無人工作面的采煤機智能控制關鍵技術

摘 要：礦產(chǎn)資源的短缺和供應乏力阻礙了工業(yè)的發(fā)展，對我國經(jīng)濟發(fā)展也造成了一定程度的影響。眾所周知，煤炭行業(yè)人員死亡率最高，資源回收率卻極低。因此要發(fā)展煤炭行業(yè)，首要提升的就是煤礦開采技術，以最少的人員獲取最大的收益。隨著科技的進步，自動化無人工作面采煤技術被提出、應用。本文基于無人工作面技術，簡述了采煤機智能控制系統(tǒng)的總體結構、采煤機智能控制系統(tǒng)的控制方案和采煤機基本結構及工作原理，同時對直線度控制和水平控制技術、自適應調高技術及自動調度控制技術三種關鍵的智能自適應開采技術模式進行了闡述。

關鍵詞：采煤機;無人工作面;智能控制技術

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.04.078

煤炭產(chǎn)業(yè)處于我國工業(yè)基礎、能源的核心地位，是基礎能源產(chǎn)業(yè)。為了適應當今社會技術發(fā)展的趨勢，實現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)，在煤礦開采過程中使用信息化技術是非常普遍的事。目前，我國采煤業(yè)正在由傳統(tǒng)型向科學型邁進，向自動化、智能化方向轉變[1]。自動化、智能化的煤礦開采能幫助煤礦企業(yè)實現(xiàn)安全生產(chǎn)、高效管理。

無人工作面是不同領域技術的交叉和綜合，是一個復雜的系統(tǒng)工程。是在安全專家系統(tǒng)、災害預測預報系統(tǒng)的基礎上，通過三機自動控制系統(tǒng)、采煤工藝智能化系統(tǒng)、采礦模擬系統(tǒng)、采礦模擬系統(tǒng)等，實現(xiàn)資源的合理化配置，大大降低現(xiàn)場作業(yè)人員的死亡率。無人工作面采煤技術的開采范圍包括薄煤層、厚煤層、特厚煤層以及中厚煤層。整個煤礦開采過程采用自動化技術，可實現(xiàn)無人自動化采煤，保證員工的安全。

實現(xiàn)無人工作面的基礎是實現(xiàn)三級自動控制，三級包括采煤機、刮板輸送機以及液壓支架。采煤機是無人工作面設備的核心部件，自動調高系統(tǒng)、自主定位以及自動導航系統(tǒng)組成了采煤機自動控制系統(tǒng)，采煤機自動控制系統(tǒng)是實現(xiàn)無人工作面的關鍵技術[2]。智能化刮板輸送機能實現(xiàn)自動推移控制，在各性能方面都屬于高水平的存在。液壓支架控制系統(tǒng)運用了計算機、液壓、電子、通信網(wǎng)絡技術，既能實現(xiàn)隔架控制、鄰架控制、工作面礦壓監(jiān)測與運行狀態(tài)的遠程控制以及支架本架控制等，還能實現(xiàn)收護幫板、拉架、架間噴霧、打護幫板及推溜之間的隨機聯(lián)動自動化。

1 采煤機智能控制系統(tǒng)的總體結構設計

（1）采煤機智能控制系統(tǒng)的總體結構。由于采煤機工作環(huán)境惡劣，其智能控制系統(tǒng)被分為遠程控制和機載控制，遠程控制也就是地面監(jiān)控系統(tǒng)，而機載控制是機載監(jiān)控系統(tǒng)，此外還有一種順槽監(jiān)控系統(tǒng)在地面監(jiān)控系統(tǒng)和機載監(jiān)控系統(tǒng)之間起著重要的連接作用。其中地面監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控中心包括一臺采煤機智能控制數(shù)據(jù)存儲服務器，和四臺監(jiān)控、管理系統(tǒng)主機，是智能控制系統(tǒng)狀態(tài)檢測終端、數(shù)據(jù)存儲終端以及命令控制終端。該系統(tǒng)所獲取的數(shù)據(jù)信息是通過順槽監(jiān)控系統(tǒng)得來的。

