煤礦綜采智能化管理系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用

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摘要:綜采工作面智能化是煤礦領(lǐng)域未來發(fā)展的大趨勢，能顯著提升煤礦開采質(zhì)量和效率。文章在簡要介紹某煤礦綜采工作面基本情況的基礎(chǔ)上，設(shè)計研究了智能化管理系統(tǒng)的整體方案。該方案的網(wǎng)絡(luò)框架分為3個層級，對高清視頻監(jiān)控、采煤機(jī)和液壓支架的遠(yuǎn)程控制、設(shè)備聯(lián)動停機(jī)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。工作面智能化管理系統(tǒng)應(yīng)用到煤礦開采工程實踐中，經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)其運行過程穩(wěn)定可靠，顯著提升了礦井的智能化水平，為企業(yè)創(chuàng)造了良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞:煤礦;工作面;智能化;管理系統(tǒng)

隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷發(fā)展，智能化技術(shù)在很多領(lǐng)域中都得到了應(yīng)用，包括煤礦開采行業(yè)［1］。雖然通過建設(shè)綜采工作面智能化管理系統(tǒng)能顯著提升煤礦運行的效率和質(zhì)量［2］，但是智能化技術(shù)在綜采工作面中的實踐應(yīng)用時間相對較短，在實際運行中仍然存在一些問題，有待完善［3－4］。煤礦中使用的設(shè)備在工作時容易受到外界環(huán)境的影響或者干擾，給工作面智能化管理與控制帶來了一定難度。為了促進(jìn)綜采工作面智能化技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，很多學(xué)者開展了相關(guān)研究，部分煤礦企業(yè)在實踐中也進(jìn)行了有益的探索，結(jié)合煤礦自身情況建立了智能化工作面，取得了很多成果［5－6］。文章在分析某煤礦實際需求的基礎(chǔ)上，設(shè)計研究了工作面智能化管理系統(tǒng)，將其應(yīng)用到煤礦開采實踐后，取得了很好的效果。

1煤礦綜采工作面概況

某煤礦企業(yè)正在開采的8號煤層，厚度為2．1～8．1m，平均4．76m。煤層的傾角為3～9°，平均5°左右。采煤機(jī)采高以及放頂煤高度分別為3m和2．75m。煤礦綜采工作面使用的采煤設(shè)備及其他配套設(shè)備數(shù)量和種類很多，主要包括采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、膠帶輸送機(jī)、水泵等。在以往的實踐中，對這些設(shè)備的控制比較分散，導(dǎo)致設(shè)備的管理、控制質(zhì)量與效率都偏低，工人的勞動強(qiáng)度大、采煤效率低，在一定程度上制約了煤礦企業(yè)的發(fā)展。基于此，礦井?dāng)M采用先進(jìn)的智能化技術(shù)對工作面中使用的設(shè)備以及整個生產(chǎn)過程進(jìn)行管理。

2智能化管理系統(tǒng)整體方案設(shè)計

在深入分析煤礦綜采工作面實際情況的基礎(chǔ)上，對智能化管理系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計，整體方案見圖1。從圖1可以看出，整個智能化管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)可以劃分成為3個層級，分別為礦井工作面采煤設(shè)備層、單個設(shè)備控制系統(tǒng)層、計算機(jī)智能化集中控制層。采煤設(shè)備除了常見的采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)之外，還包括生產(chǎn)輔助設(shè)備，包括水泵、通風(fēng)機(jī)等。為了更好地實現(xiàn)智能化管理控制，在一些重要的采煤設(shè)備比如液壓支架、采煤機(jī)上安裝高清攝像頭。每種采煤設(shè)備或裝置都有相應(yīng)設(shè)備控制系統(tǒng)，對設(shè)備運行過程中的功率、電壓、電流、溫度等參數(shù)進(jìn)行采集，并進(jìn)行分析與控制。計算機(jī)智能化集中控制層主要包括交換機(jī)、計算機(jī)服務(wù)器等硬件設(shè)施，主要是對井下各設(shè)備控制系統(tǒng)傳輸上來的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行綜合分析與評判，可以實現(xiàn)井下所有采煤設(shè)備及其他輔助裝置的集中控制，以達(dá)到設(shè)備之間相互聯(lián)動的效果?？紤]到不同采煤設(shè)備之間的距離相對較遠(yuǎn)，最大距離超過了2km，這對數(shù)據(jù)信息的傳輸速度提出了相對較高的要求。該管理系統(tǒng)基于TCP/IP技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的輸送，可以將傳輸延時控制在0．5s以內(nèi)。另外，計算機(jī)服務(wù)器需要對多個控制系統(tǒng)進(jìn)行綜合控制，對其運算速度和性能也提出了一定的要求。結(jié)合礦井實際情況，選用西門子公司研制生產(chǎn)的S7－1200型PLC控制器。

