Practical Application of Fully Mechanized Mining Technology in Inclined Working Face
朱明鎏 ZHU Ming-liu
（国能宁夏煤业集团红柳煤矿，灵武 750411）
（Guoneng Ningxia Coal Industry Group Hongliu Coal Mine，Lingwu 750411，China）
摘要：随着我国煤矿装备水平的提高，综采工作面自动化技术不断进步，本文以国能宁夏煤业集团红柳煤矿为例从设备配套、自动化控制系统原理结构出发阐述自动化设备在倾斜工作面的实践，最终实现自动化设备在倾斜工作面双向全截深全自动化割煤作业。
Abstract: With the improvement of China's coal mine equipment level, the automation technology of fully mechanized mining face continues to advance. This paper takes the Hongliu Coal Mine of Guoneng Ningxia Coal Industry Group as an example to explain the automation equipment in the inclined working face from the principle structure of equipment supporting and automatic control system, to realize automatic equipment in the inclined working face two-way full depth and full automatic coal cutting operation.
关键词：综采工作面；倾斜；双向全截深；全自动化
Key words: fully mechanized mining face；inclined；two-way full depth；fully automation
中图分类号：TD8 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）34-0274-04
0 引言
煤矿井下工作面是一个高危险的生产环境。国家提出“机械化换人、自动化减人”的发展理念，综采自动化应运而生。自动化工作面的研究发展是随着近年来随着矿井开采强度和深度的加大，地质条件越来越复杂，冲击地压、煤与瓦斯突出等动力灾害的威胁加大，导致各种安全事故频繁发生；其次随着薄煤层甚至极薄煤层的开采，空间局限，工人几乎没有办法进入工作面进行采煤作业，将工人从高危的生产环境解放出来“无人则安”的要求迫切的被提出；第三是高产高效生产的需要，近年来综采设备单机自动化取得了很大的发展，成套设备密切配合的全自动化成为提高产效的有效途径；第四综是采煤方式发展的必然趋势，采煤方式从炮采、普采向综采逐步升级，现正向自动化、智能化方向发展，是煤矿安全、高效集约化生产的发展趋势，也是实现采煤工作面无人开采最有效的技术手段；第五是煤矿实现从劳动密集型转向技术密集型的途径和手段。因此，将工人从危险、恶劣、嘈杂的工作环境中解放出来，让设备替代工人进行煤矿开采，实现综采自动化成了解决煤矿安全高效生产的核心课题。
1 矿井概况
红柳煤矿是神华宁夏煤业集团鸳鸯湖矿区第二大矿井，矿井规模6Mt/a，采用主斜副缓的开拓方式。目前主采3煤，最短自燃发火期47天，煤尘具有爆炸性。I040301综采工作面位于矿井I04采区，采用走向长壁、综合自动化、一次采全高、全部垮落采煤法。工作面埋深320～402m，煤层倾角7°～25°，走向长1663.2m，倾向长242.9m，采高2.7m，可采储量141.8万吨。
2 主要设备简介
2.1 液压支架 I040301综采工作面安装141架由北京煤机厂生产的ZY10000/17/38D型掩护式液压支架，支架选用德国DRD公司生产的主阀和辅阀，北京天地玛珂电液控制有限公司生产的电磁先导阀、控制器、驱动器、传感器、综合接入器、防爆云台、WIFI基站等。
