付国军  杨明亮  许太山
付国军 山西科达自控工程技术有限公司，山西 太原  030006
杨明亮 阳泉荫营煤矿 山西 阳泉 045000
许太山 晋城煤业集团 山西 晋城 048000

摘要：综采工作面的无人化和少人化是解决煤矿安全的核心课题，指出应从综采系统的整体角度来思考自动化采煤问题，并将综采工作面的设备分为生产设备、辅助设备、工作面控制中心；介绍了综采无人工作面的组成，给出了综采无人工作面的系统架构及特点；最后阐述了综采无人工作面可达到的预期效果。
关键词：综采无人工作面；自动化采煤；无人值守；综采设备
0 引言
煤矿是国民经济必不可少的基础性行业，但我国煤矿安全形势不容乐观，事故频发，百万吨死亡率比发达国家高很多。笔者认为，要提高煤矿的安全水平，减少人员伤亡，需要行业相关领导提高认识水平，加大制度建设和执行力度；更重要的是加大技术的研究力度，实现无人化开采。煤矿生产的无人值守是煤矿生产发展的必由之路，是解决目前煤矿事故频发难题的最终办法。而采掘工作面的自动化又是整个生产环节的重中之重。由于综采是我国煤矿最主要的采煤工艺，因此综采工作面的无人化和少人化是解决煤矿安全的核心课题。解决这一难题的关键是从采煤工艺的角度来主导综采工作面设备的自动运行及配合，即从综采系统的整体角度来思考自动化采煤问题。
综采工作面是煤矿生产最前沿的工作环节，也是最复杂的工作环节。其设备数量多，设备之间互相制约、相互协调，任何单一设备都无法脱离其它设备而单独完成任务。同时这些设备的任何一个动作还受地质条件的限制。一个标准的综采工作面一般要由200~300台设备构成，核心设备有采煤机、刮板运输机、液压支架、转载机、破碎机和带式运输机，其中仅液压支架就多达100~250架，实现自动化的难度很大。随着自动化技术的发展以及采煤工艺的不断深入，在地质条件允许的情况下实现自动化采煤逐渐具备了可行性。晋城煤业集团古书院矿自动化综采工作面已开始下井试运行，已完成三个工作面。阳泉荫营煤矿的薄煤层自动化综采工作面也已投入运行。笔者从这两个自动化综采工作面的设计和实施过程中发现，要想实现综采工作面的自动化运行，必须对综采工作面的设备重新认识和定位，必须打破原有的在人工操作基础上以单机为控制目标的传统思路，打破设备生产厂家的界限，打破设备功能的界限，破除单机智能化的传统研究思路，从工作面整体采煤的思路来看待每一台设备，将它们作为一个大机器的一个部件，在控制中心的统一控制下协调工作。1 基于工作面整体自动化的设备分类    从工作面整体自动化的角度将综采工作面的设备分为生产设备、辅助设备、工作面控制中心。
1.1 生产设备
综采工作面的生产设备包括主要采煤设备、转载运输设备。　　主要采煤设备是整个综采工作面的核心设备，可将其称为主采机组。本文将工作面的三机——采煤机、运输机、工作面支架看作一个大型设备。由于这三种设备在结构上相互连接，动作上互相制衡，位置上相互重叠，故从自动控制的角度来看是不可分割的一个整体，应由控制中心统一控制。尽管目前从生产和使用的角度看，三种设备是由不同厂家生产和提供，而且各自有独立的动力系统和控制系统，但三者在采煤过程中是不可分割的。在目前以人工操作为主要工作方式的情况下（机械化采煤），每台设备的动作可单独操作，各自生产厂家都对其进行自动化技术的改造，如智能采煤、电液控制系统、刮板机在线监测系统等。这些技术都是从单体设备的角度，而没有从工作面整体运行的模式上来思考。要实现连续高效的无人值守综采工作面，任何一种设备都不能独立完成，或者说某一种设备自动化水平的提高都不会对工作面整体工作产生太大影响。只有将它们看作为综采机组的一个部件，通过控制中心对每一个环节进行精确定位、协调控制，才能使整个工作面像一台机器一样连贯自如、配合默契地工作，达到无人值守的目的。实质上，无人工作面或自动化工作面应该是一个有人操作的可以自动行走、自动割煤、自动支护、自动装煤、自动运煤的一台大型机器，而操作人员不在机器上，而是在顺槽的操作列车上。所谓“无人”只是整个机器的每个部件无人单独操作而已。    转载运输设备是综采工作面的接续设备，包括转载机、破碎机、带式输送机等，主要完成煤炭的连续运输工作。因其与主采设备无直接连接，并可单独运动，所以可作为接续设备在控制中心与主采机组进行联锁控制，实现顺煤流起车、逆煤流留停车、紧急停车等功能。超前支护设备虽然也是靠液压进行行走控制，但控制过程和方式与工作面支架不尽相同，而且可独立于工作面支架而单独行动。其主要防护对象为转载机、破碎机等，所以也可作为转载运输设备的一部分来处理。1.2 辅助设备　　辅助设备一般是指设备列车上的所有动力保障设备，包括动力中心、泵站、清水站等。动力中心为整个工作面所有设备提供电力，控制中心可通过网络对其任何一个动作进行控制，并可读取每一条路线的所有电气参数及开关状态。泵站是液压支架的动力源，可通过控制中心进行集中控制，完成自动配液、软化处理、压力检测、水位控制、泵组开停及各种保护功能。1.3 控制中心
