付國軍  楊明亮  許太山
付國軍 山西科達自控工程技術有限公司，山西 太原  030006
楊明亮 陽泉蔭營煤礦 山西 陽泉 045000
許太山 晉城煤業(yè)集團 山西 晉城 048000

摘要：綜采工作面的無人化和少人化是解決煤礦安全的核心課題，指出應從綜采系統(tǒng)的整體角度來思考自動化采煤問題，并將綜采工作面的設備分為生產(chǎn)設備、輔助設備、工作面控制中心；介紹了綜采無人工作面的組成，給出了綜采無人工作面的系統(tǒng)架構及特點；最后闡述了綜采無人工作面可達到的預期效果。
關鍵詞：綜采無人工作面；自動化采煤；無人值守；綜采設備
0 引言
煤礦是國民經(jīng)濟必不可少的基礎性行業(yè)，但我國煤礦安全形勢不容樂觀，事故頻發(fā)，百萬噸死亡率比發(fā)達國家高很多。筆者認為，要提高煤礦的安全水平，減少人員傷亡，需要行業(yè)相關領導提高認識水平，加大制度建設和執(zhí)行力度；更重要的是加大技術的研究力度，實現(xiàn)無人化開采。煤礦生產(chǎn)的無人值守是煤礦生產(chǎn)發(fā)展的必由之路，是解決目前煤礦事故頻發(fā)難題的最終辦法。而采掘工作面的自動化又是整個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的重中之重。由于綜采是我國煤礦最主要的采煤工藝，因此綜采工作面的無人化和少人化是解決煤礦安全的核心課題。解決這一難題的關鍵是從采煤工藝的角度來主導綜采工作面設備的自動運行及配合，即從綜采系統(tǒng)的整體角度來思考自動化采煤問題。
綜采工作面是煤礦生產(chǎn)最前沿的工作環(huán)節(jié)，也是最復雜的工作環(huán)節(jié)。其設備數(shù)量多，設備之間互相制約、相互協(xié)調(diào)，任何單一設備都無法脫離其它設備而單獨完成任務。同時這些設備的任何一個動作還受地質(zhì)條件的限制。一個標準的綜采工作面一般要由200~300臺設備構成，核心設備有采煤機、刮板運輸機、液壓支架、轉(zhuǎn)載機、破碎機和帶式運輸機，其中僅液壓支架就多達100~250架，實現(xiàn)自動化的難度很大。隨著自動化技術的發(fā)展以及采煤工藝的不斷深入，在地質(zhì)條件允許的情況下實現(xiàn)自動化采煤逐漸具備了可行性。晉城煤業(yè)集團古書院礦自動化綜采工作面已開始下井試運行，已完成三個工作面。陽泉蔭營煤礦的薄煤層自動化綜采工作面也已投入運行。筆者從這兩個自動化綜采工作面的設計和實施過程中發(fā)現(xiàn)，要想實現(xiàn)綜采工作面的自動化運行，必須對綜采工作面的設備重新認識和定位，必須打破原有的在人工操作基礎上以單機為控制目標的傳統(tǒng)思路，打破設備生產(chǎn)廠家的界限，打破設備功能的界限，破除單機智能化的傳統(tǒng)研究思路，從工作面整體采煤的思路來看待每一臺設備，將它們作為一個大機器的一個部件，在控制中心的統(tǒng)一控制下協(xié)調(diào)工作。1 基于工作面整體自動化的設備分類    從工作面整體自動化的角度將綜采工作面的設備分為生產(chǎn)設備、輔助設備、工作面控制中心。
1.1 生產(chǎn)設備
綜采工作面的生產(chǎn)設備包括主要采煤設備、轉(zhuǎn)載運輸設備?！　≈饕擅涸O備是整個綜采工作面的核心設備，可將其稱為主采機組。本文將工作面的三機——采煤機、運輸機、工作面支架看作一個大型設備。由于這三種設備在結構上相互連接，動作上互相制衡，位置上相互重疊，故從自動控制的角度來看是不可分割的一個整體，應由控制中心統(tǒng)一控制。盡管目前從生產(chǎn)和使用的角度看，三種設備是由不同廠家生產(chǎn)和提供，而且各自有獨立的動力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，但三者在采煤過程中是不可分割的。在目前以人工操作為主要工作方式的情況下（機械化采煤），每臺設備的動作可單獨操作，各自生產(chǎn)廠家都對其進行自動化技術的改造，如智能采煤、電液控制系統(tǒng)、刮板機在線監(jiān)測系統(tǒng)等。