2.2 采煤机 安装一台有天地上海煤机有限公司生产的MG750/1920-WD电牵引采煤机，装机功率1920kW，采高范围2.6～4.5m滚筒直径2240mm，适合倾角≤35°，截深865mm。采煤机安装国际最先进的LASC2.0数据采集处理系统，一台WI-FI基站（2.4G无线通信）。
2.3 刮板输送机 工作面安装由天地西北奔牛集团生产的SGZ1000/2*1000重型刮板输送机，输送能力2200t/h，额定功率2*1000kW，额定电压3300V，刮板机选用中煤科工天地（济源）电气传动有限公司生产的BPJV2-1400/3.3隔爆兼本质安全型高压交流变频器驱动，额定输入电压：AC 3300V；输入频率：50Hz；重载应用：1400kW，输出电压范围：0～3300V，输出电流：0～293A，输出频率范围：0～60Hz。
2.4 带式输送机 顺槽布置一台有天地西北煤机公司生产的DSJ140/300/3*560可伸缩带式输送机，带宽1400mm，输送能力3000t/h，带强PVG2500S。输送机采用唐山开城集团公司生产的ZJT-630/1140隔爆兼本质安全型变频器驱动。额定输入电压：AC 1140V；输入频率：50Hz；重载应用：630kW，输出电压范围：0～1140V，输出频率范围：0～50Hz。
2.5 供液系统 设备列车布置4台无锡威顺煤矿机械有限公司生产的BRW550/40X乳化液泵，公称流量550L/min，公称压力40MPa，额定功率450kW。乳化液泵采用中煤科工天地（济源）电气传动有限公司生产的BPJV2-500/3.3隔爆兼本质安全型高压交流变频器驱动，可实现电机变频调速控制，根据乳化液压力以及流量需求智能调整电机转速。供液系统采用北京天地玛珂电液控制有限公司生产自动配比装置，有自动卸载功能；配有电磁阀控制的进水装置，实现乳化液泵站变频和电磁卸荷智能联动，实现工作面恒压供液。有乳化液浓度、压力、流量、液位、温度、实时在线监测及校准装置，并以数字方式显示，可实现数据存贮、上传功能。
3 自动化系统概述
综采自动化控制系统以工作面少人化、无人化开采为目标，依托贯穿工作面、顺槽的工业以太网通信系统及无线网络通信平台，实现以综采设备自动化控制为核心，人员就地巡视干预为辅助，顺槽、地面远程集中监控为支撑的自动化控制模式。
SAM综采自动化控制系统以SAC支架电液控系统为基础，LASC采煤机绝对定位系统为核心，集成SAV工作面视屏监控系统、SAP智能集成供液系统、SAS采煤机控制系统、SAT顺槽三机集成控制系统、SAB顺槽胶带输送机集成控制系统、集成供电系统、工作面工业以太网通讯、顺槽监控中心、工作面语音通信、工作面控制模块等12子系统。具备在地面调度中心对综采设备（采煤机、液压支架、刮板输送机、转载机、破碎机等）的运行状态监控、工作面设备数据集成、视频实时监控，工作面双向全截深自动化控制方式，以及基于LASC技术的工作面直线度检测及自动找直控制功能。具有单机故障其他设备不受影响的容错机制。
红柳煤矿I 040301自动化工作面通过融合采煤机智能记忆割煤控制，液压支架跟随采煤机自动移架支护、推移刮板输送机控制，工作面设备可视化视频监控，无线以太网数据传输，基于LASC技术的工作面自动找直控制、综采设备集中控制等功能，建立了综采成套装备自动化控制系统，实现在工作面监控中心和地面调度中心对工作面设备进行自动化检测控制，保证工作面各设备间协调、连续、高效、安全运行。
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4 自动化系统原理及结构
自动化系统打破了传统的以单机装备为主、总体协调的人工控制思路，建立了以成套装备总控制网络信息综合决策为主、单机装备为执行机构的体系结构。通过运用工作面控制模型，运用工业以太网通讯、RS485通讯、3180通讯、RS232通讯、CAN总线通讯、无线通讯等多种通讯手段，将采煤机、液压支架、刮板输送机、转载机、破碎机、顺槽胶带机、供液系统、供电系统等装备有机结合起来，构建成一个相互联系、相互依存、相互制约的采煤自动化控制系统，实现地面、顺槽、采场的高速数据传输及各子系统之间的数据交互，视频、音频传输，从而实现对各设备的数据采集和控制。实现对综合机械化采煤工作面设备的协调管理与集中控制。综采自动化主要有工作面、顺槽、地面三部分组成：
