煤機上安裝紅外線發送器,發射數字信號,每組支架上安裝1個紅外線接收器,接收紅外線發射器發射的數字信號,監測煤機的位置和方向信息,通過自動化控制軟件實現液壓支架跟隨采煤機自動控制。護幫板跟機自動收回和伸出,跟機自動移架和自動推溜控制功能,跟機噴霧控制功能,從而實現液壓支架動作與采煤機運行位置的動態耦合。

202006081656446460.Png11 ?SAC—液壓支架電液控制系統

2.3 ?SAP—智能集成供液系統

智能集成供液系統實現原水的三級過濾、乳化液濃度自動配比和實時監測、自動加水和乳化液,對泵站出口壓力、泵站油溫、油位狀態、泵站電磁閥動作情況、液相液位、乳化液油箱油位檢測功能。泵站單啟??刂?,也可多臺泵站聯動控制,具備數據傳輸功能,實現與綜采自動化的雙向通信。

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12 ? ?SAP—智能集成供液系統

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3 ?控制系統

綜采工作面綜合控制系統軟件(LongwallMind)是將電液控制系統主控計算機軟件、集成供液系統主控計算機軟件、順槽集中控制主控計算機軟件、工業以太網網管軟件、視頻管理軟件、數據集成軟件、數據通信軟件等集成到統一平臺下的系統軟件。它運行在多臺隔爆計算機硬件平臺上,實現分布式集成控制系統,完成綜采工作面的綜采設備,包括支架、采煤機、刮板機、轉載機、破碎機、皮帶、泵站等設備的集中監測和控制。

3.1 ?系統軟件架構設計

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圖14 系統軟件架構

綜采工作面綜合控制系統軟件主要包括驅動層、實時數據層、數據可視化層。通過靈活部署實現多臺服務器/主機協同工作,實現分布式集中控制方式。

3.2 ?通訊設計

綜采工作面綜合控制系統軟件建立了統一的數據采集/控制接口,實現了第三方設備的靈活接入。它抽象了通訊鏈路層和協議解析層,從各種通訊鏈路上獲得通訊數據,從而實現了各類綜采設備的遠程監控。

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4 應用中存在的問題及解決辦法

N2-407智能化工作面在安裝調試和生產過程中存在一定的問題,給現場安全生產帶來不利,通過礦技術攻關小組的不懈努力,解決了系統存在的問題。

4.1 不能雙向語音通訊問題

智能化通訊系統不能實現地面調度室控制臺和運順皮帶頭至運輸機尾沿線雙向通訊功能,不能保障沿線作業人員與地面調度室控制臺操作員實時通話,存在安全隱患,通過礦技術攻關小組人員努力,引入了VOIP語音通訊系統并入工作面KCT101通訊控制主機環網,實現了井下工作面沿線和控制中心與地面調度室操作員的雙向通訊。

4.2 ?液壓支架不能自動推溜問題

本工作面開切眼224組ZY6800/15/35液壓支架,因為工作面開切眼距離長、變電列車和泵站離開切眼遠,導致供液末端管路和電磁閥供電電路壓降過大(127V),液壓支架推移缸推不動和電磁閥不動作,實現不了智能化控制,通過采取工作面開切眼分段供液和供電,解決了技術難題,實現了自動推溜。