這些技術都是從單體設備的角度，而沒有從工作面整體運行的模式上來思考。要實現(xiàn)連續(xù)高效的無人值守綜采工作面，任何一種設備都不能獨立完成，或者說某一種設備自動化水平的提高都不會對工作面整體工作產(chǎn)生太大影響。只有將它們看作為綜采機組的一個部件，通過控制中心對每一個環(huán)節(jié)進行精確定位、協(xié)調(diào)控制，才能使整個工作面像一臺機器一樣連貫自如、配合默契地工作，達到無人值守的目的。實質(zhì)上，無人工作面或自動化工作面應該是一個有人操作的可以自動行走、自動割煤、自動支護、自動裝煤、自動運煤的一臺大型機器，而操作人員不在機器上，而是在順槽的操作列車上。所謂“無人”只是整個機器的每個部件無人單獨操作而已。    轉(zhuǎn)載運輸設備是綜采工作面的接續(xù)設備，包括轉(zhuǎn)載機、破碎機、帶式輸送機等，主要完成煤炭的連續(xù)運輸工作。因其與主采設備無直接連接，并可單獨運動，所以可作為接續(xù)設備在控制中心與主采機組進行聯(lián)鎖控制，實現(xiàn)順煤流起車、逆煤流留停車、緊急停車等功能。超前支護設備雖然也是靠液壓進行行走控制，但控制過程和方式與工作面支架不盡相同，而且可獨立于工作面支架而單獨行動。其主要防護對象為轉(zhuǎn)載機、破碎機等，所以也可作為轉(zhuǎn)載運輸設備的一部分來處理。1.2 輔助設備　　輔助設備一般是指設備列車上的所有動力保障設備，包括動力中心、泵站、清水站等。動力中心為整個工作面所有設備提供電力，控制中心可通過網(wǎng)絡對其任何一個動作進行控制，并可讀取每一條路線的所有電氣參數(shù)及開關狀態(tài)。泵站是液壓支架的動力源，可通過控制中心進行集中控制，完成自動配液、軟化處理、壓力檢測、水位控制、泵組開停及各種保護功能。1.3 控制中心
控制中心是自動化工作面的中樞神經(jīng)，是綜采工作面由機械化向自動化過度的關鍵設備，包括工作面整體操作平臺、主采機組控制站、轉(zhuǎn)載運輸控制站、視頻監(jiān)測中心、通信調(diào)度中心等[1]。本文將重點闡述控制中心的組成。2 綜采無人工作面控制中心的組成2.1主采機組控制站
主采機組控制站主要負責控制直接采煤設備，將采煤機、刮板機、工作面支架作為一個整體設備進行控制。該控制站可實現(xiàn)各采煤工藝的控制，取代智能采煤機中的智能化部分，如記憶切割、煤巖分界識別等特殊功能。采煤設備只需完成牽引行走、割煤、噴霧、參數(shù)采集等基本功能，而將計算量較大的智能控制功能上交到主采機組控制站，由控制站結合運輸機、支架的工作狀況和時空關系，以及地質(zhì)條件和瓦斯的變化情況等進行協(xié)調(diào)控制。另外，該控制站還取代了電液控制系統(tǒng)的部分高端控制要求。在主采機組控制站，可選擇“遠程單體”和“遠程自動”操作，在“遠程單體”模式下，用戶可通過自動化集控計算機畫面的手動控制按鈕，實現(xiàn)支架控制系統(tǒng)的單架單功能控制、單步操作、手動成組操作，如支架立柱升、降，移架、推溜、側護板伸，底調(diào)、平衡、支架小循環(huán)自動控制，成組支架降、移、升工作循環(huán)自動控制（成組自動控制，包括成組自動推溜、成組自動降—移—升、成組自動支架前端輔助采煤機噴霧、成組自動移架噴霧）；在“遠程自動”模式下，液壓支架會跟隨采煤機的運行而進行相應的移架、自動推溜、自動降-移-升、自動支架前端輔助采煤機噴霧操作。根據(jù)電液控制系統(tǒng)采集到的工作面各種參數(shù)，可在主采機組控制站的計算機上設置自動追機拉架、支架的推移步距、斜切進刀、調(diào)斜等參數(shù)。
主采機組控制站還具有對支架控制系統(tǒng)的故障診斷、顯示和報警功能，使電液控制系統(tǒng)回歸到原始的執(zhí)行機構的作用上，同時可保留一些常規(guī)操作。支架電液控制系統(tǒng)有“就地”和“遠程”控制，在 “就地”模式下，可實現(xiàn)單臺支架降、移、升工作。就地手動具有最高的優(yōu)先權，就地手動時可屏蔽掉遠程控制命令。
