案例汇编 | 晋保煤业13102大采高智能化工作面的研究应用

山西忻州神达晋保煤业有限公司

（一）矿井概况

山西忻州神达晋保煤业有限公司矿井位于保德县城南46km南河沟乡扒楼沟村西南附近，行政区隶属保德县南河沟乡。2012年11月27日山西省国土资源厅为我矿下发新的采矿许可证，批准开采8#、12#、13#煤层，井田面积10.0725km®。我矿井田北与忻州神达金山煤业有限公司相邻，南与西山煤电集团斜沟煤矿井田相邻，东为露头区域，西部为空井田。

2021年10月28日由山西省能源局下发《关于山西忻州神达晋保煤业有限公司核定生产能力的批复》（晋能源煤技发〔2021〕483号），同意晋保煤业生产能力由180万吨/年核定为300万吨/年。

图1晋保煤业办公场地

（二）建设内容

1.支架电液控制系统

（1）系统组成

电液控制系统采用郑煤机ZE07~04型电液控制系统，主要由：支架控制器、电磁阀驱动器、电液换向主阀、反冲洗过滤器、隔爆兼本安型稳压电源、矿用本安型双向隔离耦合器、矿用本安型中继器、矿用本安型信号灯、压力传感器、位移传感器、倾角传感器、采煤机定位系统、支架无线遥控器等组成。

