智能示范矿井┃ 柠条塔煤矿高工黄彦德：柠条塔煤矿智能化综采工作面建设探索

文章来源：《智能矿山》2024年第5期“智能示范矿井”专栏

作者简介：黄彦德，高级工程师，第七届全国煤炭工业技能大师，现任陕煤集团神木柠条塔矿业有限公司机电物资中心高级业务主管

作者单位：陕煤集团神木柠条塔矿业有限公司

引用格式：黄彦德.柠条塔煤矿智能化综采工作面建设探索[J].智能矿山，2024，5（5）：20-27.

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柠条塔煤矿智能化综采工作面位于2-2煤层，煤层整体北厚南薄，煤炭为沥青光泽，以半亮煤为主，平均厚度4.48m，工作面倾斜长度334.7m，走向长度4054.3m，倾角小于2°，煤层结构简单、赋存稳定，煤层硬度系数为1.22。工作面布置有辅运巷道、主运巷道、回风巷道。煤层上方存在以泥岩和碳质砂岩为主的伪顶，平均厚度0.3m；直接顶以粉砂岩和细粒砂岩为主，平均厚度21.4m；直接底以粉砂岩和炭质泥岩为主，平均厚度7.7m。

智能化综采工作面形成了以可靠的电液控系统、“三机”智能通信系统、泵站智能控制系统及采煤机记忆截割控制系统为基础，以设备姿态监测系统、安全监测监控系统及工作面视频系统为保障，以工业总线网络为通道，以大数据分析和处理为依据，以高端集控设备为平台，实现了井下集控、地面远控为目标，具有主动感知、自动分析、智能处理的安全、高效、节能、少人化的智能化采煤工作面。柠条塔煤矿智能化综采工作面系统界面如图1所示，主要设备见表1。

图1 智能化综采工作面系统界面

表1 智能化综采工作面主要设备

（1）采煤机工况实时监测

采煤机JNAFaceBoss控制系统通过实时读取布设在摇臂、电控箱及机身等部位的角度传感器、编码器、速度传感器、俯仰和摇摆传感器等设备信息，可实现对采煤机俯仰角、摇摆角度、采煤机位置、行走速度、电机电流温度等工况的监测。采用duck模式及光纤通信传输技术，保证了采煤机和通信服务器之间的采煤机数据实时双向通信，实现了工作人员在巷道集控中心和地面分控中心便可对采煤机工况进行实时监测。

（2）记忆割煤及远程控制

采煤机具有记忆截割功能，并可实现采煤机牵引速度和滚筒高度控制，采煤机在记忆截割运行过程中，以手动干预优先，手动对摇臂的干预可以选择记忆或不记忆模式。通过试采煤，采煤机能快速记录运行轨迹及姿态参数，并在实际采煤过程中，可人为中断、修改与恢复。通过布设专网，可在巷道监控中心和地面分控中心分别对截割、牵引、摇臂升降等进行控制，延时不超过200ms。采煤机工况监测及控制如图2所示。

图2 采煤机工况监测及控制

（3）工作面自动找直

采煤机配置综采长壁工作面自动控制（LASC）惯导系统，实现采煤机位置测量，通过专网将采煤机行走状态数据传输至综采工作面智能控制系统，智能控制系统分析后得出采煤机割煤曲线和刮板输送机全长度位置曲线；通过推移行程数据、采煤机自身编码器对数据进行实时校准，系统生成刮板输送机位置曲线；液压支架执行工控平台生成的刮板输送机位置曲线，可通过精准推移实现工作面调直功能。

（1）基础功能

通过在液压支架设置控制器和控制软件，可实现隔架动作控制、成组控制、成组推移刮板输送机等功能；电液控系统实时接收工作面采煤机的位置信息，根据采煤机位置和行进方向，可实现跟机控制、跟机推移刮板输送机、跟机喷雾、自动收回护帮板等功能；也可根据现场实际情况，在电液控系统中进行设置。

（2）液压支架状态实时监测

通过在每台液压支架的底座、联杆、护帮板、立柱等位置布设倾角传感器、位移传感器、压力传感器等，监测顶梁角度、支架高度、底座倾斜度以及护帮状态，实时在集控中心反馈支架姿态；井下自动化主机能够对上述信息进行显示和存储，主机与工作面控制系统处于通信状态，能将数据传输至地面调度中心并显示。

（3）矿压监测及自动补压

通过安装在液压支架立柱下腔的压力传感器实时监测工作面压力分布情况，在软件上实时显示和存储，可实时显示工作面压力云图，并可查询任意支架的压力历史数据。液压支架工况监测如图3所示。

图3 液压支架工况监测

智能化综采工作面设置“三机”设备集中控制系统，用于对刮板输送机、转载机和破碎机进行监测及远程控制，同时转载机和带式输送机设置自移系统，可实现转载机和带式输送机机尾实现自移。

