智能化采煤機(jī)在綜放工作面的應(yīng)用

夏秋龍，孔德彪

（山東能源集團(tuán)魯西礦業(yè)有限公司郭屯煤礦，山東 菏澤 274700）

隨著時(shí)代的發(fā)展和科技的進(jìn)步，智能化、自動(dòng)化的采煤技術(shù)正在逐漸被廣泛應(yīng)用于煤炭行業(yè)。在傳統(tǒng)的采煤方式中，不僅存在著人力資源的不足和安全問題，而且效率低下，生產(chǎn)成本高，難以適應(yīng)現(xiàn)代化煤炭開采的需求[1-2]。而智能化、自動(dòng)化采煤技術(shù)則可以有效地解決這些問題，提高采煤效率和質(zhì)量，降低人力成本和安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)還能幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，提高市場(chǎng)競爭力[3-4]。因此，煤礦實(shí)施智能化、自動(dòng)化采煤技術(shù)不僅是煤炭行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的必然選擇，也是推動(dòng)煤炭行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要手段。山東能源集團(tuán)魯西礦業(yè)有限公司郭屯煤礦（簡稱“郭屯煤礦”）為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，在2303 工作面開展研究，來探討智能化MG750/1860-WD 型采煤機(jī)在綜放工作面中的應(yīng)用。

1 智能采煤系統(tǒng)組成

2303工作面范圍內(nèi)煤層平均厚度約6.2 m；煤層傾角4～17°，平均7°；賦存較為穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單。頂板以粉、細(xì)砂巖為主，底板以泥巖為主。2303 工作面采用綜采放頂煤開采方式，為實(shí)現(xiàn)2303綜放工作面智能采煤需要借助遠(yuǎn)程控制、智能感知和定位、故障診斷與預(yù)警、記憶截割等系統(tǒng)。2303 工作面裝備MG750/1860-WD 型采煤機(jī)，如圖1 所示。該采煤機(jī)配有位置、搖臂擺角、傾角、油位、油溫、油壓等傳感器和記憶截割模塊，具備記憶截割功能。這些組成部分的集成和配合，有助于提升采煤機(jī)的自主決策和操作能力，實(shí)現(xiàn)采煤過程的自動(dòng)化、智能化和遠(yuǎn)程化，提高了采煤效率、安全性和可持續(xù)性。

圖1 采煤機(jī)傳感器示意圖

2 工作原理

2.1 智能感知與定位系統(tǒng)

采煤機(jī)安裝有絕對(duì)型位置編碼器2套（精度誤差≤0.01 m），搖臂擺角傳感器2 套（檢測(cè)范圍：±180°，精度誤差≤0.01°），二維傾斜傳感器（感知機(jī)身傾角，量程：±90°，精度誤差≤0.01°）、油位（精度誤差≤0.1 cm）、油溫（量程為-40～200 ℃，精度誤差≤0.1 ℃）、油壓（精度誤差≤0.01 MPa）、瓦斯監(jiān)測(cè)（精度誤差≤0.01%）、水路流量（精度誤差≤0.1 L/min）、水路壓力（精度誤差≤0.01 MPa）等傳感器各1套，以便滿足智能化要求。采煤機(jī)具備瓦斯、煤塵等感知檢測(cè)功能，具備瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)控制功能。采煤機(jī)機(jī)身安裝有瓦斯傳感器，具有瓦斯檢測(cè)功能與聯(lián)動(dòng)控制功能，相關(guān)數(shù)據(jù)已上傳至ZCS型智能集控系統(tǒng)中。

采煤機(jī)通過位置編碼器（安裝在牽引傳動(dòng)箱內(nèi)部的高速軸端）檢測(cè)牽引行走輪的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)與角度，定時(shí)采樣計(jì)算出設(shè)備牽引行走的距離與速度，達(dá)到自主定位的目的；在采煤機(jī)機(jī)身上安裝有一套紅外線發(fā)射器，隨采煤機(jī)往復(fù)運(yùn)行，并不斷地向外發(fā)射紅外線信號(hào)，紅外線接收器安裝在液壓支架立柱上，可以將接收到的紅外線信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)傳輸至支架控制器，支架控制器根據(jù)接收到的信號(hào)判斷采煤機(jī)的位置及運(yùn)行方向，用于輔助定位。

基于相關(guān)研究所的高精度慣導(dǎo)系統(tǒng)，固定在采煤機(jī)機(jī)身中部，工作時(shí)不依賴外界信息，也不向外界輻射能量，不易受到干擾。慣性測(cè)量裝置包括加速度計(jì)和陀螺儀，3個(gè)自由度陀螺儀用來測(cè)量采煤機(jī)的3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)；3個(gè)加速度計(jì)用來測(cè)量采煤機(jī)的3個(gè)平移運(yùn)動(dòng)的加速度。計(jì)算機(jī)根據(jù)測(cè)得的加速度信號(hào)計(jì)算出采煤機(jī)的速度和位置數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)的絕對(duì)定姿和定位，達(dá)到直線度檢測(cè)的目的。

2.2 通訊傳輸系統(tǒng)

采煤機(jī)在運(yùn)行過程中需要傳輸大量的數(shù)據(jù)，因此要確保采煤機(jī)通訊接口豐富。在主機(jī)內(nèi)部預(yù)留有備用的通訊接口，接口通訊協(xié)議需為各個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的RS232 和RS485，具備與支架電液控和三機(jī)聯(lián)動(dòng)控制擴(kuò)展的能力，并且還需具備遠(yuǎn)程通訊監(jiān)控功能，可全面檢測(cè)機(jī)組工作狀態(tài)，適應(yīng)自動(dòng)化工作面生產(chǎn)要求；配備采煤機(jī)至順槽集控中心全雙工控制通訊系統(tǒng)，確保監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性與可靠性。