4.3智能化綜采工作面煤巖識別系統還不成熟

通過人工干預,解決了在工作面頂板出現變化時,不能及時自動調節采煤機滾筒高度及速度,記憶割煤難以適應復雜的地質煤層的難題。

4.4運輸機竄動時,監控系統失效

通過人工干預調整,解決了在運輸機上下竄動現象時,監控系統失效的難題。

4.5生產環境可視化清晰度不高

通過采用清晰度更高、實時性更好的云臺攝像儀,解決了在井下生產時產生的煤塵嚴重影響視頻圖像的采集的難題。

4.6偶而數據失準

通過加強維修檢查,增加防護外套等措施,解決了工作面數量眾多的監控探頭、通訊傳感器、紅外監測等高精度設備,在面對復雜環境時,適應性較差,偶爾會出現數據失準的難題。

4.7工作面端頭斜切進刀由人工干預轉為智能操作

綜采工作面端頭存在采煤機端頭截割負載不平衡問題,降低了采煤機端頭截割運行的可靠性,采煤機端頭記憶截割時工況惡劣,煤巖界面變化可能較為劇烈,必要時需要人工干預后進行拉架推移運輸機。所以端頭截割負載出現不平衡情況時需要對記憶的參數進行調節。通過重新設計采煤機端頭記憶截割系統的總體架構,將采煤機端頭記憶截割系統劃分為采煤機端頭記憶截割系統、正常中間段記憶截割系統兩大部分,重新進行整個端部進刀系統的軟件設計,采用端部斜切進刀方式割三角煤、采煤機雙向割煤工藝,重新設定機尾跟機階段的跟機、移架、推溜,采煤機后推出緩段的掃刀三次,行走階段的往機頭行走、補充移架,采煤機繼續行走的全程推溜、運輸機推直準備第二次進刀,采煤機向機尾進刀、行走、跟機移架到結束,采煤機繼續往機尾進刀、補充移架,采煤機完成掃三次刀后機尾做頭完畢、由機尾向機頭進刀,機頭跟機、移架、推溜、前后打伸縮梁護幫板等8個階段的工藝參數,從而實現工作面端頭斜切進刀由人工干預轉為智能操作。

5 綜采工作面智能化采煤效果

小青煤礦N2-407智能化工作面自2019年3月份開采以來,累計已生產商品煤94.1萬噸,實現了生產過程可視遠程干預與就地控制功能,采煤生產過程由地面調度室操作員控制,實現了液壓支架自動跟機、自動推溜、記憶割煤、自動割三角煤、三機和智能供液系統監測監控,所有工作智能化監測操控為主,人工干預操作作為輔助手段,實現了安全生產、高效生產。

實現了減人提效、安全生產。操作人員通過地面遠程操控,自動化程度高,提高了安全系數,工作面實現了無人跟機作業,2人巡視,現場操作減少了9人,達到了“少人則安、無人則安”的目標。

打造了智能化人才隊伍。作業人員刻苦鉆研業務,強化崗位技能訓練,掌握多個專業知識,學習智能化技術,培育出了復合型、智能化的人才隊伍。

提升了員工幸福指數。智能化采煤將員工從操作工變成巡視工,降低了勞動強度,改善了作業環境,降低了職業病危害程度,踐行了“以人為本、安全發展”的理念。

6 ?智能化工作面還需要完善

? ? 小青礦通過N2-407智能化工作面的應用實踐,發現還有許多需要進一步提高智能化水平:目前該系統工作面運輸機不能實現工作面自動調直;采煤機煤巖識別技術還不成熟;SAP集中供液系統乳化液泵站補水水質監控技術還不能實現;工作面還不能實現采高自動測量;采煤機電纜拖拽易造成光纖折斷,應有獨立的采煤機電纜拖拽系統;為減少檢修工作量,工作面安裝巡檢機器人,大大提高檢修質量和效率;地面、井下集控中心與工作面喊話實現可視對講,提高操作的安全可靠性等,逐步實現高水平的智能化綜采工作面。 ?

7 ?結語

遼寧省內首個智能化采煤工作面--小青礦N2407智能化采煤工作面成功開采,實現了在地面與順槽綜合監控中心對綜采設備的智能監測與集中控制,達到了“少人則安、無人則安”目標,獲得了省內同行的高度評價。為公司智能化開采積累了豐富的經驗。

第一作者簡介:李東來:1973年11月出生,男,高級工程師,2009年畢業于遼寧科技學院機械設計制造及自動化專業,現在任小青礦機電副總工程師。聯系電話:13464144468

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