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★ 智慧矿山 ★

SAM智能综采技术在龙滩煤矿的应用

范 凯1 彭 博1,2,3 王寿全2

(1. 四川华蓥山龙滩煤电有限责任公司,四川省广安市,638019;2. 四川省煤炭产业集团有限责任公司,四川省成都市,610091;3. 重庆大学资源与安全学院,重庆市沙坪坝区,400044)

摘 要 介绍了四川省首个智能综采设备在龙滩煤矿3124S工作面的应用情况,总结了SAM智能化综采的六大核心技术,包括成套设备一键启停、液压支架自动跟机、采煤机记忆割煤、机巷远程集中控制、工作环境智能监控、工况监测及故障诊断。通过现场应用,一键启停功能成功率超过90%、自动跟机率平均88%、记忆割煤使用率62%,实现了工作面设备集中控制、回采参数实时监控及故障诊断。结果表明,相较于传统综采工作面,智能化综采工作面生产人员减少50%,工效提高63%,单产提高65%。

关键词 龙滩煤矿 SAM智能综采技术 智能综采设备

2012年以来,煤炭行业步入“寒冬”,市场极度低迷,四川煤企历史包袱重、欠账多,井下现场作业环境恶劣、安全风险高,职工劳动强度大、收入低,煤矿井下作业人员流失和老龄化严重、招工极其困难。

2015年,全国首个智能化无人综采工作面在陕煤黄陵一矿运行[1-2],工作面平均月产量达17万t以上、生产作业人员减少70%、效率提高25%;神华榆家梁煤矿通过“采煤机记忆割煤+支架全工作面跟机+系统集成控制”,工作面实现无人作业;阳煤新元煤矿在高瓦斯、复杂的地质条件下,实现全工作面自动化开采。

龙滩煤电公司结合北京天玛公司在国内成功实施10余个相似条件工作面智能化综采的实际,确立了“工作面采用自动控制和可视化远程干预技术代替传统手动操作,分步实现井下现场集中控制和地面远程控制工作面割煤、推溜、拉架、运输等工艺智能化”的总体思路和“工作面日进8 m、割煤10刀、年产原煤100万t、生产人员减少到10人/班”的工作目标。

1 SAM智能化综采系统

SAM型综采自动化控制系统是在综采工作面单机设备自动化的基础上,采用拟人手法,把人的视觉、听觉延伸到工作面,将工人从危险的采场工作面解放到相对安全的机巷中心,建立一套以监控中心为核心,以工作面视频、音频、以太网、远控为基础的集中自动化控制系统[3-6],如图1所示,实现在机巷监控中心对液压支架、采煤机、刮板输送机、转载机、破碎机、机巷胶带机、泵站、开关等综采设备进行远程操控,达到工作面“少人化”甚至“无人化”的开采目的。SAM智能化综采系统如图2所示。

图1 SAM智能化综采系统框架结构

图2 SAM智能化综采系统

SAM智能化综采系统主要包含六大核心技术:一键启停、自动跟机、记忆割煤、集成控制、智能监控、工况监测及故障诊断。

1.1 一键启停技术

3124S工作面智能化系统通过集控中心对设备按照“带式输送机→破碎机→转载机→刮板运输机”进行一键顺序启动与一键逆向停止,在地面调度中心和机巷集控中心均能实现一键启停。一键启停操作台见图3。

在“全自动”工作模式下,通过“一键启停”按键对工作面综采设备按照自动化程序启停,实现了井下集控中心及地面调度室对工作面设备的一键式远程操控。

图3 一键启停操作台

1.2 液压支架自动跟机技术

结合开采工艺,依据工作面顶板压力、倾角、液压支架姿态、采煤机运行状态等信息,将整个生产过程划分为不同的阶段,自动决策并控制液压支架中部跟机、斜切进刀、端头清浮煤、转载机自动推进等动作,实现了工作面自动连续生产,液压支架自动化跟机示意图见图4。

图4 液压支架自动跟机示意图

1.3 采煤机记忆截割技术

按照示范刀所记录的工作参数、姿态参数、滚筒高度轨迹进行智能化运算,形成记忆截割模板[7],在自动截割过程中不断修正误差,实现自动调高、卧底、加速和减速等功能,如图5所示。

图5 记忆割煤技术示意图

1.4 集成控制技术

在3124S工作面集控中心对采煤机、液压支架、刮板运输机、破碎机、转载机、带式输送机、泵站均进行了集中控制,将整套设备形成耦合整体。同时,在3124S工作面机巷和调度室均能实现设备远程操控,见图6。

图6 机巷远程集中控制室

1.5 智能化监控技术

在3124S工作面每3架安设一组煤壁摄像头,每6架安设一组通道摄像头,实现了全方位监控;视频跟随采煤机自动切换,并且通过以太网高速传输至集控中心及调度室,实现了实时监控。