2.3 遠(yuǎn)程控制與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

采煤作業(yè)時(shí)時(shí)刻刻都存在危險(xiǎn)性，而采煤機(jī)的遠(yuǎn)程控制可以提高工作安全性和效率，并且遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)可以與傳感器和監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行連接，實(shí)時(shí)采集和監(jiān)測(cè)煤礦的環(huán)境數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)，提供有效的數(shù)據(jù)支持和決策參考，提高生產(chǎn)管理的水平。因此采煤機(jī)需要具備遠(yuǎn)程控制、姿態(tài)監(jiān)測(cè)功能。

1）采煤機(jī)姿態(tài)監(jiān)測(cè)：搖臂處安裝有擺動(dòng)角度傳感器，通過精密伺服旋轉(zhuǎn)電位器測(cè)量搖臂相對(duì)于機(jī)身的擺動(dòng)角度，推算實(shí)時(shí)截割高度、搖臂角度和采煤機(jī)俯仰角度；通過安裝在機(jī)身內(nèi)的二維傾斜傳感器直接檢測(cè)到機(jī)身傾角狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)機(jī)身傾角感知功能。

2）通過ZCS型智能集控系統(tǒng)可對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，遠(yuǎn)程操控臺(tái)如圖2所示。MG750/1860-WD采煤機(jī)的電控系統(tǒng)采用DSP 分布式計(jì)算機(jī)控制，其中BOC主控模塊是采煤機(jī)核心處理器，BOC通過CAN總線與SGC 模塊通訊，SGC 模塊通過預(yù)埋在煤機(jī)電纜里的電纜通過FSK 載波與順槽里的GSC 通訊，GSC 將載波信號(hào)檢出調(diào)制成TPC 協(xié)議通訊，接入ZCS 型智能集控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)的遠(yuǎn)程控制，并可使用遙控器進(jìn)行近控干預(yù)。

圖2 采煤機(jī)遠(yuǎn)程操控臺(tái)

2.4 故障診斷與預(yù)警系統(tǒng)

采煤機(jī)還需要通過機(jī)身自帶的多種傳感器檢測(cè)到搖臂高度、各部件溫度、煤機(jī)俯仰角、牽引速度、電壓、電流、油溫、油壓、油位、冷卻水流量、水壓等運(yùn)行工況狀態(tài)。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)給出故障信息提示，主要包括不能開機(jī)、不能牽引、搖臂升降失靈、遙控器端頭站失靈、變頻故障等問題；當(dāng)工況狀態(tài)超出預(yù)定值時(shí)，提前給出預(yù)警，對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行專項(xiàng)檢修，提前處理相關(guān)故障。

2.5 記憶截割系統(tǒng)

為提高采煤效率、降低煤層損失、減少煤矸石產(chǎn)量等，采煤機(jī)還需要具備記憶截割功能。采煤機(jī)利用搖臂上安裝的擺動(dòng)角度傳感器和在牽引傳動(dòng)箱內(nèi)部的高速軸端上安裝的位置編碼器，在學(xué)習(xí)過程中實(shí)時(shí)記錄采煤機(jī)兩搖臂高度和牽引速度，采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在采煤機(jī)電控箱內(nèi)的記憶截割模塊；啟動(dòng)記憶截割時(shí)，采煤機(jī)主控模塊調(diào)取記憶截割模塊里存儲(chǔ)的煤機(jī)示范刀數(shù)據(jù)，指導(dǎo)采煤機(jī)完成記憶截割過程。

3 實(shí)際應(yīng)用

郭屯煤礦2303 工作面根據(jù)自身?xiàng)l件，機(jī)頭割1 掃2，機(jī)尾割1掃2，共計(jì)23個(gè)工藝段；每割30刀煤重新學(xué)習(xí)一次示范刀，遇采場(chǎng)條件急劇變化時(shí)，采用在線修改模式修改局部記憶數(shù)據(jù)。功能使用正常，運(yùn)行記錄齊全，記憶截割率平均值可達(dá)80%以上。端頭處支架電液控系統(tǒng)配合采煤機(jī)記憶截割，實(shí)現(xiàn)三角煤自動(dòng)截割，達(dá)到了全工作面記憶截割的要求。MG750/1860-WD型采煤機(jī)采用自動(dòng)化控制系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行情況和工作環(huán)境，減少了人工操作的風(fēng)險(xiǎn)，保證了采煤作業(yè)的安全性，從而實(shí)現(xiàn)高效的采煤作業(yè)。

4 結(jié)語

郭屯煤礦2303綜放工作面通過智能化采煤設(shè)備、傳感器監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)采集與處理等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)采煤過程的自動(dòng)化控制和信息化管理，取得了較好的應(yīng)用效果，大大提高了采煤效率和安全生產(chǎn)水平。智能采煤技術(shù)對(duì)于推動(dòng)煤炭行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)、提升煤炭產(chǎn)業(yè)的競爭力具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。未來企業(yè)需要不斷創(chuàng)新和完善智能化采煤技術(shù)，提高其適用性和可靠性，促進(jìn)采煤生產(chǎn)的安全、高效和可持續(xù)發(fā)展。