煤矿综采智能化管理系统设计应用

摘要:综采工作面智能化是煤矿领域未来发展的大趋势，能显著提升煤矿开采质量和效率。文章在简要介绍某煤矿综采工作面基本情况的基础上，设计研究了智能化管理系统的整体方案。该方案的网络框架分为3个层级，对高清视频监控、采煤机和液压支架的远程控制、设备联动停机等关键技术进行了详细介绍。工作面智能化管理系统应用到煤矿开采工程实践中，经测试发现其运行过程稳定可靠，显著提升了矿井的智能化水平，为企业创造了良好的社会效益和经济效益。

关键词:煤矿;工作面;智能化;管理系统

随着科学技术水平的不断发展，智能化技术在很多领域中都得到了应用，包括煤矿开采行业［1］。虽然通过建设综采工作面智能化管理系统能显著提升煤矿运行的效率和质量［2］，但是智能化技术在综采工作面中的实践应用时间相对较短，在实际运行中仍然存在一些问题，有待完善［3－4］。煤矿中使用的设备在工作时容易受到外界环境的影响或者干扰，给工作面智能化管理与控制带来了一定难度。为了促进综采工作面智能化技术的应用与发展，很多学者开展了相关研究，部分煤矿企业在实践中也进行了有益的探索，结合煤矿自身情况建立了智能化工作面，取得了很多成果［5－6］。文章在分析某煤矿实际需求的基础上，设计研究了工作面智能化管理系统，将其应用到煤矿开采实践后，取得了很好的效果。

1煤矿综采工作面概况

某煤矿企业正在开采的8号煤层，厚度为2．1～8．1m，平均4．76m。煤层的倾角为3～9°，平均5°左右。采煤机采高以及放顶煤高度分别为3m和2．75m。煤矿综采工作面使用的采煤设备及其他配套设备数量和种类很多，主要包括采煤机、液压支架、刮板输送机、转载机、破碎机、胶带输送机、水泵等。在以往的实践中，对这些设备的控制比较分散，导致设备的管理、控制质量与效率都偏低，工人的劳动强度大、采煤效率低，在一定程度上制约了煤矿企业的发展。基于此，矿井拟采用先进的智能化技术对工作面中使用的设备以及整个生产过程进行管理。

2智能化管理系统整体方案设计

在深入分析煤矿综采工作面实际情况的基础上，对智能化管理系统进行了详细的设计，整体方案见图1。从图1可以看出，整个智能化管理系统网络可以划分成为3个层级，分别为矿井工作面采煤设备层、单个设备控制系统层、计算机智能化集中控制层。采煤设备除了常见的采煤机、刮板输送机之外，还包括生产辅助设备，包括水泵、通风机等。为了更好地实现智能化管理控制，在一些重要的采煤设备比如液压支架、采煤机上安装高清摄像头。每种采煤设备或装置都有相应设备控制系统，对设备运行过程中的功率、电压、电流、温度等参数进行采集，并进行分析与控制。计算机智能化集中控制层主要包括交换机、计算机服务器等硬件设施，主要是对井下各设备控制系统传输上来的数据信息进行综合分析与评判，可以实现井下所有采煤设备及其他辅助装置的集中控制，以达到设备之间相互联动的效果。考虑到不同采煤设备之间的距离相对较远，最大距离超过了2km，这对数据信息的传输速度提出了相对较高的要求。该管理系统基于TCP/IP技术实现数据信息的输送，可以将传输延时控制在0．5s以内。另外，计算机服务器需要对多个控制系统进行综合控制，对其运算速度和性能也提出了一定的要求。结合矿井实际情况，选用西门子公司研制生产的S7－1200型PLC控制器。

3智能化管理系统关键技术

3．1高清视频监控技术

根据智能化管理系统设计需求，需要在综采工作面中布置一系列的高清摄像头对井下部分重要环节进行全覆盖监控，采集矿井下的视频信息，利用工业以太网将数据信息传输到位于地面的监控中心。画面可以实时呈现在监控屏幕上，对应的数据信息也会存储到数据服务器中，以便调取，达到工作面可视化的效果。该案例中使用的都是云台摄像仪。此类设备不仅具备良好的防爆性能，还可实现角度切换，水平方向上可以旋转180°，垂直方向上可以旋转75°。基于先进的软件技术，摄像头可以跟随设备一起移动，实时监控采煤机滚筒截割煤壁以及液压支架移动等过程，达到智能化监控与管理的目的。

3．2液压支架电液控制技术

先进的智能化电液控制技术，主要是在液压支架中布置大量的传感器，对设备运行状态信息实时监测，对液压支架的移架动作、移架顺序、初撑力大小设置等相关过程进行管理与控制。液压支架工作时产生的数据信息会传输到计算机服务器中进行分析和储存。该系统本身具备有故障诊断功能，一旦液压支架存在安全隐患或发生故障，系统可以快速确定故障位置及类型，发出声音警报。如果故障存在比较大的安全隐患，系统则会紧急闭锁，停止设备运行。智能化管理系统不但可以对某个液压支架进行自动控制，也可对所有的液压支架进行联动控制，同时又可实现手动控制。图2为液压支架电液控制技术原理。

3．3采煤机的智能化控制技术

在采煤机设备上，安装定位传感器和采高传感器等检测装置，可以对采煤机的位置及工作状态进行实时检测，再结合采煤机设备本身的记忆切割功能，可以实现对采煤机的智能化管理控制。8号工作面使用的采煤机，前滚筒和后滚筒分别对工作面顶煤和底煤进行切割开采，设备具有22象限记忆切割功能，运行过程中产生的轨迹信息、割煤时间以及刀数等都会传输到计算机服务器中进行管理和监管，位于地面的监控中心可以对采煤机进行远程控制，特殊情况下可以通过人工的方式进行控制。

3．4装备顺序停机控制技术

当综采工作面停止开采工作时，要求智能化管理系统可以根据设备的实际运行状态按照一定的顺序停机，以达到保护采煤设备和井下供电网络的目的。设计的装备顺序停机控制技术，主要是对各装备的空载作业电流进行检测分析并判断。一旦智能化管理系统启动顺序停机程序，通常需要首先对采煤机进行停机处理，确保在源头上没有煤矿物料产生，再对刮板输送机的运行电流进行检测，直到判断刮板输送机上无载荷为止，然后依次对转载机、破碎机、胶带输送机等设备的运行电流进行检测，直到达到空载电流标准时才停止运行。如果采煤设备能够按照一定的顺序停机，不仅可以起到保护设备的作用，还可以在一定程度上减少能源消耗。

作者:赵杰伟 单位:山西煤炭运销集团蒲县昊兴塬煤业有限公司