（1）工况监测

刮板输送机驱动部的减速器和电动机配备运行状态监控装置。减速器测点包括润滑油油温、油位，高、低速轴承温度，冷却水水温、流量；电动机测点包括定子绕组、转子轴伸端轴承温度，以实现对减速器、电动机运行状态的实时监测、监控，并实现数据上传。

（2）自移系统

将端头支架电液控制与转载机自移进行关联控制，在端头支架推移转载机前，转载机自移系统提前将转载机抬起，可实现在端头架推移转载机时，同时将转载机推移缸伸出，最终实现转载机自移。转载机自移系统可单独进行电控及遥控控制。

智能供液系统由清水泵、高压反冲洗过滤站、回液过滤站等组成，集控中心通过与泵站乳化液配比控制器的通信，可实现泵站的自动化配置和实时状态监测，以及乳化液泵、清水泵的远程控制，通过变频器调节泵流量，保证工作面乳化液泵出口压力的恒定。

通过布设润滑油压力传感器、温度传感器、油位传感器等设备，实时监测系统压力、液箱液位、油箱油位、乳化泵油温、油压、油位、电机温度、蓄能器压力等数据，实现对电机设备的实时智能诊断、故障预警预报。同时能将相关数据上传到地面控制中心并显示，动态直观地观察泵站参数情况，及时发现设备故障，实现泵站的状态预警与保护。

工作面视频系统作为智能化采煤工作面的辅助系统，提供对工作面开采现场、关键设备运行状况的视频辅助监测功能。视频监控系统通过通信获取采煤机的运行位置和方向，可实现在显示器上跟随采煤机自动切换视频画面。

刮板输送机机头、机尾、转载点等位置各安装1台矿用本质安全型摄像仪，工作面每5架安装1台矿用本安型云台摄像仪，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，摄像仪通过有线的方式接到交换机，通过接入器供电线路进行视频信息的传输。

人员位置识别系统主要由信号接收器（识别卡）和发射基站组成，识别卡由工作面巡视人员携带，发射基站集成在电液控制器内或单独安装在支架上，采用UWB超宽带无线定位技术，配合人员携带的标识卡，可实现液压支架人员接近闭锁和工作面人员定位。定位数据直接连入支架控制器，接近闭锁响应时间小于200ms。人员位置信息通过电液控总线上传至监控平台，并可在电液控人机界面上显示。

在地面及井下分别建立了集控中心，综采工作面各系统集成到同一控制平台，使用同一数据库，通过工业万兆环网实现对工作面主要设备工况和生产过程的实时在线监视，通过操作台和视频显示生产设备实时工况，实现对生产设备的远程控制和一键顺序启停。

此外，井下集控中心将控制台司机、带式输送机自移机尾司机和输送带司机3个岗位合为1岗，实现了“三岗合一”。

智能化综采工作面建成后，依靠传感器、通信系统、万兆工业环网等，实现了综采工作面设备工况和生产情况的实时监测、井下和地面的远程控制与一键启停等（图4）。通过智能控制分析系统实现了工作面自动找直、顶板周期来压预测等。智能化工作面应用后，采煤机仅需1人进行跟机作业，并调整采煤机运行状况；液压支架需2人跟机巡视作业，调整支架姿态；带式输送机机头需1人巡视，带式输送机自移机尾处设置“三岗合一”集控中心，仅需1人实现了转载机、带式输送机巡视及工作面设备的监视和远程操作。目前已实现单班5人生产作业，取得了单班生产12刀、日产煤3.84万t、月产煤88万t的成绩。

图4 一键启停功能界面

柠条塔煤矿智能化综采工作面在现场应用运行中，存在以下问题。

智能化综采工作面各设备安装了监测与控制等子系统，但各厂家产品不一，现场使用起来困扰很大。目前已知存在智能化元器件不规范、加装线缆多、线缆通道乱（图5）、无法兼容、系统软件多等现象，造成控制模块不断更换，软件程序不兼容等问题，严重影响生产。

图5 线缆布置现场

（1）液压支架姿态无法自适应调整

当工作面底板存在松软现象，自动跟机过程中出现液压支架抬底动作不明显，造成移架结束后架前堆煤现象；护帮板自动伸出后，存在护帮板扎进煤壁，造成油缸、胶管损伤；当顶板破碎时，自动移架造成液压支架姿态不正，存在“高射炮、头下扎”等问题；液压支架防碰撞功能实效性不强，采煤机滚筒即将割到液压支架护帮板时不能及时停机，造成护帮板损坏、采煤机损坏；若煤机截割速度较快，移架与推移刮板输送机工序紊乱；智能化开机期间，刮板输送机“上蹿下跳”得不到控制，造成端头煤存在“吃不透”和“吃过了”等问题。

