关于煤矿综采工作面智能化系统的研究.pdf

84/矿业装备 MINING EQUIPMENT管 理0 引言在我国的能源结构体系中，煤炭资源占据的比例非常大，煤炭资源能否正常供应直接影响人们的正常生活和社会工业生产1。随着我国对煤炭资源需求量的不断提升，在煤炭领域的投入越来越大，煤矿领域获得了快速的发展2。当前阶段煤矿综采工作面正朝着自动化甚至智能化的方向发展，很多大型煤矿中都使用了智能化系统3。智能化系统的成功实践应用，不仅大幅度解放了人工劳动力，保障了矿井工作人员的安全，还使煤矿开采效率大幅度提升，取得了非常好的效果4。但是目前我国在煤矿智能化建设方面仍处于起步阶段，相关技术不是非常成熟，因此有必要对综采工作面智能化相关技术进行总结，以进一步促进智能化系统在煤矿领域的应用5-6。本文以某煤矿为例，介绍了煤矿综采工作面智能化系统的关键技术及其应用情况。1 煤矿综采工作面概述某 矿井的设计生产能力 为 每 年 110 万 t，矿 井经过前期勘探发现整体上为对称倾斜构造。其中西翼倾角相对比较平缓，其角度在 10 40范围内，东翼的倾角相对比较陡峭，在20 75范围内，整个矿区可采煤层有 4 层。本文以其中的 1201 综采工作面为对象进行分析，此煤层结构属于复合煤层，煤层比较稳定，厚度在 1.34.5m 范围，平均厚度为 3.3m。煤层整体的倾角和倾向分别为20 53和 87 111。2 综采工作面智能化系统为了在保障煤矿安全生产的前提下提升煤矿开采效率，所述煤矿企业结合实际情况，对综采工作面进行了智能化设计，建设了智能化综采工作面系统，如图 1 所关于煤矿综采工作面智能化系统的研究袁旭东（阳泉煤业集团天安煤矿有限公司，山西忻州 034000）摘要：智能化是煤矿领域未来发展的必然方向。在对某煤矿综采工作面进行概述的基础上，研究了工作面中建设的智能化系统。该系统由一个核心控制系统和多个子系统构成，各子系统具备有对应的功能，每个子系统中的控制器都与核心控制系统进行连接，实现数据信息的上传和指令的下达。核心控制系统可实现所有子系统之间的协调运行，以及综采工作面的综合控制。智能化系统应用到综采工作面中后，不仅为企业创造了良好的安全效益和社会效益，还创造了很好的经济效益，达到了预期效果，值得其他煤矿企业借鉴。关键词：综采工作面；智能化；控制系统；经济效益图1 综采工作面智能化系统的整体结构框图2023.10 矿业装备/85示为综采工作面智能化系统的整体结构框图。由图 1 可知，智能化系统包含有一个核心控制系统，另外包含多个具备有不同功能的子系统，所有子系统全部与核心控制系统连接，并接受核心控制系统的综合控制，实现综采工作面的智能化管理控制。核心控制系统是所有子系统的载体，所有数据上传至核心控制系统中进行实时展示，工作人员通过监控大屏能掌握综采工作面的状态，并通过人机接口对各子系统进行控制。总体而言，核心控制系统的主要作用是对综采工作面中的关键设备的运行状态信息、环境参数信息等进行采集、显示、汇总并通过人机对话操作，实现工作面不同子系统之间的协调控制。3 综采工作面智能化系统关键技术研究各子系统是实现综采工作面智能化系统的关键所在，各子系统涉及的技术为智能化管理系统的关键技术。本智能化系统中涉及六个子系统，分别为采煤机远程控制系统、液压支架电液控制系统、工作面主要设备数据采集和集中控制系统、工作介质管理系统、视频照明监控系统、地面控制系统。以下对比较重要的技术进行介绍。3.1 采煤机远程控制关键技术采煤机是综采工作面中最关键的采煤设备，对其进行远程控制是实现综采工作面智能化控制的关键所在。如图 2 所示为采煤机远程控制系统的主要技术框图，基于该系统可实现采煤机的智能化监测与控制。由图 2 可知，系统运行时需要利用传感器对采煤机的运行状态数据进行实时采集，并将采集结果汇总到 DSP 主控器中进行分析。传感器采集得到的数据信息可分为两种类型，分别为模拟量信号和数字量信号，对于以上两种信号需要利用对应的模拟量输入模块和数字量输入模块将数据传送至控制器中。DSP 主控器根据采集结果判断采煤机的运行状态，并下达各种指令实现采煤机的智能化控制。DSP 主控器与变频器进行连接，通过变频器控制电机速度，达到控制采煤机的效果，两者之间基于 RS-485 串口实现数据信息交互。DSP 主控器还与核心控制系统进行连接，将数据上传至核心控制系统中进行实时展示，同时接受核心控制系统的指令，两者之间基于 CAN 总线实现数据交互。3.2 液压支架电液控制关键技术液压支架作为综采工作面中重要的“三机”装备之一，其电液控制系统的运行可靠性对智能化系统有重要影响。如图 3 所示为综采工作面液压支架电液控制系统的主要技术原理图。由图 3 可知，该子系统可以划分成为三大模块，分别为参数采集模块、PLC 主控模块以及执行机构模块。参数采集模块主要是利用各种传感器对液压支架的运行状态进行采集，需要重点采集的对象包括油压、油缸位移以及液压支架位置等。将采集得到的数据信息输入到 PLC 主控模块中进行综合分析处理，根据处理结果输出控制变量，并交由执行机构对液压支架进行控制。主要是控制先导式电磁阀，进而实现液压油缸位移的控制，最终实现液压支架位置的精确控制。