1）工作面液压支架中间架170架控制方式为电液控制，采用20功能21接口矿用本安型电液控换向主阀组+4功能4接口矿用本安型电液控换向副阀组。

电液控换向主阀组功能（以最终设计为准）：

功能1/2：立柱升/降（2功能，3出口，3~DN20）

功能3/4：拉架/推溜（2功能，2出口，2~DN20）

功能5/6：平衡千斤顶伸/收（2功能，2出口，2~DN10）

功能7/8：侧推千斤顶伸/收（2功能，2出口，2~DN10）

功能9/10：抬底/喷雾伸（2功能，2出口，2~DN10）

功能11/12：一级护帮伸/收（2功能，2出口，2~DN10）

功能13/14：二级护帮伸/收（2功能，2出口，2~DN10）

功能15/16：三级护帮伸/收（2功能，2出口，2~DN10）

功能17/18：伸缩梁千斤顶伸/收（2功能，2出口，2D~N10）

功能19/20：底调千斤顶伸/收（2功能，2出口，2~DN10）主进液：P=DN25；主回液：R=DN32

电液控换向副阀组（以最终设计为准）：

功能1/2：尾梁千斤顶伸/收（2功能，2出口，2~DN10）功能3/4：插板千斤顶伸/收（2功能，2出口，2~DN10）

2）工作面液压支架过渡架2架控制方式为电液控制，采用20功能21接口矿用本安型电液控换向主阀组+6功能6接口矿用本安型电液控换向副阀组。

电液控换向主阀组功能（以最终设计为准）：

功能1/2：立柱升/降（2功能，3出口，3~DN20）

功能3/4：拉架/推溜（2功能，2出口，2~DN20）

功能5/6：平衡千斤顶伸/收（2功能，2出口，2~DN10）

功能7/8：侧推千斤顶伸/收（2功能，2出口，2~DN10）

功能9/10：抬底/喷雾伸（2功能，2出口，2~DN10）

功能11/12：一级护帮伸/收（2功能，2出口，2~DN10）

功能13/14：二级护帮伸/收（2功能，2出口，2~DN10）

功能15/16：三级护帮伸/收（2功能，2出口，2~DN10）

功能17/18：伸缩梁千斤顶伸/收（2功能，2出口，2~DN10）功能19/20：底调千斤顶伸/收（2功能，2出口，2~DN10）

主进液：P=DN25；主回液：R=DN32

电液控换向副阀组功能（以最终设计为准）：

功能1/2：尾梁千斤顶伸/收（2功能，2出口，2~DN10）

功能3/4：插板千斤顶伸/收（2功能，2出口，2~DN10）

功能5/6：侧帮千斤顶伸/收（2功能，2出口，2~DN10）

3）工作面液压支架端头架6架控制方式为电液控制，采用20功能21接口矿用本安型电液控换向主阀组。

电液控换向阀组功能（以最终设计为准）：

功能1/2：立柱升/降（2功能，3出口，3~DN20）

功能3/4：拉架/推溜（2功能，2出口，2~DN20）

功能5/6：平衡千斤顶伸/收（2功能，2出口，2~DN10）

功能7/8：一级护帮伸/收（2功能，2出口，2~DN10）

功能9/10：侧护千斤顶伸（2功能，2出口，2~DN10）

功能11/12：底调千斤顶伸/收（2功能，2出口，2~DN10）

功能13/14：喷雾/抬底伸/收（2功能，2出口，2~DN10）

功能15/16：尾梁千斤顶伸/收（2功能，2出口，2~DN10）

功能17/18：插板千斤顶伸/收（2功能，2出口，2~DN10）

功能19/20：二级护帮伸/收（2功能，2出口，2~DN10）

主进液：P=DN25；主回液：R=DN32

4）工作面液压支架机巷超前支架2组4架控制方式为电液控制，采用18功能18接口矿用本安型电液控换向主阀组；风巷超前支架3组6架控制方式为电液控制，其中4架采用18功能18接口矿用本安型电液控换向主阀组，另2架采用20功能20接口矿用本安型电液控换向主阀组。

（2）系统功能

1）电液控系统能够完成支架的各种动作功能；邻架、隔架单动作控制，实现本架电磁阀按钮的手动操作。

2）电液控制系统具有单架自动控制功能，实现支架的升降、推移动作的自动控制。

3）电液控制系统通过对采煤机位置及运行方向的识别，可以实现工作面液压支架跟随采煤机作业自动化控制功能：自动伸收护帮、自动伸收伸缩梁、自动跟机移架、自动推溜以及跟机自动喷雾控制功能。

4）电液控系统具备无线遥控功能，配置10件无线遥控装置；并具备遥控位置就近与所在区域控制器提前配对，避免支架遥控器配对读码时间，提高操作效率，无线遥控功能主要包括：单架动作和成组动作等。

5）工作面每架配置1件压力传感器，电液控制系统实现初撑力自动保持功能，补偿初撑力可调（不超过泵压）；具有带压移架功能。

6）超前支架每架配置1件压力传感器，用于监测立柱压力，压力数据可以上传到集控中心，在井下和地面自动化软件界面可以显示实时压力。

7）工作面每架配置1个位移传感器，监测推移行程，配合推移调速阀实现支架精准推溜。

8）每台支架配置1台自动反冲洗过滤器，过滤精度25μm，流量900L/min；反冲洗间隔周期及每次反冲洗时间可通过参数设定，并具备自动反冲洗区间设定功能，反冲洗位置记忆功能，当设备重启后从当前记忆位置继续反冲。

9）工作面每台支架配置1件推移调速阀，实现对液压支架推移千斤顶的精准控制，配合采煤机惯性导航系统，实现工作面运输机的精准推溜。

10）配备红外线发射、接收装置，可与工作面采煤机实现联动，同时具有接收采煤机数字信号实现联动功能，支架能满足与采煤机、刮板机进行自动割煤要求，在三角煤区域也能实现自动拉架（在地质条件良好、安全的前提下）。

图2工作面实景图片

11）工作面每架配置4件倾角传感器，分别安装在支架底座、连杆、顶梁、护帮处；用于监测支架高度及姿态，能够在顺槽集控中心自动化平台实时反馈支架姿态。

12）电液控制系统每台支架配置1件支架警示灯，支架动作时警示灯闪烁（安全、闭锁、急停/动作），保障人员通行安全。

13）每6台支架配置一件隔爆兼本安型稳压电源，供电电压为AC127V50Hz，用于给电液控系统供电。

14）电液控系统连接器具有快插功能，插接可靠，有较好的抗砸、抗挤、抗拉能力，插接灵活。

15）电液控系统设有声音报警、急停、本架闭锁及故障自诊断显示功能，并能方便地进行人工手动操作，能够在线进行参数调整设定和现场程序装载与更新。

16）电液控系统实现对立柱的工作压力、推移千斤顶的行程、煤机的位置、煤机的方向进行监测的功能，能够在井下电液控制主机（如上自动化包含在集控中心）上对上述信息进行显示和存储60天历史记录。

