自动化少人综采工作面的研发与应用
田生文，田建川
神华宁夏煤业集团机电管理部，750001
摘要
综采工作面是现代化煤矿生产的主要环节，是煤矿生产中设备最多、环境最恶劣、工作最复杂的系统。
综采工作面少人自动控制系统，是以顺槽监控中心为总控中心，以工作面视频、以太网、音频、远控为基础，以采煤机记忆割煤为核心，通过自动控制为主，远程干预为辅的控制方式，实现在顺槽监控中心对综采设备实现就地/集中/远程三级控制和地面实时数据和三维虚拟观测。
该系统在神宁集团公司梅花井煤矿1102206工作面的应用，大大降低了劳动强度,提高了生产效率,实现了工作面协调、安全、可靠的生产，为探索薄煤层工作面无人化开采积累了经验。
关键字：自动化监控，安全少人，三维虚拟
1.引言
薄煤层的安全开采成为近年我国煤矿企业发展的焦点。
由于薄煤层开采空间小，回采难度大，效率低、工作人员的行人空间有限，工作人员的安全难以保障，事故频发。
根据我国煤炭储存及开采现状，薄煤层的高效开采是必然的趋势，由于薄煤层按传统方法开采时员工劳动强度大，生产效率及安全系数较低，目前国内自动化采煤工作面开发得理论已经成熟，但实际应用效果不明显。
本项目以高可靠的传感技术、信息传输技术及三维实时数虚拟技术，开发了一套适应能力强、可靠性高的自动化采煤工作面，以实现工作面少人自动化开采。
2.自动化控制结构
系统主要由三部分组成，综采单机设备第一层、顺槽监控中心第二层、地面第三层。
即采煤机控制系统、支架电液控制系统、工作面运输控制系统、三机通信控制系统、泵站控制系统及供电系统有机结合（第一层），实现顺槽监控中心（第二层）对对综合机械化采煤工作面设备的协调管理与集中控制。
通过以太网及矿井环网将工作面视频及以设备运行参数为基础的三维虚拟现实图像集中地面调度中心及上级调度指挥中心（第三层），为地面人员生产调度提供实时可靠数据。
3.主要研究内容
3.1 综采工作面工业以太网
利用工作面的综合接入器、光电转换器和交换机，建立一个统一开放的工作面百兆工业以太网，构建控制平台，将工作面设备连接到顺槽集控中心的隔爆服务器，实现工作面设备信息汇集。
3.2 综采工作面视频系统
对工作面关键位置进行实时摄像，通过有线或无线的方式传输给工作面以太网，通过以太网及矿井环网传输到矿用本质安全型显示器及地面调度系统。
3.2.1采煤机机载视频
在采煤机左右摇臂部各安装一台网络摄像仪，实时监视采煤机滚筒上沿及对应位置顶板、支架护帮板状态，以无线方式传输到工作面工业以太网，通过以太网传输到矿用本质安全型显示器。
3.2.2液压支架视频
每6支架安装1台矿用本质安全型摄像仪，通过顺槽控制中心控制其跟随采煤机切换视频，且同时集中显示采煤机附近3台摄像仪的视频，也可在顺槽监控中心调取任意一视频，通过以太网传输到矿用本质安全型显示器。
3.2.3其他综采设备视频
在刮板输送机机头机尾、转载机机头、监控中心控制台、顺槽胶带输送机机头、乳化液泵站、喷雾泵泵站各安装1台摄像仪，并通过工业以太网网络传输到矿用本质安全型显示器。
3.3顺槽监控中心
顺槽监控中心是连接地面和工作面的监控中心，安装在顺槽列车上，操作者通过语音通信进行调度、联络；通过操作台可远程操控工作面上的相应设备。
监控中心主要由服务器、显示器、操作台、喊话器、交换机等组成。
有全自动控制模式、分机自动控制模式及分机集中控制模式。
3.3.1全自动控制模式
可将集成控制系统设置为“全自动化”工作模式，通过“一键”启停按键启动工作面综采设备完全自动化运行。
监控中心通过实时视频、数据实时监控工作面综采设备运行工况，当设备运行异常但系统没有纠正时，可通过人工干预手段对设备进行远程干预。
如采煤机摇臂的调整、液压支架的动作等。
3.3.2分机自动控制模式
（1）采煤机自动化
采煤机智能控制系统依据采煤机高度传感器实现采煤机的记忆割煤和远程干预等功能，实现以记忆割煤为主，远程控制为辅的生产工作模式。
①煤机摇臂高度监测功能：通过实时监测摇臂的高度，作为采煤机的智能调高系统的反馈依据，根据工作面煤层赋存条件实时改变摇臂高度，调节前后滚筒，实现采煤机自动割煤操作。
②智能化快速记忆截割自动控制功能：根据系统前一次割煤过程中存储的煤层赋存曲线，实现记忆截割功能（包括斜切进刀、割三角煤及清浮煤等）。
