0 引 言
综采放顶煤是我国引领世界煤炭开采技术发展的标志性技术和成果[1]，持续推进综采放顶煤技术的进步和发展，实现综放开采的智能化是我国煤炭开采必须要攻克的关键问题，也是“机械化换人，自动化减人”科技强安专项行动及智能化煤矿建设的重大需求[2]。
自动放煤技术以及工作面装备协调联动是智能化综放开采的关键和研究热点。张良等[3]提出并试验了一种基于振动信号的综放工作面煤矸自动识别系统；王家臣等[4]对比了不同照度对煤矸图像识别正确率的影响；马英[5]基于时序放煤开发了自动化放煤系统；宋庆军等[6]开发的基于声波的放顶煤过程自动控制系统可识别出煤矸混合比例，实现了矸石含量的在线检测及堵煤、卡煤故障特征识别。近年来设备协调联动方面，通过对围岩智能耦合控制、工作面自动找直、刮板输送机煤流负荷平衡控制和工作面环境安全监测联动控制等技术攻关，在地质条件相对简单的煤层初步实现了人工远程干预的智能开采模式[7-8]。但受制于智能放煤制约，综放工作面未形成完整自动化控制系统。
综放实践方面，21世纪初原兖矿集团以先进综采放顶煤技术为依托，与天地科技股份有限公司合作发明了适宜自动化开采的两柱掩护式综放液压支架，首次将电液控制系统应用于综放液压支架，实现了综放自动化开采技术的重大突破，并推动了电液控制系统的国产化；2006年，国内首套年产600万t自动化、信息化综放成套装备在原兖矿集团东滩煤矿得到应用，并推广到澳大利亚，在澳斯达煤矿实现了自动化综放开采技术的应用；“十一五”国家重点研发计划项目“特厚煤层大采高综放开采关键技术及装备研究”和 “十二五”863 项目“两柱式强力放顶煤应用支架研制”项目攻关，基本奠定了现有综放装备技术体系[9-11]；依托“十三五”国家重点研发计划课题，提出了特厚煤层智能化综放开采理论与关键技术架构[12-13]，开展了智能化综放开采的实践[14-15]。但仍没有形成常态化综放开采，与实现综采工作面智能化尚有较大差距。
针对综放工作面缺失完整控制系统，无法常态化运行的难题，在放顶煤装备及自动化技术的基础上，集成应用先进的技术成果，开发出综放开采智能化控制系统，在鲍店煤矿7302工作面成功开展了智能化综放技术示范，以“装备自动控制、数据自动采集、岗位无人值守”为方向，实现了采煤机智能控制、“三机”一键启停、液压支架自动跟机、采煤机记忆截割、时间记忆自动放煤以及可视化远程监控等功能，打造了 “自动控制为主，人工干预为辅”的智能化综放生产常态化运行新模式。
1 工作面及装备概况
1.1 煤层概况
鲍店煤矿位于济宁市境内，处于兖州煤田的中部。现井田开采深度约为-480 m。矿井开拓方式为立井多水平开拓，全矿井共划分8个采区，现主要生产采区为五、六、七、八、十采区。工作面开采煤层为山西组的3煤。
7302工作面位于七采区西翼北部，是七采区西翼3煤层第1个区段的工作面，工作面长度为287 m，推进长度为2 132 m，储量718.9 万t，是公司本部乃至省内矿井中煤炭储量最大的工作面。工作面煤层总体趋势为西北高东南低，煤层产状为：走向33°～105°，倾向123°～15°，煤层倾角2°～14°，平均8°。工作面煤层厚度8.16～9.69 m，平均9.04 m，具有埋藏浅、倾角小、结构简单、厚度稳定、几何尺寸较大等特点，采场条件适宜智能化综放工作面建设。
1.2 工作面设备配置
综放开采作为厚煤层开采主要技术手段，工作面安全高效推进依赖于开采装备的适应性和可靠性，其中放顶煤液压支架是核心装备。为提升放顶煤液压支架可靠性，研究了液压支架高压自动补偿系统和超大流量快速移架系统，支架立柱及千斤顶采用表面镀铜、推移活塞杆激光熔覆等新技术，创新液压支架生产新材料新工艺，保证工作面设备高可靠性常态化运行。综放工作面装备配置情况见表1。