17）控制系统能够提供接口与自动化集控系统进行双向通信，控制系统将系统内传感器所有检测数据和动作信号都传输给集控系统。

18）电液控制系统具备工作面增加、减少支架后电液控系统的扩展功能。

19）具备多种操作方式及方便灵活的按键动作配置，可在不修改程序的情况下配置各种架型适用的动作功能。

20）控制系统实现传感器接口扩展功能，为后期接入更多传感器提供硬件支撑，无需更换现有控制系统。

21）操作指示牌固定在主阀上，标示清晰，固定牢靠。

22）所有液压产品按DN系列制造，该控制系统与支架液压系统匹配。

23）所提供的产品具有《煤矿安全规程》所规定的各种保护及要求，产品具有国家煤矿安全标志办公室颁发的煤矿产品安全标志证书，电气产品符合国家防爆标准并具有相应的防爆证书。

2.采煤机远程控制

（1）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。

（2）远程控制功能包括采煤机截割电机启停及摇臂升降、采煤机组的总启/停、左牵、右牵、急停等动作。

（3）采煤机记忆割煤功能启动/关闭。

（4）可以与刮板输送机电流关联，当刮板机电流过载运行时可放慢采煤机的牵引速度，减少煤量；当刮板机电流超过设定上限时，自动停止并闭锁工作面采煤机，需要采煤机处于远程控制模式。

（5）实现支架防干涉功能，监测支架护帮板状态，在采煤机割煤过程中，监测到采煤机运行方向前方支架护帮处于打开状态，控制采煤机减速或者停机，需要采煤机处于远程控制模式。

3.采煤机自动化功能

（1）具有高精度控制功能，采高控制精度优于±5%，位置检测精度优于±1%。

（2）提供开放的MODBUSRTU协议或者MODBUSTCP协议实现与自动化集控系统的双向通信，通过集控系统实现在顺槽和地面监控中心对采煤机实时远程自动监测、监控。

（3）具备可配置复杂工艺程序的记忆截割功能，以满足不同工作面的采煤工艺要求，采煤机自动运行时工艺程序可以在线修改、更新和灵活的工艺段选择。

（4）采煤机通讯稳定可靠，稳定连续传输总带宽不小于20Kbps；采煤机顺槽载波通讯传输延迟不大于200ms，延时抖动小于10ms。

（5）具备就机操作、远程自动控制两种模式互锁功能，在就机模式下，不允许远端控制；在远端控制模式下允许就机控制，用以保证采煤机操作的安全性。

（6）采煤机自动记忆截割模式下，各项操作均可以人工干预，人工干预具备最高的优先级。当工作面环境发生变化，记忆数据与实际数据差距较大时，采煤机司机可以使用在线学习模式进行人工修正记忆截割数据。采煤机采高精度与牵引速度具有自适应调节功能，可在线学习修改记忆截割轨迹。

（7）开放控制权限，顺槽集中控制设备可对采煤机进行远程控制，包括采煤机电机的顺序启动、总停、行走方向和速度、采高调整、以及记忆截割的启动和停止等。

（8）采煤机能够支持通过RS485通讯接口或以太网接口将采煤机运行状态、报警及故障信息传输给集控主机。

（9）采煤机能够支持集控主机通过RS485通讯接口或者以太网接口控制采煤机以下动作：牵引启动/停止，牵引方向，牵引速度，左右滚筒升降，急停，电机顺序启/停、记忆截割启动/停止。

