采煤機(jī)煤巖截割智能識(shí)別系統(tǒng)構(gòu)建與流程設(shè)計(jì)

劉東升

（內(nèi)蒙古黃陶勒蓋煤炭公司巴彥高勒煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017312）

關(guān)鍵字：采煤機(jī)；煤巖截割；智能識(shí)別；系統(tǒng)構(gòu)建；流程設(shè)計(jì)

0 引言

長期以來，煤炭一直是支撐國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的基礎(chǔ)能源之一，煤礦安全高效生產(chǎn)關(guān)系到國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定[1-2]。有關(guān)資料顯示，煤礦機(jī)械設(shè)備自動(dòng)化、智能化水平低是導(dǎo)致煤炭行業(yè)死亡事故頻發(fā)的根本原因，雖然我國是最大的煤礦機(jī)械設(shè)備制造國家，但創(chuàng)新能力和先進(jìn)技術(shù)有所欠缺，整體智能化水平或關(guān)鍵設(shè)備技術(shù)相對(duì)落后[3-4]。

采煤機(jī)是綜采工作面的主要設(shè)備，如何提高或保障采煤機(jī)連續(xù)、安全以及智能化運(yùn)行是目前面臨的主要技術(shù)難題[5-6]，其中如何煤巖識(shí)別是實(shí)現(xiàn)智能化工作面的關(guān)鍵技術(shù)之一[7-9]。在采煤截割煤巖過程中，截割煤層和巖層時(shí)產(chǎn)生的聲音具有明顯的差異性，經(jīng)驗(yàn)豐富的采煤機(jī)司機(jī)根據(jù)截割聲音，可以判斷是否截割巖層，人為調(diào)整截割高度和行走速度，這種根據(jù)聲音判斷采煤機(jī)煤巖截割狀態(tài)為煤巖截割智能識(shí)別提供了一種新的思路或方法，基于此，本文分析了采煤機(jī)基本結(jié)構(gòu)和原理，構(gòu)建了采煤機(jī)煤巖截割智能識(shí)別系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了采煤機(jī)煤巖截割智能識(shí)別流程，為完善智能化工作面提供一種新技術(shù)或新思路。

1 采煤機(jī)基本結(jié)構(gòu)和原理分析

采煤機(jī)、液壓支架和刮板輸送機(jī)是綜采面的關(guān)鍵設(shè)備，采煤機(jī)沿工作面方向截割煤層，破碎后的原煤掉落至刮板輸送機(jī)被輸送至后續(xù)的運(yùn)輸系統(tǒng)；液壓支架主要完成采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)工作時(shí)的支護(hù)作用，圖1給出了綜采面主要設(shè)備布置示意圖。

采煤機(jī)按照其行走機(jī)構(gòu)的牽引方式不同可分為機(jī)械、液壓以及電牽引式，其中電牽引式應(yīng)用最為廣泛。電牽引式采煤機(jī)主要由截割機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、破碎機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)以及其他輔助機(jī)構(gòu)組成，圖2為常見的電牽引式采煤機(jī)基本結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 電牽引式采煤機(jī)基本結(jié)構(gòu)示意圖

1）截割機(jī)構(gòu)主要用于完成破煤和落煤，能耗相對(duì)最大，占采煤機(jī)功率的四分之三以上，由電機(jī)通過傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)截割滾筒旋轉(zhuǎn)，滾筒上的截齒呈螺旋分布，在滾筒旋轉(zhuǎn)過程中，實(shí)現(xiàn)破煤工序，破碎的原煤掉落至采煤機(jī)下方的刮板輸送機(jī)，實(shí)現(xiàn)裝煤工序。

2）行走機(jī)構(gòu)主要用于牽引采煤機(jī)行走，通過嚙合方式傳遞驅(qū)動(dòng)，配合截割機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)連續(xù)割煤，目前行走機(jī)構(gòu)主要采用電牽引式變頻驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速。

3）破碎機(jī)構(gòu)主要用于大尺寸煤體破碎，由于截割機(jī)構(gòu)破碎煤體形成的原煤塊體大小、形狀隨機(jī)，破碎機(jī)構(gòu)可防止煤塊卡堵刮板輸送機(jī)。

4）液壓系統(tǒng)主要用于調(diào)節(jié)截割機(jī)構(gòu)、破碎機(jī)構(gòu)以及機(jī)身防護(hù)板相對(duì)位置和結(jié)構(gòu)，一般來說，破碎機(jī)構(gòu)和機(jī)身防護(hù)板位置相對(duì)穩(wěn)定，而由于煤巖賦存不穩(wěn)定導(dǎo)致截割機(jī)構(gòu)高度需動(dòng)態(tài)調(diào)整。

5）電氣系統(tǒng)主要用于調(diào)節(jié)行走機(jī)構(gòu)和滾筒高度，通過P LC控制器和數(shù)據(jù)傳感器，輸出和接受本地或地面調(diào)度中心的指令。

6）輔助機(jī)構(gòu)主要用于實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)長時(shí)安全運(yùn)行，同時(shí)實(shí)現(xiàn)噴霧降塵、機(jī)構(gòu)潤滑等作用。

2 煤巖截割智能識(shí)別系統(tǒng)構(gòu)建與流程設(shè)計(jì)