表1 综放工作面主要装备
Table 1 Main equipment for full-mechanized caving mining face
装备规格型号数量采煤机MG750/18601台中间支架ZF12000/22/42162架过渡支架ZFG12000/26/458架轨道巷超前支架ZT102400/28/501套运输巷超前支架ZT45000/24/451套前部刮板输送机SGZ1000/24001部后部刮板输送机SGZ1000/24001部转载机SZZ1200/7001台破碎机PLM35001台乳化液泵(包括泵箱)BRW630/40R4泵2箱喷雾泵(包括泵箱)BPW516/164泵2箱
2 综放工作面智能化控制系统
2.1 总体技术架构
为全面实现“采-放-运”高效协同运行，将工作面的工人从工作面解放出来，设计开发了一套完整的工作面自动化解决方案。工作面自动化系统将各个独立的子系统集成，通过多种技术(控制、以太网、无线、视频、通信、液压等)的融合，实现工作面监控中心对设备的整体集中自动化监控。7302工作面综合自动化系统总体架构如图1所示。
图1 7302综放工作面综合自动化系统总体架构
Fig.1 Overall architecture of integrated automation system for No.7302 full-mechanized caving mining face
上述综合自动化系统可实现以下8大基本功能：
1)一键启停：系统自动完成设备层面的启动条件判断、启动逻辑控制、停止条件判定、停止逻辑控制和意外情况造成的顺序停止。
2)采煤机记忆割煤：可对整体模式、全局参数、局部模式、局部参数进行修正。
3)自动化放煤：依据记忆放煤方法，实现自动化放煤。
4)自动跟机(含斜切进刀)移架：运输系统、供液系统等根据采煤机工况、煤流负载、液压系统状态等进行自动调节。
5)防碰撞功能：系统自动完成采煤机、液压支架、刮板输送机安全距离的监测，避免设备干涉。
6)端头设备联动：依据信息监测和视频监测进行联动控制或远程手动控制；根据端头设备位置监控、机头机尾进尺监控、伪斜角度监控等措施对采煤工艺进行微调。
7)工艺执行管理：对既定工艺的执行过程、执行结果进行有效监测，及时反馈，根据反馈情况及时调整工艺，形成控制闭环。
8)故障管理：对可能出现的故障进行分析，实现故障分级管理；具备“带病运行”模式，避免系统频繁停机。
2.2 工作面智能化子系统
2.2.1 工作面监控中心
目前综采工作面所包含的系统控制方式依旧存在碎片化分布式监控，以现有综采工作面被控设备为基础，建立了以集控中心为核心，工作面视频监控、音频采集为辅助的集中自动化控制系统(图2)。
图2 集控中心组成
Fig.2 Centralized control center
集控中心采用“集中+模块”化设计(视频+音频+数据三合一交互展式、集成，集中协同调度、控制，存储、查询、分析)的组合式设计，能够对液压支架、采煤机、泵站、“三机”、巷道运输、供配电进行协同控制及远程监测，实时的音视频信息为集控中心提供辅助安全保障。
2.2.2 液压支架电液控制系统
集中监控中心与电液控系统采用CAN(Controller Area Network)总线协议，工作面监控中心通过交换机向电液控制系统主机发送控制指令，并且电液控制系统开发控制权限并提供数据接口，能实现在巷道集控中心对液压支架的远程控制：