4.1 工作面自动化（综采单机设备）
①SAC结构组成及原理。每台支架安装一台16功能电磁主阀和控制器，控制器之间通过4C线连接。右立柱安装压力传感器，推移千斤安装行程传感器，在左立柱安装红外接收器实现跟随采煤机跟机自动操作，每台支架安装一组倾角传感器负责检测工作面倾角，机头安装一个信号转换器，负责将CAN总线通讯转换为RS422通讯，将数据传输至监控中心网络交换机。同时监控中心将操作的指令通过CAN总线通讯传输至支架，实现数据交互和操作。系统通过读取LASC惯性导航生成的工作面曲线实现工作面自动找直功能。（图2）
②LASC2.0结构组成（LongWall Automation Steering Committe）长臂自动化指导委员会。LASC是一套数据采集处理系统，安装INS惯性导航系统（实现精确定位，姿态检测）、摇臂安装摆角传感器、SPMS采煤机位置测量系统等可实现采煤机精确定位、采高测量、煤机速度测量、机身姿态检测、工作面直线度测量等。辅助以工作面煤层模型，可实现采煤机保持工作面平直、采煤机自动调高控制、保持采煤机在煤层及3D可视化虚拟现实等功能。
③SAV结构组成及原理。每6台支架安装一台云台摄像仪和综合接入器，综合接入器之间通过4N线连接，每12台支架安装一台WI-FI基站与综合接入器通过4NS线连接,工作面机头机尾各安装一台光电转换器，将视频数据传输至监控中心光电转换器后接入数据交换机。实时跟踪采煤机，自动完成视频跟机推送，为工作面可视化远程监控提供“身临其境”的视觉感受，指导远程生产。
④SAS结构组成及原理。采煤机安装一台WI-FI基站，负责LASC系统与工作面WI-FI环网进行数据交互，采煤机电缆通过载波通讯与顺槽载波通讯模块进行数据交换，负责将采煤机工况传输至顺槽网络交换机，同时监控中心将远控操作的指令通过载波通讯传输至煤机，实现数据交互。按照示范刀所记录的工作参数、姿态参数、滚筒高度轨迹，进行智能化运算，形成记忆截割模板，在自动截割过程中不断修正误差，实现自动调高、卧底、加速和减速等功能。
4.2 顺槽监控自动化（动力监控设备）
①监控中心结构组成及原理。安装有6台主机负责显示支架主界面、采煤机主界面、综合控制主界面、支架视频、煤壁视频、跟机视频，1台支架远程操作台，1台采煤机远程操作台。监控中心安装3台数据交换机，负责将工作面和顺槽数据进行集合处理，处理完毕的数据经过工作面模型控制计算后发出指令，通过CAN总线通讯传输支架和载波通信传输采煤机（采场-顺槽）。经过处理的数据通过一台路由交换机及光电转化器实现顺槽与井下以太网的通讯，从而与地面实现数据交互（顺槽-地面）。
②SAP结构组成及原理。每台泵站安装1台综合接线器，系统安装1台泵站主机、1台操作台、1台PLC控制器，可实现远程和就地控制，泵站和泵箱安装压力传感器、液位传感器、流量传感器、浓度传感器、电流传感器油位传感器、温度传感器等，综合接线器将传感器数据采集传输PLC控制器，PLC将数据传输至泵站主机，集控主机分析处理，通过3180通讯将数据传输至综合接入器，综合接入器接入监控中心的网络交换机实现数据采集交互。
4.3 地面监控自动化（服务监控设备）
地面调度室安装1台服务器、2台工作站（1台支架主机、1台采煤机主机）、3台监视器、1台网络交换机，井下数据通过以工业太网通讯接入网络交换机后连接服务器，经过服务器分析处理接入地面工作站，可实现地面调度对工作面设备的检测等功能。（图3-图4）
5 自动化系统功能