3智能化管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3．1高清視頻監(jiān)控技術(shù)

根據(jù)智能化管理系統(tǒng)設(shè)計需求，需要在綜采工作面中布置一系列的高清攝像頭對井下部分重要環(huán)節(jié)進(jìn)行全覆蓋監(jiān)控，采集礦井下的視頻信息，利用工業(yè)以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)轿挥诘孛娴谋O(jiān)控中心。畫面可以實時呈現(xiàn)在監(jiān)控屏幕上，對應(yīng)的數(shù)據(jù)信息也會存儲到數(shù)據(jù)服務(wù)器中，以便調(diào)取，達(dá)到工作面可視化的效果。該案例中使用的都是云臺攝像儀。此類設(shè)備不僅具備良好的防爆性能，還可實現(xiàn)角度切換，水平方向上可以旋轉(zhuǎn)180°，垂直方向上可以旋轉(zhuǎn)75°?；谙冗M(jìn)的軟件技術(shù)，攝像頭可以跟隨設(shè)備一起移動，實時監(jiān)控采煤機(jī)滾筒截割煤壁以及液壓支架移動等過程，達(dá)到智能化監(jiān)控與管理的目的。

3．2液壓支架電液控制技術(shù)

先進(jìn)的智能化電液控制技術(shù)，主要是在液壓支架中布置大量的傳感器，對設(shè)備運行狀態(tài)信息實時監(jiān)測，對液壓支架的移架動作、移架順序、初撐力大小設(shè)置等相關(guān)過程進(jìn)行管理與控制。液壓支架工作時產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息會傳輸?shù)接嬎銠C(jī)服務(wù)器中進(jìn)行分析和儲存。該系統(tǒng)本身具備有故障診斷功能，一旦液壓支架存在安全隱患或發(fā)生故障，系統(tǒng)可以快速確定故障位置及類型，發(fā)出聲音警報。如果故障存在比較大的安全隱患，系統(tǒng)則會緊急閉鎖，停止設(shè)備運行。智能化管理系統(tǒng)不但可以對某個液壓支架進(jìn)行自動控制，也可對所有的液壓支架進(jìn)行聯(lián)動控制，同時又可實現(xiàn)手動控制。圖2為液壓支架電液控制技術(shù)原理。

3．3采煤機(jī)的智能化控制技術(shù)

在采煤機(jī)設(shè)備上，安裝定位傳感器和采高傳感器等檢測裝置，可以對采煤機(jī)的位置及工作狀態(tài)進(jìn)行實時檢測，再結(jié)合采煤機(jī)設(shè)備本身的記憶切割功能，可以實現(xiàn)對采煤機(jī)的智能化管理控制。8號工作面使用的采煤機(jī)，前滾筒和后滾筒分別對工作面頂煤和底煤進(jìn)行切割開采，設(shè)備具有22象限記憶切割功能，運行過程中產(chǎn)生的軌跡信息、割煤時間以及刀數(shù)等都會傳輸?shù)接嬎銠C(jī)服務(wù)器中進(jìn)行管理和監(jiān)管，位于地面的監(jiān)控中心可以對采煤機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，特殊情況下可以通過人工的方式進(jìn)行控制。

3．4裝備順序停機(jī)控制技術(shù)

當(dāng)綜采工作面停止開采工作時，要求智能化管理系統(tǒng)可以根據(jù)設(shè)備的實際運行狀態(tài)按照一定的順序停機(jī)，以達(dá)到保護(hù)采煤設(shè)備和井下供電網(wǎng)絡(luò)的目的。設(shè)計的裝備順序停機(jī)控制技術(shù)，主要是對各裝備的空載作業(yè)電流進(jìn)行檢測分析并判斷。一旦智能化管理系統(tǒng)啟動順序停機(jī)程序，通常需要首先對采煤機(jī)進(jìn)行停機(jī)處理，確保在源頭上沒有煤礦物料產(chǎn)生，再對刮板輸送機(jī)的運行電流進(jìn)行檢測，直到判斷刮板輸送機(jī)上無載荷為止，然后依次對轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、膠帶輸送機(jī)等設(shè)備的運行電流進(jìn)行檢測，直到達(dá)到空載電流標(biāo)準(zhǔn)時才停止運行。如果采煤設(shè)備能夠按照一定的順序停機(jī)，不僅可以起到保護(hù)設(shè)備的作用，還可以在一定程度上減少能源消耗。

作者:趙杰偉 單位:山西煤炭運銷集團(tuán)蒲縣昊興塬煤業(yè)有限公司