順槽監(jiān)控系統(tǒng)連接著地面監(jiān)控系統(tǒng)和機載監(jiān)控系統(tǒng)，是兩者之間的橋梁。該系統(tǒng)的控制中心設置在綜采工作面運輸巷中，其數(shù)據(jù)來自機載控制器，然后對數(shù)據(jù)進行處理，傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控系統(tǒng)的同時下發(fā)到機載監(jiān)控系統(tǒng)。對于遠程控制系統(tǒng)，其最重要的設備就是綜采工作面視頻監(jiān)視平臺，該監(jiān)視平臺的作用就是在順槽監(jiān)控中心的計算機上顯示井下傳來的畫面，及時了解綜采工作面的地下工作環(huán)境。

機載監(jiān)控系統(tǒng)主要用于收集采煤機的狀態(tài)信息，執(zhí)行本地或遠程的指令[3]。機載監(jiān)控系統(tǒng)主要由機載控制器、傳感器以及本安型無線交換機等組成，其核心是機載控制器，傳感器是為其提供實時數(shù)據(jù)的媒介，而實現(xiàn)工作面和順槽監(jiān)控系統(tǒng)之間的實時通訊功能的是本安型無線交換機。

（2）采煤機智能控制系統(tǒng)的控制方案。采煤機智能控制方法可以從牽引智能調速和滾筒智能調高兩方面入手，牽引智能調速是通過控制牽引電機的轉速來控制采煤機的運動速度，從而在滾筒切割矸石、頂板、底板時，有足夠的時間和空間進行調節(jié)，避免截割到巖石。滾筒智能調高是使?jié)L筒的截割高度隨著煤巖界面的變化而變化，保證滾筒沿著工作面運行，提高采煤效率。在進行牽引智能調速和滾筒智能調高動作時，采煤機智能控制系統(tǒng)能根據(jù)傳感器了解設備運行狀態(tài)，并預測煤層分布點，將分布點合成曲線，為調整滾筒高度作指引。在滾筒截割高度調整中，允許的高度變化范圍是50毫米，超過這個數(shù)值采煤機將自動調整截割高度[4]。

（3）采煤機基本結構及工作原理。采煤機主要包括牽引部、截割部、電氣系統(tǒng)以及其他輔助裝置。采煤機牽引部的作用是控制采煤機在行走銷軌上做往復運動。牽引部組成部分包括行走箱、左右牽引電動機以及減速箱等。牽引部控制采煤機做往復運動的原理是，在牽引減速機箱內有多級齒輪減速機構，利用這個減速機構可以使牽引電動機將動力向行走箱傳遞，然后行走箱里的內齒輪與輸送機上的齒輪吻合，從而驅動采煤機工作。截割部的主要工作是落煤以及割煤，安裝在采煤機左右兩端，由左右兩個截割滾筒、截割電機以及搖臂組成[5]。其中兩個截割滾筒的旋轉方向不一致，是為了適應裝煤的需要。采煤機搖臂的升降控制著截割滾筒的高低以適應煤層分布。電氣系統(tǒng)的作用是為采煤機的運行提供動力，并對瓦斯的量進行性檢測，如果危害氣體過量就會自動觸發(fā)報警機制。電氣系統(tǒng)的組成部分包括電控箱和交流電動機。采煤機實際工作流程：首先是牽引部控制其在工作面往復運動，運動中由滾筒完成截割工作，然后由刮板輸送機將落煤卸到轉載機上，最后在轉載機的運送下，將煤送到帶式輸送機。

2 智能自適應開采技術模式

智能自適應開采技術模式是采煤技術發(fā)展的最終目標。這種技術模式是通過控制系統(tǒng)發(fā)出的指令，在煤層賦存條件和環(huán)境因素下，通過智能感知，自動執(zhí)行調度，實現(xiàn)設備的調節(jié)控制和任務動作。在工作面的支護、推進過程以及整個采煤過程中是無人工參與操作，依賴無人工作面自動控制系統(tǒng)，自主實現(xiàn)采煤過程的智能感知和控制。在智能自適應開采技術模式中，因為核心關鍵技術沒有被突破，所以只應用了部分技術，完整技術的實踐還沒有實現(xiàn)。