控制中心是自动化工作面的中枢神经，是综采工作面由机械化向自动化过度的关键设备，包括工作面整体操作平台、主采机组控制站、转载运输控制站、视频监测中心、通信调度中心等[1]。本文将重点阐述控制中心的组成。2 综采无人工作面控制中心的组成2.1主采机组控制站
主采机组控制站主要负责控制直接采煤设备，将采煤机、刮板机、工作面支架作为一个整体设备进行控制。该控制站可实现各采煤工艺的控制，取代智能采煤机中的智能化部分，如记忆切割、煤岩分界识别等特殊功能。采煤设备只需完成牵引行走、割煤、喷雾、参数采集等基本功能，而将计算量较大的智能控制功能上交到主采机组控制站，由控制站结合运输机、支架的工作状况和时空关系，以及地质条件和瓦斯的变化情况等进行协调控制。另外，该控制站还取代了电液控制系统的部分高端控制要求。在主采机组控制站，可选择“远程单体”和“远程自动”操作，在“远程单体”模式下，用户可通过自动化集控计算机画面的手动控制按钮，实现支架控制系统的单架单功能控制、单步操作、手动成组操作，如支架立柱升、降，移架、推溜、侧护板伸，底调、平衡、支架小循环自动控制，成组支架降、移、升工作循环自动控制（成组自动控制，包括成组自动推溜、成组自动降—移—升、成组自动支架前端辅助采煤机喷雾、成组自动移架喷雾）；在“远程自动”模式下，液压支架会跟随采煤机的运行而进行相应的移架、自动推溜、自动降-移-升、自动支架前端辅助采煤机喷雾操作。根据电液控制系统采集到的工作面各种参数，可在主采机组控制站的计算机上设置自动追机拉架、支架的推移步距、斜切进刀、调斜等参数。
主采机组控制站还具有对支架控制系统的故障诊断、显示和报警功能，使电液控制系统回归到原始的执行机构的作用上，同时可保留一些常规操作。支架电液控制系统有“就地”和“远程”控制，在 “就地”模式下，可实现单台支架降、移、升工作。就地手动具有最高的优先权，就地手动时可屏蔽掉远程控制命令。
主采机组控制站还可实现运输机在线监测以及运输机进行自动调链和张紧控制功能，还可引入变频驱动技术，实现自动力矩平衡控制。这样可使系统更加简单，同时还可将监测到的数据直接用于主采机组的保护和控制。
除上述主控功能外，主采机组控制站还应具备视频采集控制和控制切换功能，使工作面的视频信号随采煤机的运动分屏地投射到控制中心，以便操作人员观察现场情况。2.2 转载运输控制站
转载运输控制站主要负责转载机、破碎机、带式输送机和超前支护支架的联锁和协调控制，并在工作面控制中心的协调下跟随主采机组的推进自动移动，同时采集所有设备的工作参数和超前支护的顶板参数。2.3视频监测系统
要完成综采设备由人工跟机控制到控制中心集中控制的转变，必须解决工作面的可视化问题[2]。视频监测系统即用于完成工作面设备及顺槽设备的监视工作，将现场设备运行情况分屏地反映到工作面操作平台上，供操作人员分析使用。
实现视频监视系统的重点是视频的传输问题和摄像头的防尘问题。根据采煤机移动工作的特点，采用移动无线视频比较好。这就需要使整个工作面达到无线网络全覆盖，然后在液压支架和采煤机上安装摄像头，并根据采煤机的位置控制摄像头交替工作，自动跟踪采煤机行走，以保证最佳的视频效果。另外，防尘也是必须解决的关键问题之一。2.4通信调度系统
在工作面无线覆盖的基础上，需要为工作面所有空间提供全覆盖的无线通信系统，使工作人员在工作面及两个顺槽的任何位置都能进行移动通信，保证整个工作队伍的通信联络。2.5工作面整体操作平台
工作面整体操作平台是整个综采工作面所有设备进行集中控制的平台。它可控制整个综采工作面所有设备，同时负责与地面调度进行信息联络，地面调度中心可能过光纤网络监视工作面所有设备的工作状态和各种参数，同时可进行视频监视和电话指挥，必要时可在地面对设备进行人工干预，以便处理紧急事故。[3]
3 综采无人工作面的系统架构及特点3.1  系统架构