1.6 工况监测及诊断技术

3124S工作面实现了采煤机、液压支架、刮板运输机、破碎机、转载机、供电供液设备、顶板压力、瓦斯浓度等工况参数的实时监测与故障诊断[8],及时提醒作业人员排除故障,提高了问题处理的及时性,极大提升设备效率[9-10]

2 SAM综采智能化技术在龙滩矿的应用

龙滩煤矿3124S工作面走向长度1486 m,倾斜长度197.5 m。煤层倾角3°~7°,平均倾角5°,煤层倾角变化较稳定;工作面煤层总厚度0.7~2.57 m,平均为1.55 m,纯煤总厚度0.7~2.43 m,平均为1.53 m,一般厚度1.4~1.7 m,属薄—中厚煤层;煤层结构简单,容重1.45 t/m3;煤层硬度系数f为0.22~0.79;煤种为瘦煤,煤质较稳定;工作面面积294434 m2,地质储量65.99万t,可采储量为64.01万t。

2.1 一键启停技术的应用

一键启停在龙滩3124S工作面应用情况良好,成功率超过90%,机巷及地面调度室均能实现“带式输送机→破碎机→转载机→刮板运输机”进行一键顺序启动与一键逆向停止,达到了减人、提效目标。

2.2 自动跟机技术的应用

3124S工作面自动跟机率在2019年5月27日-9月15日的平均值为87.75%,日最高跟机率为8月19日的100%。自动跟机率的主要影响因素包括工作面地质条件变化需卧底、抬底人工操作;工作面支架下滑需人工调架;设备操作可靠度较高,仍存在少量问题。2019年7月9-25日,液压支架跟机率为91.8%,基本实现支架的自动化跟机移架,如图7所示。

图7 液压支架自动跟机移架循环作业图

2.3 记忆割煤技术的应用

记忆割煤技术在煤层地质条件稳定情况下能有效提升割煤速度,并减少了工作环境恶劣的割煤司机岗位。

龙滩煤矿1#煤层由于地质条件复杂,断层、褶曲、煤线变化大,导致记忆割煤技术应用率维持在62%左右,记忆割煤记录如图8所示。

图8 龙滩煤矿1#煤层记忆割煤记录

2.4 集成控制技术的应用

集成控制技术实现了智能综采成套设备的集中控制,给3124S工作面的操作赋予了“神经中枢”,在龙滩煤矿应用可靠。应用表明:SAM系统可对采煤机、液压支架、刮板运输机、破碎机、转载机进行位置、位态、启停、效率的集成控制,如图9所示。SAM系统可对水泵、液泵进行启停、压力、液位、浓度、温度监控,如图10所示。

2.6 智能化监控技术的应用

机巷控制中心及地面调度室能对工作面状态进行实时监控。应用表明:摄像头的防尘效果较好,不需经常擦拭外壳;采煤机摄像头能实现跟机自动切换画面,保证割煤时滚筒、煤壁、支架状态的实时监控,如图11所示;实现了工作面上下出口、机巷皮带、监控中心、落煤仓的实时监控,减少了岗位设置,如图12所示。

图9 工作面设备集成控制图

图10 泵站自动化控制系统图

图11 割煤机滚筒、煤壁、支架状态监控图

图12 工作面系统实时监控图

2.6 工况监测及诊断技术的应用

SAM智能综采系统可对配套设备进行全方面的工况监测及故障诊断[8]

(1)采煤机工况监测能实时监测采煤机的速度、位置,滚筒高度、温度等参数,如图13所示。

图13 采煤机工况监测图

(2)供电监测能实时监测工作面3个组合开关的工况,如图14所示。

图14 供电监测图

(3)液压支架工况监测能实时监测液压支架的工作阻力、移架状态、侧护板状态、升降柱状态等,如图15所示。

图15 液压支架工况监测图

(4)工作面顶板压力监测系统对工作面开采时间段内液压支架的工作阻力进行实时监测,如图16所示。

图16 工作面顶板压力监测图

(5)采煤机故障诊断系统对采煤机过载、过热、瓦斯超限、牵引、通讯的故障能自我诊断及报警,如图17所示。

图17 采煤机故障诊断图

3 智能综采传统综采对比分析

3.1 工作面产量

3124S工作面生产班控制到10人,单日最高割煤11刀,自动化使用率达到87.75%。2019年6-9月累计生产106 d,采煤120个小班,累计推进323.5 m,割煤433.8刀,原煤产量212025 t。其中,6-8月组织“一采一准”试生产,实现单班最高割煤7刀,月平均产量5.45万t,月最高产量6.39万t;9月1日开始组织“两采一准”正常生产,截至9月15日,实现日平均割煤6.7刀,产量4.86万t。6-9月3124S工作面工业性试验结果如表1所示。

3.2 人员劳动组织

智能化工作面工业性试验期间工作区域配置生产班10人。生产班具体负责智能化综采工作,配置2人在远程集控中心负责智能化综采操作,工作面配置2人负责采煤机和液压支架跟机巡视,两巷配置4人负责超前支护,沿线配置2名电钳工负责运输设备等巡视。

