以采煤機(jī)為核心的自動(dòng)化煤礦綜采工作面的實(shí)現(xiàn)方法

王朝

摘 要：煤炭作為一種重要的能源和戰(zhàn)略物資，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中起著關(guān)鍵作用。煤炭井下開采環(huán)境惡劣，效率低，同時(shí)伴隨著一定的人員傷亡。建國(guó)以后，尤其是近十幾年的技術(shù)發(fā)展和設(shè)備更新，使得煤礦綜采效率有了巨大飛躍。為了進(jìn)一步提升工作面的開采效率和安全可控性，煤炭企業(yè)和煤機(jī)技術(shù)人員，以高水平的自動(dòng)化和智能化開采作為目標(biāo)，進(jìn)行了大量的嘗試，并取得了一定成效。

關(guān)鍵詞：煤礦綜采；智能化；自動(dòng)化；仿形截割

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.12.053

0 前言

井下綜采工作面，是我國(guó)目前井下煤炭機(jī)械化開采最為普遍的形式。其高效性、安全性和自動(dòng)化程度被廣泛認(rèn)同為煤礦企業(yè)生產(chǎn)最高水平的標(biāo)識(shí)。隨著控制技術(shù)和通訊技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的技術(shù)人員和煤炭企業(yè)將構(gòu)建自動(dòng)化、智能化、無人化綜采工作面視為工作的方向。

1 采煤機(jī)仿形截割的發(fā)展過程和現(xiàn)狀

（1）基礎(chǔ)仿形截割。初期的采煤機(jī)仿形截割的實(shí)現(xiàn)有很多不利因素——以PLC為核心的控制中心，存儲(chǔ)和通訊能力有限，僅能夠進(jìn)行單一割煤工藝段的仿形。其實(shí)現(xiàn)途徑是記錄前一次的人工往返割煤過程的采煤機(jī)位置及對(duì)應(yīng)的左右搖臂高度（示范刀），并在后一次自動(dòng)割煤時(shí)回放，對(duì)應(yīng)往返兩次割煤的采煤機(jī)位置來調(diào)整滾筒高度。支架則需要人工干預(yù)，及時(shí)調(diào)整。這個(gè)階段的仿形截割有以下缺點(diǎn)：1）缺乏人工干預(yù)調(diào)整和修正示范刀的功能設(shè)定；2）位置確定需要靠預(yù)設(shè)在電機(jī)軸一側(cè)的接近開關(guān)計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)，精確性差；3）搖臂調(diào)高的精度低；4）通訊能力差導(dǎo)致三機(jī)協(xié)同不理想 。

（2）引入設(shè)備聯(lián)動(dòng)的半自動(dòng)仿形截割。這個(gè)階段的采煤機(jī)控制系統(tǒng)經(jīng)過升級(jí)，具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)能力。并且很多煤礦企業(yè)在采煤機(jī)機(jī)身上加裝本質(zhì)安全型紅外發(fā)射裝置，在支架上安置接收裝置，用來確定采煤機(jī)對(duì)于支架系統(tǒng)的相對(duì)位置，與采煤機(jī)原有的絕對(duì)位置相佐證，并連鎖支架電液控系統(tǒng)，進(jìn)行支架控制，配合采煤機(jī)仿形截割。這種方法一定程度上實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化的三機(jī)聯(lián)動(dòng)，并解決了人工干預(yù)打斷問題，具備示范刀修正的功能，但頻繁的人工干預(yù)，仍然使其使用效果大打折扣。