1)三角煤自动化功能实现。整个工作面采煤机割煤过程轨迹呈现Z字形如图3所示，先行采煤机割透整个工作面，然后由液压支架推行形成三角煤弯曲段，采煤机斜切进刀，然后回刀割掉三角煤，完成完整一刀的采煤过程。端部斜切进刀割三角煤时，采煤机自上端头向下进刀割煤，待采煤机经过前溜弯曲段后，将前溜移直，采煤机向上返割三角煤，然后自上向下割至下端头。
图3 工作面采煤机割煤路径
Fig.3 Cutting path of shearer
2)智能时序放煤功能。基于放顶煤液压支架电液控制系统，开发了智能记忆放煤方法，如图4所示，放煤工序滞后工作面移架工序进行，滞后距离为3架。放煤工艺遵循以下原则：多轮、顺序、均匀放煤、大块破碎、见矸关门。
图4 智能化放煤原理
Fig.4 Principles of intelligent coal caving
借助放煤机构状态多方位感知数据，以时序为调控参数，提升工作面放煤自主化性能，增强了智能放煤技术对复杂条件的适应性。
多轮放煤：在顶煤厚度达到3 m以上时，顶煤垮落以后，上位顶煤由于垮落空间有限，不能充分破碎，甚至有一部分靠近直接顶的顶煤不能垮落，如果这时全部将冒落的顶煤放出，将会造成顶煤块度大以及部分顶煤未垮落。因此，应采用2轮或3轮放煤。即第1轮放出顶煤的1/2，其余的在第2轮全部放出。此流程通过程序加以经验时间控制。
顺序放煤：在工作面全长上应从工作面一端开始，顺序打开支架放煤口进行放煤，与移架的顺序保持一致。
均匀放煤：在每轮次放煤时，每个放煤口的放煤量应近似相等。一般情况下，通过控制放煤时间来控制。
大块破碎：放煤过程中如遇见大块煤，应及时用支架放煤机构的破煤装置将大块破碎。对低位放顶煤工艺而言，通过尾梁倾角传感器控制尾梁的摆动角度，将大块挤碎或者用插板将大块煤捣碎。
见矸关门：当进行最后一轮放煤，在放煤口出现约30%的含矸量时，关闭放煤口，可以通过控制放煤时间来控制，在生产过程当中，可随着煤层厚度变化以及工作面的推进调整放煤的时间参数。
2.2.3 采煤机控制系统
采煤机的上位机通过交换机接入到自动化平台，实现采煤机状态实时显示、远程控制、综采设备联动、记忆割煤、状态数据分析和评估等功能，实现采煤机远程化控制，如图5所示。
图5 采煤机远程控制
Fig.5 Remote control of shearer
2.2.4 输送机通信控制系统
开发了输送机集中控制系统，输送机通信控制系统能够显示刮板输送机、转载机、破碎机、带式输送机运行数据，实现对输送机、转载机及破碎机等设备的集中控制，对刮板输送机、转载机、破碎机及带式输送机的单设备远程启停控制。远程启停控制具备如下功能：
1)单设备启停功能，包括刮板输送机、转载机、破碎机(需解除联锁)。
2)顺序开机功能，启动顺序如下：破碎机—转载机—刮板输送机—采煤机(存在联锁关系)。
3)顺序停机功能，停机顺序如下：采煤机—刮板输送机—转载机—破碎机。
4)具有急停闭锁功能。同时，输送机通信控制系统还可以实现与带式输送机的双向通信，实时获取带式输送机的运行状态，若带式输送机处于停止状态，自动闭锁工作面“三机”设备。当工作面自动化系统出现故障时，刮板输送机、转载机、破碎机、巷道带式输送机子系统不受自动化系统制约，可以单独开机，确保生产不受影响。
2.2.5 泵站控制系统
泵站乳化液配比通过交换机接入到自动化平台上，对泵站系统的数据采集和运行状态进行集中显示，远程启停控制，通过变频器调节泵流量以实现综采系统自动联动。
1)泵站系统数据监测功能。泵站系统及乳化液配比装置的相关运行数据经过数据通信传输给巷道集中控制室内的自动化主机，并在自动化主机上进行显示，显示内容需包含：泵站工作状态、控制模式、泵站油温、油位、出口压力及压力差、液箱液位以及乳化液配比浓度、工作状态等所有泵站系统发送给自动化主机的数据信息，实现对泵站、乳化液配比设备的远程监测，同时将泵站运行故障报警进行集成显示。