4.采煤机工况显示

（1）与生产相关数据：采煤机的位置、速度、左右滚筒高度、左右摇臂轴承温度、机身仰俯角度、牵引方向、各电机工作电流等。

（2）运行环境数据：工作面瓦斯浓度，冷却水流量、压力，油箱温度等。

（3）故障信息：各电机的故障报警。

（4）采煤机监控界面可以通过输入框对采煤机运行参数进行调整，包括采煤机牵引速度、摇臂高度等。

（5）实现以上功能需采煤机厂家具备相应功能，并提供控制接口接入自动化系统，把设备的控制、数据点表提供给自动化厂家。

5.采煤机惯导系统功能

（1）惯导系统安装在采煤机电控箱内，无线通信终端安装在采煤机前面板上，采煤机提供安装位置和AC220V供电电源，惯导系统与工作面自动化控制系统及相关设备兼容，实现数据传输和控制。

（2）惯导系统将获取的采煤机行走轨迹数据传输至控制平台，控制平台进行协调控制，将需调整数据发送给液压支架电液控制系统，由电液控制系统对刮板运输机进行调整，实现对工作面直线度的调整。

图3井下顺槽集控中心

6.皮带集中控制系统

（1）系统组成

顺槽集控中心1间，采用标准结构一体式集控中心。主要由：集控中心框架装配、矿用隔爆兼本质安全型计算机2台：用于对所有控制功能和逻辑判断进行处理，确保设备安全稳定的运行；矿用隔爆兼本质安全型显示器6台：其中3台用于视频监控，另3台用于对应操作台，矿用本安型键盘2件，矿用本安型云台摄像仪1台、LED照明灯1台及设备连接器组成。

三机、泵站操作台：用于对刮板输送机、转载机、破碎机、皮带机和泵站等的远程控制。

（2）胶带输送机集中自动化控制

1）单设备启停功能，包括刮板运输机、转载机、破碎机、胶带输送机（需解除联锁）。

2）顺序开机功能，启动顺序如下：胶带输送机>破碎机>转载机>刮板机。

3）顺序停机功能，停机顺序如下：刮板机>转载机>破碎机>胶带输送机。

4）具有急停闭锁功能。

（3）顺槽集中控制

1）全自动控制模式：将综采自动化控制系统设置为“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。

2）启动过程：泵站启动->胶带输送机启动->破碎机启动->转载机启动->刮板输送机启动->液压支架跟随采煤机自动化控制程序启动->采煤机启动->采煤机记忆割煤程序启动，全自动化启动。

3）运行过程：实时监控工作面综采设备运行工况，当设备运行异常，可以通过人工干预手段对设备进行远程干预。如液压支架远程干预等，采煤机的远程干预需要采煤机厂家开放控制端口。

4）停机过程：采煤机停机->液压支架动作停止->刮板输送机停机->转载机停机->破碎机停机->胶带输送机停机，全自动化停止。

5）急停：按下操作台“急停”按钮，工作面所有设备停机。

6）分系统自动控制模式：将自动化控制系统设置为“单机”工作模式，可以单独对综采设备进行自动化控制。

（一）支架采用初撑力自动保持、自动补压技术。当压力降至某设定值时，电液控系统会自动开户升柱功能，直到达到规定压力后，停止供液。支架采用自动喷雾技术，由电液控换向阀独立控制，实现架前自动辅助采煤机喷雾。

（二）采煤机精度定位由具有特高频和双向通讯射频无线发射器、高精陀螺仪组成。在采煤机机身中部采用射频发射装置，采用安装架和亚克力防护盖防护，安装架和采煤机采用螺栓连接。

（三）项目技术及经济指标

1.技术指标

1）数据传输速度<200ms。

2）采煤机精确定位<50mm。

2.经济效益

项目研发成功后，实现在少人、甚至无人操作下，完成高效、安全的井下作业，最降低劳动强度,提高工作效率,改善工作环境、降低工作风险。预计为公司每年节省200万元。