智能識(shí)別煤巖截割狀況，基于采煤機(jī)運(yùn)行工況，實(shí)現(xiàn)截割機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)的自動(dòng)調(diào)節(jié)，以適應(yīng)現(xiàn)有煤層地質(zhì)條件，本章利用截割機(jī)構(gòu)的截齒破碎煤層、巖層、含矸煤層產(chǎn)生的不同聲音信號(hào)，在線處理以實(shí)現(xiàn)煤巖截割智能識(shí)別，從而實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的智能控制。

2.1 采煤機(jī)煤巖截割智能識(shí)別系統(tǒng)構(gòu)建

煤巖截割智能識(shí)別系統(tǒng)主要由信號(hào)識(shí)別前端、數(shù)據(jù)交換傳輸基站以及遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)控制中心構(gòu)成。

1）信號(hào)識(shí)別前端。前端主要包括截割機(jī)構(gòu)聲音采集裝置、前端接收處理和傳輸模塊、網(wǎng)絡(luò)交換模塊以及采煤機(jī)P LC控制模塊，其中，截割機(jī)構(gòu)聲音采集裝置分別設(shè)置于兩側(cè)滾筒處，用于采集兩側(cè)截齒截割煤巖產(chǎn)生的聲音信號(hào)，前端接收處理和傳輸模塊將采集的聲音信號(hào)進(jìn)行傳輸、預(yù)處理、提取關(guān)鍵信息等，并通過網(wǎng)絡(luò)交換模塊將處理后的信號(hào)傳輸至采煤機(jī)P LC控制模塊，該信號(hào)作為實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)煤巖截割智能調(diào)控的基礎(chǔ)。

圖3 信號(hào)識(shí)別前端部件構(gòu)成

2）數(shù)據(jù)無線交換傳輸基站。采煤機(jī)截割行走，處于持續(xù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，需采用無線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因此采用無線MES H技術(shù)的無線交換機(jī)，分別設(shè)置在采煤機(jī)機(jī)身和液壓支架上，交換機(jī)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)網(wǎng)絡(luò)配置，得到最優(yōu)傳輸路徑，信號(hào)識(shí)別前端中的網(wǎng)絡(luò)交換模塊、P LC控制模塊可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸。

圖4 數(shù)據(jù)無線交換傳輸基站

3）遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)控制中心。控制中心實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)采煤機(jī)截割機(jī)構(gòu)截割狀態(tài)，顯示采煤機(jī)工況條件，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)運(yùn)行3D再現(xiàn)，并可完成必要的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存功能。

2.2 采煤機(jī)煤巖截割智能識(shí)別流程設(shè)計(jì)

由于采煤機(jī)截割機(jī)構(gòu)破煤時(shí)，往往與多臺(tái)部件或設(shè)備同時(shí)工作，存在多個(gè)聲源，造成聲音信號(hào)雜亂，截割煤巖產(chǎn)生的聲音信號(hào)信噪比較低，無法有效識(shí)別該信號(hào)，造成煤巖識(shí)別難度較大，因此，需采用必要的去噪方法提取關(guān)鍵信號(hào)。

采煤機(jī)煤巖截割智能識(shí)別大概分為4個(gè)流程，包括：信號(hào)增強(qiáng)、信號(hào)去噪、模式識(shí)別、智能控制。首先，根據(jù)采集原始聲音信號(hào)，利用隨機(jī)共振模型進(jìn)行信號(hào)增強(qiáng)，以提高信噪比，具體流程包括：原始信號(hào)預(yù)處理、時(shí)頻特征分析、增強(qiáng)算法參數(shù)確定；原始聲音信號(hào)增強(qiáng)后，進(jìn)行信號(hào)去噪，消除其他聲源信號(hào)對(duì)截割聲音信號(hào)的干擾，提高關(guān)鍵信號(hào)的精準(zhǔn)性，具體流程包括：選擇去噪方法、改進(jìn)優(yōu)化去噪方法、分析閾值影響、確定最優(yōu)去噪閾值；信號(hào)去噪后，進(jìn)行模式識(shí)別，基于提取的自適應(yīng)特征，進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)和煤巖識(shí)別，確定煤巖截割模式；最終利用采煤機(jī)P LC控制模塊實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)行走速度和截割高度的智能調(diào)控，圖5給出了采煤機(jī)煤巖截割智能識(shí)別流程圖。

圖5 采煤機(jī)煤巖截割智能識(shí)別流程圖

3 結(jié)論

采煤機(jī)如何煤巖識(shí)別是實(shí)現(xiàn)煤礦智能化工作面的關(guān)鍵技術(shù)之一，利用截齒截割煤、巖層產(chǎn)生的差異性聲音信號(hào)，通過分析電牽引式采煤機(jī)基本結(jié)構(gòu)和原理，構(gòu)建了采煤機(jī)煤巖截割智能識(shí)別三大系統(tǒng)：信號(hào)識(shí)別前端、數(shù)據(jù)交換傳輸基站以及遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)控制中心，設(shè)計(jì)了采煤機(jī)煤巖截割智能識(shí)別四大流程：信號(hào)增強(qiáng)、信號(hào)去噪、模式識(shí)別、智能控制，為智能化工作面建設(shè)提供一種新技術(shù)或思路。