2)泵站系统数据远程控制功能。①实现单台乳化泵启动、单台乳化泵停止，单台喷雾泵启动、单台喷雾泵停止，自动配比启动、自动配比停止。②泵站联动启动、泵站联动停止以及泵站系统急停功能。
2.2.6 工作面视频系统
工作面每3个支架安装1台矿用本质安全型摄像仪，安装于支架的顶梁上，兼顾煤壁和机道，进行视频监控、跟机视频。输送机机头、转载机、泵站处各安装1台矿用本质安全型摄像仪，进行实时监控。巷道带式输送机机头和机尾处各安装1台矿用本质安全型摄像仪，实现对设备及出煤情况的视频监视。在监控中心安装1路视频摄像仪，地面调度中心可对监控中心进行监测，以防监控中心长期处于无人状态。
网络摄像仪采用以太网进行视频传输，摄像仪传输接口采用以太网电口传输，传输速率为100 Mbit/s，该摄像仪具有红外补光功能，摄像仪通过有线或无线的方式接到基站，通过基站供电和视频信息的传输。
在监控中心配备2台矿用本质安全型显示器，进行工作面视频显示，实现在视频显示器上跟随采煤机自动切换视频摄像仪画面，视频显示器传输接口采用以太网电口传输，传输速率为100 Mbit/s。工作面视频接入方式如图6所示。
图6 工作面视频接入方式
Fig.6 Connection of video system
2.2.7 工业以太网及无线信号
工作面光纤以太网主要由本质安全型无线基站、矿用隔爆兼本质安全型电源、光纤快插连接器等组成。基站安装在支架顶梁上以及巷道壁上，工作面每6架安装1台，巷道输送带每300 m安装1台。每台基站需要1台电源供电。基站与基站之间采用快插光纤连接器桥接，带宽可达到千兆。每台基站带有3路以太网接口，可连接2台本安摄像仪，同时给摄像仪提供电源。基站带有全向天线，可实现2.4 G的WiFi接入，同时还配有2路RS485接口。
2.2.8 手持终端
无线基站通过2.4G无线AP接入，实现整个工作面WIFI覆盖。覆盖范围内可使用本安手机，手机安装APP软件实现功能如下：工作面“三机”、泵站、输送带遥控；显示与地面视频通话；实现工作面工业视频画面监控；显示与沿线扩音电话通话；实现工作面工况数据监测。
2.2.9 巷道输送带智能调速系统
巷道输送带采用变频器驱动，为了实现运行过程中可根据煤量智能调速，在转载机上安装一个超声波煤流传感器(图7)。传感器通过在电子单元的控制下，探头向被测物体发射一束超声波脉冲。声波被物体表面反射，部分反射回波由探头接收并转换为电信号。从超声波发射到重新被接收，其时间与探头至被测物体的距离成正比。电子单元检测该时间，并根据已知的声速计算出被测距离，通过减法运算就可得出物位值。
图7 超声波煤流传感器
Fig.7 Ultrasonic coal flow sensor
数据传输到监控中心后台计算机，计算机建立数学模型通过积分算出煤流体积和煤量，然后控制变频器进行调速。
2.2.10 人员定位及环境监测联动
工作面自动化系统为环境安全监测系统预留接口，在监控中心显示并实现联动保障。当发生灾害报警时，工作面会立即断电停车，系统报警，指示人员回撤。
人员定位信息可在综采工作面集中控制中心显示，并实现联动保障，并满足以下功能：①实时监测当前井下人员动态；②定位井下人员位置；③在工作面设定安全区，对重要综采设备设立安全区。
3 智能综放技术系统应用
综放智能化控制系统集成应用了工作面时序智能放煤、采煤机智能化截割等关键技术，实现了工作面采煤机、刮板输送机和液压支架智能化协同控制采煤作业的目的，形成了一套集智能化传感、工业以太网、智能控制软件和智能监控中心为一体的成套装备与智能开采工艺(图8)。
