采煤工作面设备智能联动控制应用研究

▊ 文/张利刚 李 波 陈靖承

近年来，我国煤矿智能化建设不断加速，煤矿智能化正逐步走向规范化及标准化，根据国家规划，到2025年全部大型煤矿将基本实现智能化，但煤矿智能化蓬勃发展的同时，智能采煤系统仍然存在各系统之间交互融合与协调配合差、不能多系统联动进行智能协同分析决策等问题。通过应用采煤工作面设备智能联动控制技术，将有力提升采煤工作面设备智能控制的总体水平，使工作面设备向着成套智能化控制的方向发展，减少单班工作人员数量，提升采面安全条件，降低职工劳动强度，提高矿井经济效益。

一、研究背景

我国井工矿综采工作面智能化技术发展分为3个阶段。第1阶段为独立单元自动化控制阶段，典型标志为单机可视化远程干预控制；第2阶段为采面自动化阶段，典型标志为工作面自动移架、找直，采煤机记忆割煤与控制；第3阶段为基于透明地质的智能化开采阶段，典型标志为在建立三维地质模型条件下实现无人开采。与之相对应，依据设备自动化应用的宽度和广度、时间和空间、设备的协调能力、故障自愈能力、视频监视范围等因素，综采工作面智能化控制系统也可以分为初级、中级、高级3个等级。

总体而言，目前我国煤矿综采工作面智能化发展尚处于第1阶段，大多数煤矿智能化综采工作面是初级智能化控制系统，虽然也有部分煤矿采用基于采煤机记忆截割、液压支架自动跟机移架、刮板输送机变频调速、全景视频拼接等技术，实现了“有人巡视、无人值守”的自动化开采，但工作面精准地质建模、工作面人员与设备精准定位、基于煤层厚度变化与识别的智能截割、液压支架与围岩智能自适应支护，尤其是综采设备群智能协同联锁控制等技术仍尚待突破，我国的煤矿综采工作面智能化建设任重道远。

二、研究目标

项目以智能化为核心，对煤矿地质条件、装备进行研究，以智能矿山为依托，建设智能控制平台等，研究适应于煤矿条件的“三机协同”、俯仰导向、增强型防碰撞等功能为核心，将工作面装备融合到智能化大平台中，为工作面提供智能化成套解决方案。主要是通过支架跟机自动化、工作面设备集中控制、煤流负荷控制等功能，进一步提升矿区综采工作面自动化、智能化水平。

三、研究内容

1.“三机”联锁控制技术

在智能采煤工作面，“三机”的作用不仅仅是运输煤炭、刮板输送机的搭建以及确定采煤机的行走轨道这三方面，还要实现转载机、破碎机、刮板输送机间启停时的互锁控制，其中，刮板输送机更是综合机械化采煤中不可缺少的主要设备。“三机”连锁控制系统分为两部分。

（1）多点、多维度监控（自动张紧、各类传感器监测）和启动（变频启动、液力耦合器启动）系统，并预留多种通信拓展接口。

（2）智能联锁启停控制系统，设备的顺序启停、闭锁控制与采煤工作面设备较为独立，即一套“三机”设备可以配套多种集控系统。本项目主要实现转载机、破碎机、刮板输送机间启停时的互锁控制。

2.采煤机与工作面“三机”负荷平衡智能控制技术

通过接收各测量点煤量负载信息，由工作面控制中心根据负载及数据分析，结合多点煤量扫描、实时功率算法及综合参数算法实现单元负荷智能控制。根据采煤机截割、牵引电机的电流和温度，刮板输送机电机电流温度以及泵站、“三机”等其他相关数据，由地面服务器智能分析煤流实时负荷，根据负荷情况，调节各设备转动速度等。工作面单元设备故障停机时，智能闭锁采煤工作面系统。例如，当刮板输送机故障停机时，智能实现对带式输送机、破碎机、转载机、采煤机等按逻辑关系顺煤流闭锁停机的功能。

（1）煤位传感器原理。GUH2.5矿用隔爆兼本安型红外煤位传感器，适用于煤矿井下爆炸性气体环境。煤位传感器以“各点煤流量”为对象，包含刮板输送机、转载机、破碎机、带式输送机等“煤流流经设备”，可以实时扫描煤流的断面形状，通过精确算法，得出实时煤量，并将数据通过多种通信端口传给控制器或显示器。煤位传感器通过红外扫描部件，实时采集各个角度上的红外线测距离；通过主控板对这些反馈数据进行积分运算和差值运算，获得所测煤流的形状、剖面积、高度等信息；通过多种通信接口，将流量信息提供给煤流控制系统，实现矿用运输电机的实时精准变频。

（2）煤位传感器安装。煤位传感器为红外扫描设备，应吊装固定在需检测煤流断面中点的正上方0.8～2.5m处。测量窗向下，沿测量窗长边对着煤流断面以50～100Hz的频率往复扫射。煤位传感器安装位置如图1所示。

图1 煤位传感器安装位置示意图

依据图1，煤位传感器要安装在煤流横向面的中线上，传感器和测量窗的安装高度要满足传感器扫描的角度范围，能够覆盖整个煤流的横向范围，也就是图1的测量面的宽度。

3.采煤机与喷雾系统联动控制技术

随着大采高工作面开采割煤、运输、设备前移等动作强度的增大，产生的煤尘量也大幅增加。采煤机启动牵引电机后，自动开启采煤设备喷雾和支架喷雾功能，当采煤机停止牵引电机后，喷雾泵可自动停止喷雾。采煤设备喷雾联动控制技术具有多点同时喷雾、延时喷雾、自动喷雾等功能，能够有效控制煤尘的扩散。

4.一键启停控制

在地面生产指挥控制中心操控平台按下启动、停止按钮，可以自动控制采煤工作面泵站、带式输送机、破碎机、转载机、刮板输送机、采煤机的顺序启停；软件采用逻辑算法，根据设备之间的互联互锁关系，进行设备的顺序逻辑启停控制，通过工业环网实现对采煤工作面设备的远程一键控制。一键启停控制技术实现了启停过程全自动化，启动和停止流程遵循“逆煤流启动，顺煤流停止”原则。

四、研究创新点

首次采用人机智能融合控制的生产模式，通过多点煤流实时测量，经服务器逻辑运算，对工作面采煤机、刮板输送机、破碎机、转载机、带式输送机、泵站等主要设备进行智能控制，有效提升了采煤工作面整体装备的智能化水平，是我国采煤装备重大科技成果的集中体现，体现了我国工业化和信息化的水平。

五、结论

采煤工作面设备智能联动控制应用研究主要是进行“三机”联锁控制和采煤机与“三机”的负荷平衡智能调节控制两方面的研究，为智能化采煤工作面提供了成套的解决方案。

（1）研究适用于煤矿的转载机、破碎机、刮板输送机，实现“三机”智能协同、联锁控制。

（2）研究建立“三机”为一体的智能闭锁采煤工作面系统，并在此系统增加煤位传感器，采集煤流煤量实时数据，再结合采煤机和“三机”动作时的相关实时数据，智能分析煤流的实时负荷，根据负荷情况，自主对相关单元进行调节，从而实现采煤机与“三机”的负荷平衡智能调节控制。