（2）采煤机记忆割煤的局限性

采煤机根据人工操作割一刀煤，存储每个采集点的当前位置、采煤机姿态、采高、行走速度等。控制系统根据采集到的数据形成记忆截割曲线并指导采煤机进行自适应调节采高。当煤层地质条件发生变化时，不能自适应升降采高，仍按照上刀割煤轨迹进行割煤作业，造成工程质量下降。

（3）工作面整体分析系统欠缺

刮板输送机存在“上蹿下跳”现象，智能化开机期间，未能根据工作面整体情况进行智能调整，造成安全出口变窄、超前支架煤墙侧立柱夹死和端头煤“吃不透”和“吃过了”等问题。

（4）传感器精度较低且易损坏

由于采煤工作面回采过程中存在粉尘、水雾等，造成采煤工作面为粉尘、潮湿环境，传感器在井下应用存在保护困难、可靠性低、背景噪声影响、抗震稳定性低等困难。

智能化综采设备涉及机、电、液、通信、控制等多个专业，现场需要多专多能的高素质人员。这些高素质人员培训周期长、培养慢，满足不了智能化建设人员需求，尤其是熟悉工作面生产与智能化的复合型人才短缺。

智能化发展虽提高了劳动效率，但仍存在劳动强度高的问题。如采煤机电缆回收工序，往往需20个人连续高强度工作4h完成电缆装车作业；在末采设备列车回撤中，管路拆卸、电缆盘放等作业仍需要高强度的体力劳动完成。

政府及行业建立完善智能化数据标准和元器件标准；煤炭企业及负责部门从设计标准、安全管理、设备制造、巷道掘进、安装回撤、人员素质、地质因素、接续接替、安全生产、工程质量、标准化建设、材料配件投入、吨煤单价、思想认识等进行多方面全系统规划设计；加强智能化厂家入场标准规范，统一智能化元器件等。

针对智能化控制程序与现场实际情况匹配度低的问题，工作面通过改进液压支架自移流程、定制软件等方式解决了底板松软移架堆煤、采煤机记忆割煤等问题，提高了智能化工作面设备完全自动化率。

（1）底板松软移架堆煤的问题

改进了液压支架自移流程，通过对移架开始时间、移架暂停范围、暂停时间、到达移架时间、抬底开始时间、抬底到达时间的6个流程的反复计算，优化了液压支架移架与抬底动作配合时序，如图6所示。

图6 支架自移循环流程

（2）采煤机记忆割煤问题

与设备厂家共同探讨编制采煤机、液压支架、刮板输送机及其他工作面设备启停等控制逻辑图，制定自动化生产流程图（图7），定制了基于DMC—PID算法（图8）的控制程序，单班完全自动化率达到32%。

图7 自动化生产流程

图8 DMC—PID算法程序

由工作面巡视人员通过巡视工作面在DMC—PID算法控制程序输入各点对应采高，应用DMC—PID算法精准控制采煤机进行截割作业，实现了完全自动化割煤。

（3）传感器易损坏问题

笔者建议加快低功耗、高精度、高可靠、集成化、微型化智能传感器的研发，提高信息采集、处理、分析、决策的可靠性和时效性。

依托柠条塔煤矿黄彦德技能大师工作室（煤炭行业技能大师工作室，图9）展开培训，通过职工参与液压支架自移流程改进、DMC—PID算法控制等项目，提升人员业务技能水平。

图9 黄彦德技能大师工作室

工作面引进电缆卷放机器人（图10），取代人工作业。电缆卷放机器人主要包括牵引车、电缆卷筒、卷筒支撑座、排缆器安装总成、调整机械臂、控制箱组、液压系统、电气系统等功能部件。实现了综采作业电缆回收的机械化，不再由人工装卸、拉运，改变了传统的作业方式；末采回撤时，应用设备列车拐弯技术，避免了设备拆装及电缆卷放，显著降低了劳动强度；创新性地将油脂库、隔爆装置、材料库集成到设备列车，实现与工作面回采的共同推进，降低了职工劳动强度。

图10 卷放电缆机器人

智能化采煤正处于起步阶段，任重道远。目前，柠条塔煤矿建立了矿井工程师、综采队、智能化终端应用软件开发师联合办公模式，应用了视频拼接技术、AI+安防、VR+机器人等手段，在大力推行机械化换人，自动化减人的基础上，开发应用切合实际的智能化少人无人方案，结合矿井实际和装备制造水平，携手开发基于PID及矩阵算法的三维地质自动采煤法，全力攻克地质变化对智能化采煤的深层次影响这一难题。同时，在现有的智能化控制软件上增加时间轴，给5刀后的液压支架一个导航，让液压支架向支架机器人转变，解决了记忆割煤对工程质量的影响。进一步克服了产能与智能化采煤的矛盾，提高智能化软硬件的人机交互体验感，最终实现“元宇宙”和“虚拟人沉浸”的无人开采智能化采煤远景目标。