（3）建立在集控平臺(tái)之下的自動(dòng)化三機(jī)聯(lián)動(dòng)仿形截割。隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，更多經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證了穩(wěn)定性的設(shè)備和技術(shù)應(yīng)用于煤礦綜采。以太重煤機(jī)的方案為例：在這個(gè)階段，采煤機(jī)具有完善的數(shù)據(jù)處理和記錄能力，可以實(shí)現(xiàn)多工藝段（包括斜切進(jìn)刀、割三角煤刀、掃煤等），同一位置對(duì)應(yīng)不同采高記憶；搖臂采用PID比例調(diào)高，確保了控制精度，控制器處理速度<10ns，保證控制的及時(shí)性；使用旋轉(zhuǎn)編碼器對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行精確定位，控制精度±5cm；內(nèi)部使用CANBUS，總線通訊速率>250Kpbs。采煤機(jī)的工藝段設(shè)定及采高、位置、自動(dòng)程序割煤都會(huì)上傳至順槽集控平臺(tái)，集控平臺(tái)再將數(shù)據(jù)邏輯處理，將控制指令發(fā)送給支架電液控系統(tǒng)，進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度。采煤機(jī)、支架、刮板運(yùn)輸機(jī)任何一方有故障或者特殊情況發(fā)生，都有應(yīng)急的處理和調(diào)整方案。也可以通過以井下環(huán)網(wǎng)，將工作面情況上傳至煤礦管理上位機(jī)，以加入注入煤倉(cāng)管理、煤流平衡之類的其他聯(lián)動(dòng)關(guān)系。構(gòu)成一個(gè)通訊及時(shí)，管理統(tǒng)一的邏輯控制平臺(tái)。一線人員人數(shù)降低，效率大大提升。目前我國(guó)煤礦綜采工作面的技術(shù)水平就處于本階段。

2 以采煤機(jī)為核心的自動(dòng)化綜采的實(shí)現(xiàn)方法

（1）采煤機(jī)的位置確定。區(qū)別于以往電機(jī)軸側(cè)的計(jì)數(shù)和支架紅外校準(zhǔn)的方法，采用旋轉(zhuǎn)編碼器采樣程序，確定采煤機(jī)的絕對(duì)位置，其定位精度更高，再配合變頻設(shè)備與控制中心的CANBUS通訊，可以及時(shí)準(zhǔn)確的對(duì)采煤機(jī)實(shí)際位置進(jìn)行校正，控制精度±5cm。

（2）搖臂高度的控制。放棄原有開關(guān)閥組，采用比例閥PID的小閉環(huán)控制方案，程序控制搖臂逼近目標(biāo)值，采高控制誤差<±5cm。

（3）多工藝段的仿形截割和程序截割。細(xì)分綜采工作面割煤工藝段，每個(gè)工藝段分別進(jìn)行仿形記憶，建立自更新數(shù)據(jù)庫(kù)，也可程序編輯各工藝段切割流程。（見圖1）

（4）人工干預(yù)和修正技術(shù)。在程序割煤過程中，如果不同工藝段的原仿形數(shù)據(jù)設(shè)定與當(dāng)前情況發(fā)生出入，可以使用遙控設(shè)備轉(zhuǎn)為手動(dòng)操作，對(duì)工藝段的現(xiàn)有數(shù)據(jù)進(jìn)行局部修改——并可選則更新或者保持原數(shù)據(jù)設(shè)定。

（5）三機(jī)協(xié)同聯(lián)動(dòng)。首次示范全工藝段割煤，支架系統(tǒng)可以根據(jù)采煤機(jī)位置和搖臂高度實(shí)現(xiàn)被動(dòng)跟隨。在形成完整的數(shù)據(jù)庫(kù)備份之后，支架系統(tǒng)就可以綜合原有數(shù)據(jù)設(shè)定和目前采煤機(jī)實(shí)際工況，對(duì)于各種不同故障和臨時(shí)狀況做出及時(shí)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的邏輯和動(dòng)作。

（6）通訊與集控平臺(tái)管理。采煤機(jī)和支架系統(tǒng)到順槽集控平臺(tái)的通訊可有多種選擇：4G、wifi或者加強(qiáng)型RS485等方式。集控平臺(tái)配置防爆工控機(jī)和相應(yīng)的視頻監(jiān)視設(shè)備，集中處理、記錄、修改各工藝段的數(shù)據(jù)，并在保證安全的前提下，逐步推進(jìn)程序控制。敷設(shè)環(huán)網(wǎng)的煤礦企業(yè)可以將工作面全部設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)由順槽集控平臺(tái)傳至煤礦企業(yè)調(diào)度中心，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理。

3 結(jié)語

在本階段技術(shù)成熟的基礎(chǔ)上，可以利用諸如煤層巖石層的識(shí)別和透視，等地質(zhì)識(shí)別的方法。在整個(gè)煤層開采之前或者部分開采之后，將煤層模型輸入和應(yīng)用到集中控制平臺(tái)，通過平臺(tái)已有的數(shù)據(jù)庫(kù)，制定整個(gè)煤層的開采方法并預(yù)計(jì)三機(jī)聯(lián)動(dòng)的各個(gè)工藝段模式。實(shí)現(xiàn)真正意義上的智能化、無人化煤礦綜采。

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