图8 7302综放工作面井下运行情况
Fig.8 Running situation of No.7302 fully-mechanized caving mining face
3.1 系统工业试验原则
为实现常态化运行，工业试验过程中，加强技术和管理创新：
1)严抓关键环节管控。建立采区远距离无人值守集中供液系统，配备大流量变频驱动泵站，有效缓冲液压脉动，实现恒压供液；选用20 t/h净水装置，实现乳化液纯净水配制，采用4级高精度过滤，确保用液清洁度。
2)优化智能开采工艺。积极优化跟机控制和支架动作程序，对拉移超前支架进行智能识别处理。精准测量、记录、比对、优化放煤时间、放煤倾角等相关参数，单轮放煤时间由26 s缩减至13 s，双轮顺序放煤支架间隔由5架调整为10架。采煤机依据示范刀记忆采高、速度等相关数据，进行智能化运算，形成记忆截割模板，并可在自动截割过程中不断修正误差，实现自动调高、挖底、加速和减速等控制功能。
3)健全岗位标准。制定了《智能采煤工作面技术规范》，明确职工培训、材料投入、生产调度等相关责任单位和人员作业标准，强化技术、装备、资金、人才等保障措施。
3.2 系统工业性试验成果
通过井下工业性试验，该套系统达到以下指标：
1)通过完善的智能化开采设备配套，实现了煤矿智能化综放开采的常态化应用，液压支架自动跟机率达75%以上，时序自动放煤率达70%以上，达到了综采工作面年产1 000 万t的生产能力，工作面内作业人员从原来的9人减为4人，实现了煤矿高产高效绿色安全开采的目标。
2)采煤机通过对摇臂采高传感器零点校准和线性系数的校准，其检测精度优于3 cm，满足记忆割煤调高需求，并保证端点特别是输送机机头机尾的精度，保证记忆割煤时的位置要求，确保采煤机在工作面的行程安全。
3)经过对采煤机记忆截割功能的测试，系统能够支持井下工作面复杂端头截割作业循环，控制操作方便快捷、煤机主显示屏、带真彩显示端头站和远程显示信息准确，自动截割端点位置定位精确，左右滚筒截割高度重复精度高，具有很强的实用性，记忆截割开机率达到85%以上。
4)智能刮板输送机实现了自动张紧、智能调速等功能，全面降低了刮板输送机的能源消耗、设备磨损，在显著提高生产效率的同时提高设备可靠性、延长设备使用寿命，实现了综采设备采煤机、液压支架、刮板输送机“三机”的智能化协同控制。
目前研制的智能化综放控制系统以及形成的智能综放模式现已在东滩、兴隆和赵楼等多处煤矿得到推广应用。
4 结 论
1)在当前的技术条件下，有稳定可控的工作面条件仍是实现智能开采的基础。7302工作面整体地质条件简单，煤层赋存条件好，为智能化建设提供了良好的平台。
2)装备的适应性和可靠性是智能化的基础。高工作阻力液压支架、高可靠性采煤机、大功率高运能刮板输送机以及泵站等为工作面智能化运行奠定了装备基础。
3)综放开采智能化控制系统与现场管理的结合是实现常态化运行的保障。液压支架记忆放煤、采煤机记忆截割、三角煤截割工艺、输送系统联动运行、泵站自动控制等关键技术和控制系统，必须在实践中不断完善，加强现场管理，才有效实现智能化功能。
4)鲍店煤矿7302工作面智能化综放实践，减少了煤矿井下综采工作面的人员数量，降低了生产设备的能耗，向煤矿绿色开采推进了一步，带动了我国相关研究单位和企业在自动化、智能化、高端材料、关键制造工艺等方面的整体技术进步，为资源环境技术领域相关的科技研发工作和相关学科积累了实践经验。
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