   综采无人工作面的系统架构如图1所示：

图1 综采无人工作面的系统架构
3.2 综采无人工作面的特点
（1） 打破了综采工作面以机械设备为主的工作模式。目前所谓“自动化工作面”的研究均是在传统的人工操作模式下，以某种机械设备为主进行扩展。其中一种方法是以电液控制系统为基础，采集采煤机的信息，以此扩展到工作面其它设备的控制；另一种方法是以采煤机的智能化为基础，与电液控制系统相结合进行自动控制。综采工作面是一个多设备、多系统相互融合和的复杂系统，设备与设备之间的动作相互交织，另外还存在地质条件变化等因素影响。目前单一设备的控制系统的运算能力还较差，各设备之间只能通过通信以及各自的控制系统进行决策控制，不仅影响了指令的执行时间，也容易出现逻辑错误。另外，机械设备厂家的技术特点都是以机械为主，自控技术力量一般都不高，设备之间还存在相互竞争，难以实现协调一致的控制。所以要想实现整个工作面自动化采煤，必须打破以机械设备为中心的机械化采煤方式。    （2） 打破了以设备生产厂家为单元的独立控制思路。要实现综采工作面的自动化采煤，必须打破生产厂家的壁垒，实现多设备协调统一的控制，从而提高工作面的整体性，降低对单体设备控制的技术要求。    （3） 确立了以自动化技术为主导的主采机组的整体控制方案。由于综采工作面的复杂性，必须把工作面相互连接的所有设备看成一个大型的可行走的采煤机组，不考虑采煤机、支架、刮板机的体积、数量、功能，只是将其作为主采机组的一个部件，设备的任何一个动作都要在协调其它部件、同时考虑工作面环境变化的情况下执行。    （4） 通过无线网络全覆盖，使工作面的视频监视功能得到加强，同时解决语音通话问题。更重要的是，在特殊情况下可在工作面可视距离内的任何一点进行遥控操作。无线网络可作为数据和控制信号的备用通道，使控制系统的传输达到双通道互为备用，大大提高系统的可靠性。
5 综采无人工作面的预期效果
综采无人工作面应可实现四级监控，三级控制。　　（1） 可在地面调度室监控工作面所有设备的工作过程、工作状态和相关数据。通过视频观察采煤机行走、割煤、摇臂调高卧底的动作过程；观察液压支架的升-降-移工作过程以及转载运输设备、超前支护设备的工作和移动过程；可进行语音通话，实施语言指挥；在特殊紧急情况下，可直接干预停机。　　（2） 可在顺槽设备列车上（工作面控制中心）进行远程自动控制 和远程手动控制。远程自动控制是指在工作面条件允许的情况下实现全自动采煤，采煤机可实现记忆切割，根据示范刀切割数据进行自动巡航、调高、卧底、加速和减速，并实现斜切进刀、磨三角等功能；支架可实现跟机拉架、调斜、成组拉架等动作。远程手动控制是指在工作面地质条件不好的情况下，通过控制中心的计算机上对单体设备进行点动控制。　　（3） 在远程操作出现问题时，工作人员可用手持遥控器在可视范围内进行人工操作。　　（4） 除自动化功能外，采煤机和支架还保留各自的本机操作功能，在特殊情况需要人员现场处理时，工人可在机器旁进行单机、单功能操作。

参考文献：
[1] 田成金. 薄煤层自动化工作面关键技术现状与展望. 《煤炭科学技术》2011年8月第39卷第8期.
[2] 夏护国. 自动化综采工作面技术应用. 《陕西煤炭》2007年第一期. [3] 朱广军 岳昌华 马小丽 数字化综采工作面系统应用. 《煤矿机械》2012年01期.

基金项目：“30套/年智能化综采工作面控制系统产业化”项目获得2011年太原市一流自主创新基地建设专项重大项目评审第一名。承担单位：山西科达自控工程技术有限公司
作者简介：[1] 付国军，男 ，1965年生， 内蒙古赤峰市人， 毕业院校：山西矿业学院 ，电气自动化专业， 硕士学位，职称：高级工程师，工作单位：山西科达自控工程技术有限公司，职务：董事长兼总经理。1984年参加工作，致力于煤矿生产自动化技术的研究，获多项国家专利；2007年2010年荣获山西省科技厅“山西省科技奉献先进个人一等奖”；2011年科研项目“智能化综采工作面控制系统”获得“太原市自主创新重大项目”评审第一名。
[2] 杨明亮 男 1963年生 毕业于山西矿院地下采煤专业，硕士学位，高级工程师，工作单位：阳泉荫营煤矿， 职务：总经理。 在国家大中型建设项目荫营矿改扩建工程建设中，获得突出贡献奖，“近水平、厚煤层滑移支架放顶煤开采”试验荣获1990年山西省煤炭工业厅科技进步二等奖。1993年荣获省监狱管理局科技进步一等奖。