（1）直線度控制和水平控制技術。如果在推進過程中，輸送機及支架等設備沒有排列整齊，會在推進中產(chǎn)生阻礙，使得輸送機、支架等呈現(xiàn)過度彎曲狀態(tài)，從而對設施造成損壞，而直線度控制技術可以避免這種情況的發(fā)生。這項技術能保證刮板輸送機和液壓支架整齊的排列在一起，并且有序的持續(xù)性向前推進，同時確保在工作面傾斜長度方向上綜采裝備處于直線狀態(tài)。水平控制技術的目的是自動控制采煤機和輸送機進行俯仰和傾斜動作，其控制依據(jù)是地理信息數(shù)據(jù)，利用工作面高精度慣性導航系統(tǒng)，將煤層地質特征精確繪制出來的三維地質模型。

（2）自適應調高技術。自適應調高技術在智能自適應開采技術模式有著很重要的作用，關系著該模式的應用能否成功，是其核心關鍵技術。該技術目前已較為成熟，在實際采煤工作中被廣泛應用。自適應調高技術是由兩種重要技術組成，一種是煤巖界面自動識別感知技術。要實現(xiàn)無人自動化開采，其前提條件就是煤巖界面自動識別感知技術。該技術能根據(jù)煤巖賦存的彎曲程度，使采煤機在割煤過程中對滾筒高度進行合理的調節(jié)，確保得到高質量煤炭，并能提高采煤效率。但由于已知煤層界面賦存彎曲程度復雜且多樣，煤巖層自動識別感知存在著不確定性，對自適應調高技術的發(fā)展有著很大的阻礙。自適應調高技術的另一種組成技術是智能化控制技術。該技術是根據(jù)煤巖層界面的識別曲線，調節(jié)滾筒實時高度，智能化控制能達到幾十毫秒的控制延時，為滾筒的調節(jié)爭取時間。

（3）自動調度控制技術。自動調度控制技術處于研究階段，還沒有在實際工作中正式運用。自動調度控制技術是利用智能控制系統(tǒng)，根據(jù)煤炭生產(chǎn)需求量，計算采煤機的推進速度及采煤速度，從而對其進行自動控制，達到按需生產(chǎn)的目的。在計算采煤速度以及推進速度時，是以需求量作為主要參數(shù)，以工作面傾角、煤層厚度、瓦斯、運輸能力等參數(shù)為輔，綜合計算得出。

3 總結語

為確保綜采工作面的安全高效生產(chǎn)，首要選擇就是實現(xiàn)采煤機智能控制技術。采煤機的自動化程度對整個煤礦開采有著直接的影響。在采煤機智能控制中，通過調節(jié)牽引速度和滾筒截割高度，實現(xiàn)采煤機穩(wěn)定運行，從而實現(xiàn)高效率、高品質采煤工作。同時智能控制技術能讓工人遠程操作設備，自動化完成割煤、落煤、裝煤、運煤等一系列過程，實現(xiàn)少人或無人工作面，減少現(xiàn)場作業(yè)人員，降低人員死亡率。

參考文獻：

[1]李明忠.中厚煤層智能化工作面無人高效開采關鍵技術研究與應用[J].煤礦開采，2016（03）：31-35.

[2]王國法，范京道，徐亞軍等.煤炭智能化開采關鍵技術創(chuàng)新進展與展望[J].工礦自動化，2018（02）：5-12.

[3]葛世榮，王忠賓，王世博.互聯(lián)網(wǎng)+采煤機智能化關鍵技術研究[J].煤炭科學技術，2016（07）：1-9.

[4]劉建偉.大采高智能化無人開采技術的探索[J].陜西煤炭，2018

（02）：23-25，59.

[5]李首濱，黃曾華，王旭鳴等.綜采工作面裝備遠程控制技術進展報告[J].科技資訊，2016（12）：173-174.

課題項目：本文系2016年度蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術學院院級技術積累項目課題《無人工作面智能采煤機技術收集》，課題編號J2016-03

作者簡介：李明（1986-），女，甘肅天水人，研究生，講師，研究方向：機械制造及自動化。