PLC 主控模块与核心控制系统之间通过 CAN 总线进行连接，实现数据信息的上传以及控制指令的下达。系统中使用的 PLC 主控模块为西门子的 S7-300 型 PLC 控制器，具有良好的性能，能满足系统的实际使用需要。主控模块与执行机构之间基于 RS-485 串口实现数据信息传达。3.3 乳化液泵站智能集成控制技术工作面使用远距离供液方式，所有的乳化液泵站全部设置在停产线外部区域。利用传感器实时监测泵站运行工况，包括流量乳化液、浓度液位等信息，将数据信图2 采煤机远程控制系统结构框图核心控制系统CAN总线RS-485牵引部截割部牵引电机变频器转速传感器转速传感器温度传感器温度传感器振动传感器振动传感器流量传感器烟雾传感器瓦斯传感器控制按键遥控器信号电参数采集电参数采集数字接口拓展模块DSP主控器模拟量输入接口数据采集模块输入接口输出接口截割电机摇臂图3 液压支架电液控制关键技术原理图核心控制系统CAN总线执行机构模块参数采集模块工况参数控制量油压传感器采煤机红外位置传感器油缸位移传感器PLC主控模块先导式电磁阀液压油缸液压支架86/矿业装备 MINING EQUIPMENT管 理息实时展示在集控中心监控屏幕上，工作人员可实时掌握乳化液泵站的运行状态，出现故障问题可以进行弹窗警告。乳化液泵站智能集成控制系统设置有自动配比系统和净化水系统，可以实现自动补液和乳化液的自动配比功能。设置有高压自动反冲洗系统，可以根据进出口时间、压力差等参数实现自动反冲洗功能。乳化液泵站可以按照恒压方式进行供液。3.4 装备顺序停机控制技术当工作面停止工作需要对所有的机械装备进行停机时，智能化系统可按照一定顺序依次对装备进行停机处理。按顺序停机可以保护设备自身安全，也可确保供电网络的稳定性。此项技术的关键在于设备空载运行电流的检测，需要对采煤机进行停机，确保工作面没有新的煤矿资源出现；再对刮板输送机的运行电流进行检测，需要用到霍尔电流传感器，当设备电流达到空载电流时，意味着刮板输送机上已经没有煤矿物料，可以对其进行停机；继续按照此流程，对转载机、破碎机、带式输送机等主要煤矿设备依次进行停机。3.5 高清视频通信技术为了更好的监控综采工作面的情况，在工作面中每间隔 6 个液压支架设置 1 部云台摄像仪。摄像仪可以根据设备的运转情况自动聚焦、自动旋转切换，对工作面中主要的煤矿开采装备进行实时监控，并将数据通过先进的通信技术上传至监控中心，工作人员在监控中心可实时掌握井下工作面主要设备的运行情况，及时发现问题并处理问题。3.6 井下万兆工业环网传输技术工作面智能化系统运行过程时会产生大量数据信息，利用传统的千兆环网难以满足实际使用要求，在综合考虑实际情况以及未来发展需求的基础上，使用的是万兆工业环网，整个矿井中设置有 7 万台交换机。另外，为了降低项目的建设成本，在矿井内部的网络分支仍然使用千兆网络，并配合使用现场总线网络传输技术。形成了万兆工业环网+千兆工业环网+现场总线的数据网络传输结构。4 综采工作面智能化系统的应用效果本文所述煤矿企业目前已经完成了综采工作面智能化系统的建设工作，经过调试能正常运行以后正式投入使用。与未使用智能化系统前相比较，使用系统以后产生的效益可从以下几个方面阐述：第一，安全效益。使用智能化系统后，综采工作面工作人员数量大幅度降低，基本能实现集中操作控制，实现无人化或少人值守，工作人员只需在监控中心即可掌握工作面的运行状态。系统可以对设备的故障情况进行预警，使得设备的运行故障率大幅度降低，保障了工作人员的安全，产生了显著的安全效益。第二，经济效益。未应用智能化系统前，综采工作面每班工作人员为 25 人，使用系统后人员降低到 9 人，削减了 16 人。每天按三班计算，每天可削减 48 人次。每人每天人工费按 300 元计算，每年按 330 天计算，则每年可以节省人员支出 475 万元左右。工作面推进速度方面，正常情况下每天推进 3m，使用智能化系统后工作面每天可推进 4.8m，煤矿开采效率提升了 37.5%，创造的经济效益不可估量。第三，社会效益。智能化系统的成功应用，极大提升了煤矿企业的智能化水平，为煤矿领域积累了智能化生产技术和经验，在煤矿领域起到了很好的引领示范作用，社会效益显著。5 结束语以煤矿综采工作面的智能化建设为研究对象，对智能化系统及相关关键技术进行了介绍，重点对采煤机远程控制关键技术和液压支架电液控制关键技术进行了介绍。通过对智能化系统在综采工作面中的成功应用，对比分析，发现为企业创造了良好的安全效益、经济效益和社会效益，值得进一步推广应用。参考文献1 冯涛.标准煤矿开采作业中科学选择采煤工艺的方法研究J.中国石油和化工标准与质量,2022,42(7):191-192.2 霍超,刘天绩,樊斌,等.双碳背景下我国煤炭资源勘查开发布局研究 J.地质论评,2022,68(3):938-944.3 牛明敏.综采工作面自动化智能化开采技术研究 J.西部探矿工程,2022,34(6):140-141.4 李东波.店坪煤矿智能化综采工作面应用实践 J.江西煤炭科技,2022(2):60-61.5 郭磊.关于煤矿智能综采工作面安全高效开采适应性评价分析 J.当代化工研究,2022(9):14-16.6 段志刚.煤矿智能化掘进系统的应用研究 J.机械管理开发,2022,37(3):220-222.