主采機組控制站還可實現(xiàn)運輸機在線監(jiān)測以及運輸機進行自動調(diào)鏈和張緊控制功能，還可引入變頻驅(qū)動技術，實現(xiàn)自動力矩平衡控制。這樣可使系統(tǒng)更加簡單，同時還可將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)直接用于主采機組的保護和控制。
除上述主控功能外，主采機組控制站還應具備視頻采集控制和控制切換功能，使工作面的視頻信號隨采煤機的運動分屏地投射到控制中心，以便操作人員觀察現(xiàn)場情況。2.2 轉(zhuǎn)載運輸控制站
轉(zhuǎn)載運輸控制站主要負責轉(zhuǎn)載機、破碎機、帶式輸送機和超前支護支架的聯(lián)鎖和協(xié)調(diào)控制，并在工作面控制中心的協(xié)調(diào)下跟隨主采機組的推進自動移動，同時采集所有設備的工作參數(shù)和超前支護的頂板參數(shù)。2.3視頻監(jiān)測系統(tǒng)
要完成綜采設備由人工跟機控制到控制中心集中控制的轉(zhuǎn)變，必須解決工作面的可視化問題[2]。視頻監(jiān)測系統(tǒng)即用于完成工作面設備及順槽設備的監(jiān)視工作，將現(xiàn)場設備運行情況分屏地反映到工作面操作平臺上，供操作人員分析使用。
實現(xiàn)視頻監(jiān)視系統(tǒng)的重點是視頻的傳輸問題和攝像頭的防塵問題。根據(jù)采煤機移動工作的特點，采用移動無線視頻比較好。這就需要使整個工作面達到無線網(wǎng)絡全覆蓋，然后在液壓支架和采煤機上安裝攝像頭，并根據(jù)采煤機的位置控制攝像頭交替工作，自動跟蹤采煤機行走，以保證最佳的視頻效果。另外，防塵也是必須解決的關鍵問題之一。2.4通信調(diào)度系統(tǒng)
在工作面無線覆蓋的基礎上，需要為工作面所有空間提供全覆蓋的無線通信系統(tǒng)，使工作人員在工作面及兩個順槽的任何位置都能進行移動通信，保證整個工作隊伍的通信聯(lián)絡。2.5工作面整體操作平臺
工作面整體操作平臺是整個綜采工作面所有設備進行集中控制的平臺。它可控制整個綜采工作面所有設備，同時負責與地面調(diào)度進行信息聯(lián)絡，地面調(diào)度中心可能過光纖網(wǎng)絡監(jiān)視工作面所有設備的工作狀態(tài)和各種參數(shù)，同時可進行視頻監(jiān)視和電話指揮，必要時可在地面對設備進行人工干預，以便處理緊急事故。[3]
3 綜采無人工作面的系統(tǒng)架構及特點3.1  系統(tǒng)架構

   綜采無人工作面的系統(tǒng)架構如圖1所示：

圖1 綜采無人工作面的系統(tǒng)架構
3.2 綜采無人工作面的特點
（1） 打破了綜采工作面以機械設備為主的工作模式。目前所謂“自動化工作面”的研究均是在傳統(tǒng)的人工操作模式下，以某種機械設備為主進行擴展。其中一種方法是以電液控制系統(tǒng)為基礎，采集采煤機的信息，以此擴展到工作面其它設備的控制；另一種方法是以采煤機的智能化為基礎，與電液控制系統(tǒng)相結合進行自動控制。綜采工作面是一個多設備、多系統(tǒng)相互融合和的復雜系統(tǒng)，設備與設備之間的動作相互交織，另外還存在地質(zhì)條件變化等因素影響。目前單一設備的控制系統(tǒng)的運算能力還較差，各設備之間只能通過通信以及各自的控制系統(tǒng)進行決策控制，不僅影響了指令的執(zhí)行時間，也容易出現(xiàn)邏輯錯誤。另外，機械設備廠家的技術特點都是以機械為主，自控技術力量一般都不高，設備之間還存在相互競爭，難以實現(xiàn)協(xié)調(diào)一致的控制。所以要想實現(xiàn)整個工作面自動化采煤，必須打破以機械設備為中心的機械化采煤方式。    （2） 打破了以設備生產(chǎn)廠家為單元的獨立控制思路。