③采煤机远程控制功能：依据采煤机主机系统及工作面视频，通过操作采煤机远程操作台实现对采煤机的远程控制。
通过远程控制台实现采煤机远程控制功能，可以进行采煤机的启停控制、运行速度控制和前后滚筒摇臂高度控制等。
（2）液压支架自动化
在支架电液控制系统标配基础上，通过增加接近传感器、倾角传感器等以实现液压支架的自动化控制。
①互帮感知及防碰撞：在互帮板安装接近传感器，依据传感器值判断护帮板是否收到位，防止采煤机自动化割煤时护帮板没有收回发生干涉。
②跟机伸伸缩梁功能：煤机前滚筒割煤过后需立即伸伸缩梁护顶。
考虑到煤机位置在传感器失效或遮挡的情况下会有跳变，引起护帮与滚筒干涉，因此设计在煤机中部进行跟机伸伸缩梁功能。
③提高跟机移架速度的改进：改进电液控控制软件，实现了液压支架的辅助动作可与支架移架的主要动作同时进行。
同时，实现了邻架升柱到一定压力，本架即开始动作的功能，减少了相邻支架动作的相对时间。
通过改进，实现了平均每个支架移架时间15秒左右的目标，可以满足采煤机最高14m/min的运行速度。
④增强抬底效果的改进:综采设备下滑幅度较大，在跟机移架程序中加入自动底调功能，避免了工作面设备的下滑。
3.3.4分机集中控制模式
（1）采煤机工况监测与远程集中控制功能，实现对采煤机启停状态、电流、功率、左右摇臂、左右牵引电机温度，牵引方向、速度，冷却水流量、压力，油箱温度，左右滚筒采高或卧底量，采煤机在工作面位置等的监测。
同时通过采煤机监控主画面和视频画面，在监控中心对采煤机在任何状态下进行远程控制。
（2）具有在监控中心对液压支架工况监测与远程集中控制功能。
通过电液控制系统数据和工作面以太网视频传输，在监控中心显示支架数据和视频信息，如传感器数值、控制器状态、采煤机位置及支架视频等。
同时，以电液控计算机主画面和工作面视频画面为辅助手段，在跟机自动化割煤过程中，使用液压支架操作台进行远程操作，人工干预支架动作，以满足较为复杂的地质条件。
（3）具有在监控中心对运输设备及泵站系统工况监测及自动化控制功能。
对运输设备及泵站系统的关键运行参数进行实时在线监测（如运行速度、电机温度、系统供液压力等），并通过这些参数为参考对运输设备及泵站系统进行远程集中控制。
3.4地面监控系统
3.4.1 地面监控系统平台
在地面调度室建立了以“地面数据服务中心”为基础的数据、视频及三维虚拟大屏幕显示系统，实现了对整个工作面实现集中监控。
监控系统将综采工作面采煤机、液压支架、刮板输送机、转载机、破碎机、乳化液泵站、喷雾泵站及供电系统等有机结合起来，实现在地面调度指挥中心对综采工作面设备的远程监测以及各种数据的实时显示等，为井下工作面现场和地面生产、管理人员提供实时的井下工作面生产及安全信息。
3.4.2流媒体服务
采用了先进的流媒体服务器技术，它将多个客户端对同一个摄像头的流媒体访问进行代理，极大的减轻了前端网络摄像头的负荷和矿井环网的网络带宽负荷，也实现了矿井环网和管理网络的之间跨网段的视频发布。
管理人员通过办公网络，就可以实现远程访问工作面的摄像头，进行视频实时监控。
3.4.4 工作面三维虚拟现实
实现了基于实时监测数据基础上的三维模拟系统，真实虚拟现场运行环境，可提供直观的状态监测及生产指导服务。
4.结语
项目实现了综采工作面设备顺槽集中控制和地面远程监控等功能，达到以下两点效果：一是将工人从操作工变成巡检工，由设备的自动化替代人工劳动，大大降低了工人的劳动强度；二是将工人从危险的工作面采场解放到相对安全的顺槽监控中心，在监控中心对设备进行远程操控，提高了工人的安全系数。
项目的顺利实施，促进了煤矿开采技术进步，改变了工人的操作习惯，改善了工人的劳动环境，探索了一条工作面少人化、无人化开采的路子，对探索薄煤层工作面自动化开采的推广具有重大意义。
参考文献
[1] 贺海涛.综采工作面自动化在神东矿区的实践[J].陕西煤炭，2009年02期
[2] 田成金.薄煤层自动化工作面关键技术现状与展望[J].煤炭科学技术，2011年08期
[3] 朱帅虎,亓佳利.煤矿信息网络化现状及应用前景[J].煤炭工程，2012年11期
作者简介：田生文（1963-），男，宁夏银川人，高级工程师，现就职于神华宁夏煤业集团机电管理部。