1 智能化综采工业性试验情况

月份生产班数/班割煤数/刀产量/t自动化率/%63079.23578884.49731114.26374692.80831139.96387984.20928100.54861289.50合计120433.821202587.75

3.3 回采工效

3124S智能化综采工作面于2019年6-8月组织试生产,9月开始正常生产。截至9月15日,该工作面累计产量212025 t,回采工时5715个,回采工效为37.1 t/工。其中,6-8月“一采一准”试生产产量163413 t,回采工时4642个,回采工效35.2 t/工;9月正式回采产量48612 t,回采工时1073个,回采工效45.3 t/工。各月生产人数、工时、产量及工效如表2所示。

2 智能化综采工作面回采工效

月份生产人数/人产量/t工效/(t·工-1)6673578822.17576374646.08636387939.19904861245.3合计6321202537.1

4 结论

通过SAM智能化综采技术在龙滩煤矿的应用,得出以下结论。

(1)总结并成功应用了SAM智能化综采的六大核心技术:成套设备一键启停、液压支架自动跟机、采煤机记忆割煤、机巷远程集中控制、工作环境智能监控、工况监测及故障诊断。其中一键启停功能成功率超过90%、自动跟机率平均88%、记忆割煤使用率62%。

(2)智能化综采相较于传统综采,工作区域生产作业由18人减少到9~10人,回采工效由27.8 t/工提高到45.3 t/工,月单产由3.64万t提高到6.06万t。

参考文献:

[1] 唐恩贤.黄陵矿业公司智能化开采核心技术及其应用实践[J].中国煤炭,2019,45(4):13-18,113.

[2] 范京道. 智能化无人综采技术[M]. 北京:煤炭工业出版社, 2017.

[3] 王国法,刘峰,孟祥军等.煤矿智能化(初级阶段)研究与实践[J].煤炭科学技术,2019,47(8):6-41.

[4] 王国法,杜毅博.智慧煤矿与智能化开采技术的发展方向[J].煤炭科学技术,2019,47(1):1-10.

[5] 王金华,黄曾华.中国煤矿智能开采科技创新与发展[J].煤炭科学技术,2014,42(9):1-6,21.

[6] 周明昌,黎亮.复杂地质条件下的智能化综采工作面技术探索[J].煤矿机电,2019,40(1):47-53.

[7] 徐志鹏. 采煤机自适应截割关键技术研究[D].徐州:中国矿业大学,2011.

[8] 郭科伟,董建荣,陈彦龙.采煤机械智能故障诊断技术的研究及应用[J].科学咨询(科技·管理),2019(4):32.

[9] 王国法,赵国瑞,任怀伟.智慧煤矿与智能化开采关键核心技术分析[J].煤炭学报,2019,44(1):34-41.

[10] 北京天地玛珂电液控制系统有限公司.智能化无人开采技术[J].煤炭经济研究,2019,39(8):91.

Application of SAM intelligent fully mechanized mining technology in Longtan Coal Mine

Fan Kai1, Peng Bo1,2,3, Wang Shouquan2

(1. Sichuan Huayingshan Longtan Coal and Electricity Co., Ltd., Guang'an, Sichuan 638019, China;2. Sichuan Coal Industry Group Co., Ltd., Chengdu, Sichuan 610091, China;3. School of Resources and Safety Engineering, Chongqing University, Shapingba, Chongqing 400044, China)

Abstract The application situation of Sichuan's first intelligent fully mechanized mining equipment at 3124S working face in Longtan Coal Mine was introduced, and the six core technologies of intelligent fully mechanized mining were summarized, including one-key start-stop function of complete equipment, automatic moving of hydraulic support, memory working of coal cutter, centralized remote control of roadway, intelligent monitoring of working surroundings, working condition monitoring and fault diagnosis of equipment. According to the field application, the success rate of the one-key start-stop function exceeded 90%, the automatic moving function of hydraulic support averaged 88%, the utilization rate of memory coal cutting function came to be 62%, and the application realized centralized control of working face equipment, real-time monitoring of mining parameters and fault diagnosis. Compared with the traditional fully mechanized mining face, the intelligent fully mechanized mining face had 50% fewer workers, 63% higher work efficiency and 65% higher production.

Key words Longtan Coal Mine, SAM intelligent fully mechanized mining technology, intelligent fully mechanized mining equipment

中图分类号 TD823.9

文献标识码 A

引用格式:范凯,彭博,王寿全. SAM智能综采技术在龙滩煤矿的应用[J]. 中国煤炭,2020,46(2):50-55.

Fan Kai, Peng Bo, Wang Shouquan. Application of SAM intelligent fully mechanized mining technology in Longtan Coal Mine[J]. China Coal,2020,46(2):50-55.

作者简介:范凯(1978-),男,汉族,工程硕士研究生,采矿高级工程师,从事矿山压力及其控制研究工作。E-mail:418883123@qq.com。

(责任编辑 郭东芝)