采煤机以记忆割煤为主，人工干预为辅；液压支架以跟随采煤机自动动作为主，人工干预为辅；综采运输设备实现集中自动化控制；依据LASC系统实现对工作面直线度状态监测，并在支架跟机自动控制过程中实现自动找直；依托全工作面视频实时监控，实现集视频、语音、集中控制为一体的综采工作面自动化系统。系统具备的自控制功能具体为：①具有双向全截深采煤工艺的自动化跟机模式，采煤机记忆割煤，工作面液压支架跟机移架、推溜、护帮板和伸缩梁的联动。②具有对工作面综采设备的数据集成、处理、故障诊断、管理等功能。③具有LASC采煤机绝对定位轨迹记录，工作面自动找直功能。④具有在地面调度中心对综采工作面设备的监测功能。⑤具有在顺槽控制中心对综采工作面设备的监测及集中控制功能。⑥具有泵站系统设备工况监测及控制功能。⑦具有对采煤机工况监测与控制功能。⑧具有工作面工业以太网，实现数据的高速传输。⑨具有工作面视频系统，实现对主要综采设备的实时监控。⑩具有井上下数据传输功能。{11}具有对液压支架工况监测与控制功能。{12}具有对工作面运输设备运行状态监测及控制功能。
当综采工作面自动化控制系统出现故障时，各子系统不受综采自动化系统控制，以保证在检修和自动化控制系统出现故障时，各子系统能单独开车，确保生产不受影响。
6 回采工艺及循环方法
6.1 采煤工艺 采用采煤机记忆双向割煤，自动上下端头斜切进刀。LASC采煤机绝对定位轨迹记录支架自动快速跟机移架支护、自动成组推移刮板运输机，自动生成的矫直曲线，支架自动找直。变频智能调速刮板运输机，集成泵站自动配比和变频智能控制，集控中心可以实现设备分机自动化控制、集成自动化控制。
6.2 循环方法 按照先进行人工操作采煤机往返割煤2刀（示范刀），采煤机进行数据记忆，从第3刀开始进行自动化（记忆刀）割煤、支架自动跟机。
7 工序过程
7.1 学习模式（示范刀）
①采煤机控制模式设定“就地控制，手动-学习截割模式”，进入学习截割状态，由人工操作采煤机，采煤机记忆人工操作割煤过程。②工序：人工操作采煤机下行割煤→移架→移刮板输送机→割透下端煤壁→反向上行斜切进刀→移动刮板机机头→下行割透下端煤壁→采煤机上行割煤→移架→移刮板输送机→割透上端煤壁→反向下行斜切进刀→将机尾推向煤壁→移架→割透上端煤壁→移架→采煤机下行割煤。
7.2 自动模式（记忆刀）
①采煤机控制模式设定“就地控制，自动-记忆截割模式、允许在线修改，允许干预”采煤机双向自动记忆割煤。
②支架控制器参数设置：
跟机类型：0-中部跟机 1-全工作面跟机 1
跟机首架：3
跟机末架：141
煤机身长：9
移架距离：（滞后煤机开始移架）7
推溜距离：（滞后煤机开始推溜）20
收伸缩梁：（超前煤机开始收伸缩梁）6
伸伸缩梁：（滞后煤机开始伸伸缩梁）15
移架动作：允许
推溜动作：允许
伸缩梁动作：伸收
③工序：
下行：采煤机下行向机头割煤（右滚筒在上，后滚筒在下）→超前煤机6台支架自动收护帮伸缩梁（每组动作3架）→超前煤机3台支架自动喷雾（每组动作3架，每架喷雾时间3s）→滞后煤机7架跟机移架（降架、移架、升架）→滞后煤机15架自动伸护帮伸缩梁（每组动作3架）→滞后采煤机20架跟机推溜（每组动作6架）。
上行：采煤机上行向机尾割煤（右滚筒在下，后滚筒在上）→超前煤机6台支架自动收护帮伸缩梁（每组动作3架）→滞后煤机3台支架自动喷雾（每组动作3架，每架喷雾时间3s）→滞后煤机7架跟机移架（降架、移架、升架）→滞后煤机15架自动伸护帮伸缩梁（每组动作3架）→滞后采煤机20架跟机推溜（每组动作6架）。（图5）
8 结束语
①红柳煤矿I040301综采自动化工作面设备是目前国能宁煤集团信息化、自动化程度最高、技术最成熟的综采工作面，是宁煤集团第三代综采自动化设备的应用典范，实现了在倾斜工作面双向全截深全自动化采煤工艺。
②实现了综采自动化的常态化应用，成套系统运行稳定，形成了工作面全自动化开采作业模式，工作面由原先的至少10人手动作业变为工作面4人（1名班长、3名巡检工）巡检干预操作和1人远程可视化集中控制作业。每天节省人工17人，年节约人工费用276万元。工作面人工工效由原来的250吨/工提升至318吨/工，实现了用工成本的显著降低。
③本项目的实施推动了综采自动化开采技术由近水平、地质条件较好煤层向倾斜、地质条件复杂煤层延伸与完善，促进了煤炭开采技术的进步，为倾斜、复杂地质条件工作面自动化开采起到了示范效应。
参考文献：
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