要實現(xiàn)綜采工作面的自動化采煤，必須打破生產(chǎn)廠家的壁壘，實現(xiàn)多設備協(xié)調(diào)統(tǒng)一的控制，從而提高工作面的整體性，降低對單體設備控制的技術要求。    （3） 確立了以自動化技術為主導的主采機組的整體控制方案。由于綜采工作面的復雜性，必須把工作面相互連接的所有設備看成一個大型的可行走的采煤機組，不考慮采煤機、支架、刮板機的體積、數(shù)量、功能，只是將其作為主采機組的一個部件，設備的任何一個動作都要在協(xié)調(diào)其它部件、同時考慮工作面環(huán)境變化的情況下執(zhí)行。    （4） 通過無線網(wǎng)絡全覆蓋，使工作面的視頻監(jiān)視功能得到加強，同時解決語音通話問題。更重要的是，在特殊情況下可在工作面可視距離內(nèi)的任何一點進行遙控操作。無線網(wǎng)絡可作為數(shù)據(jù)和控制信號的備用通道，使控制系統(tǒng)的傳輸達到雙通道互為備用，大大提高系統(tǒng)的可靠性。
5 綜采無人工作面的預期效果
綜采無人工作面應可實現(xiàn)四級監(jiān)控，三級控制?！　。?） 可在地面調(diào)度室監(jiān)控工作面所有設備的工作過程、工作狀態(tài)和相關數(shù)據(jù)。通過視頻觀察采煤機行走、割煤、搖臂調(diào)高臥底的動作過程；觀察液壓支架的升-降-移工作過程以及轉(zhuǎn)載運輸設備、超前支護設備的工作和移動過程；可進行語音通話，實施語言指揮；在特殊緊急情況下，可直接干預停機?！　。?） 可在順槽設備列車上（工作面控制中心）進行遠程自動控制 和遠程手動控制。遠程自動控制是指在工作面條件允許的情況下實現(xiàn)全自動采煤，采煤機可實現(xiàn)記憶切割，根據(jù)示范刀切割數(shù)據(jù)進行自動巡航、調(diào)高、臥底、加速和減速，并實現(xiàn)斜切進刀、磨三角等功能；支架可實現(xiàn)跟機拉架、調(diào)斜、成組拉架等動作。遠程手動控制是指在工作面地質(zhì)條件不好的情況下，通過控制中心的計算機上對單體設備進行點動控制?！　。?） 在遠程操作出現(xiàn)問題時，工作人員可用手持遙控器在可視范圍內(nèi)進行人工操作。　?。?） 除自動化功能外，采煤機和支架還保留各自的本機操作功能，在特殊情況需要人員現(xiàn)場處理時，工人可在機器旁進行單機、單功能操作。

參考文獻：
[1] 田成金. 薄煤層自動化工作面關鍵技術現(xiàn)狀與展望. 《煤炭科學技術》2011年8月第39卷第8期.
[2] 夏護國. 自動化綜采工作面技術應用. 《陜西煤炭》2007年第一期. [3] 朱廣軍 岳昌華 馬小麗 數(shù)字化綜采工作面系統(tǒng)應用. 《煤礦機械》2012年01期.

基金項目：“30套/年智能化綜采工作面控制系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化”項目獲得2011年太原市一流自主創(chuàng)新基地建設專項重大項目評審第一名。承擔單位：山西科達自控工程技術有限公司
作者簡介：[1] 付國軍，男 ，1965年生， 內(nèi)蒙古赤峰市人， 畢業(yè)院校：山西礦業(yè)學院 ，電氣自動化專業(yè)， 碩士學位，職稱：高級工程師，工作單位：山西科達自控工程技術有限公司，職務：董事長兼總經(jīng)理。1984年參加工作，致力于煤礦生產(chǎn)自動化技術的研究，獲多項國家專利；2007年2010年榮獲山西省科技廳“山西省科技奉獻先進個人一等獎”；2011年科研項目“智能化綜采工作面控制系統(tǒng)”獲得“太原市自主創(chuàng)新重大項目”評審第一名。
[2] 楊明亮 男 1963年生 畢業(yè)于山西礦院地下采煤專業(yè)，碩士學位，高級工程師，工作單位：陽泉蔭營煤礦， 職務：總經(jīng)理。 在國家大中型建設項目蔭營礦改擴建工程建設中，獲得突出貢獻獎，“近水平、厚煤層滑移支架放頂煤開采”試驗榮獲1990年山西省煤炭工業(yè)廳科技進步二等獎。1993年榮獲省監(jiān)獄管理局科技進步一等獎。