煤礦智能化綜采工作面開采技術(shù)及其控制研究

摘 要：近年來，煤炭行業(yè)加速推進信息化、智能化建設(shè)，智能化開采成為大勢所趨，由采煤工作面各系統(tǒng)、施工工藝、勞動組織、保障措施構(gòu)成了煤礦智能化開采的新體系。煤礦綜采工作面智能化開采的應(yīng)用不僅可以實現(xiàn)無人開采的目標，可以大大促進煤礦綜采工作的開展，是適應(yīng)時代發(fā)展的一項技術(shù)革新。本文將主要探討煤礦智能化綜采工作面開采技術(shù)及其控制。

關(guān)鍵詞：煤礦;智能化;綜采工作面;開采技術(shù)

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和社會的進步，我國的煤炭開采技術(shù)不斷發(fā)展成熟，煤炭工業(yè)逐漸由勞動密集型產(chǎn)業(yè)向資本密集和技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化，煤炭的開采工藝在實現(xiàn)綜合機械化的基礎(chǔ)上，逐漸向智能化和自動化發(fā)展轉(zhuǎn)換，隨著可持續(xù)發(fā)展觀念的傳播，國內(nèi)的煤炭企業(yè)越來越關(guān)注生產(chǎn)上的技術(shù)進步和技術(shù)換代[1]。實現(xiàn)煤炭生產(chǎn)的智能化綜采能夠有效地提高煤炭生產(chǎn)的質(zhì)量，同時降低工人的勞動強度，這充分發(fā)揮先進設(shè)備的效能，總體上提升了煤炭生產(chǎn)的效率。煤礦企業(yè)因為環(huán)境、安全等要素的制約作用，迫切需要先進的智能化開采設(shè)備與配套技術(shù)等。鑒于此，對煤礦綜采工作面智能化的開采進行探究有著重大的現(xiàn)實意義。

1 煤礦智能化綜采工作面系統(tǒng)面臨的技術(shù)問題

未來，礦區(qū)的智能化煤炭綜采工作面系統(tǒng)仍需克服許多關(guān)鍵技術(shù)問題：

首先是采煤機的位置檢測和工作面的自動取直技術(shù)。在具體的煤炭開采工作中，由于智能化綜采工作面系統(tǒng)是在以往開采數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進行自動化、高效化開采。因此，在推進工作進程時，為了保證支架和刮板輸送機的受力處于最佳狀態(tài)，需要保證工作面成一條直線并與煤礦巷道處于正交，因此，工作人員需要結(jié)合地面的地理信息系統(tǒng)收集相關(guān)數(shù)據(jù)，獲取正確的采煤機位置及其運動參數(shù)，以幫助采煤機實現(xiàn)自動導(dǎo)航，并通過截割模型傳輸采煤機的割取數(shù)據(jù)到液壓支架控制系統(tǒng)以實現(xiàn)三機聯(lián)動[2]。

其二，智能化煤炭綜采工作面系統(tǒng)需要更穩(wěn)定高速、抗電磁干擾能力強的網(wǎng)絡(luò)通信傳輸平臺，建設(shè)好智能化的信息系統(tǒng)和自動化軟件平臺。煤炭綜采系統(tǒng)把以太網(wǎng)作為主要的傳輸平臺，同時利用光纖、無線 WiFi 等多種傳播形式來保證通信持續(xù)。目前某煤炭集團主要采用國家電信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，開發(fā)了基于井下小靈通技術(shù)的 K18 技術(shù)系統(tǒng)，此系統(tǒng)能夠大幅縮短對突發(fā)事件的反應(yīng)和處理時間，穩(wěn)定性強，但其仍需克服光纖安裝難度大、易折斷、修復(fù)難度大等問題，同時需要研制更高強度的、速度更快的、安全性更高的礦用光纖技術(shù)。在組建軟件平臺方面，應(yīng)當針對礦區(qū)的具體情況研制多型號、多品種、多功能的組件式軟件。

其三，礦區(qū)需要加大對數(shù)據(jù)庫技術(shù)的開發(fā)和建設(shè)。智能化綜采工作面系統(tǒng)的井上和井下的傳輸數(shù)據(jù)量龐大，包括監(jiān)測數(shù)據(jù)、圖像、語音和視頻數(shù)據(jù)等，其需要更復(fù)雜更精準的處理手段，以實現(xiàn)對工作面信息的查詢分析和應(yīng)用，但數(shù)據(jù)庫的建設(shè)分析和維護工作難度巨大。

2 煤礦綜采工作面輔助開采的智能化技術(shù)與應(yīng)用

2.1 支架防碰撞技術(shù)

在采煤機上能夠安裝一種主動安全系統(tǒng)——防碰撞系統(tǒng)，這屬于一種能夠事先將視聽報警信號發(fā)送給采煤機操作工作者的探測設(shè)備。而雷達探測防機械碰撞的主導(dǎo)功能是結(jié)合雷達探測技術(shù)對采煤機滾筒附近的阻礙物體進行感知，倘若系統(tǒng)探明采煤機工作前存在阻礙物，那么采煤機的運行會暫停以及等待相關(guān)工作者進行解決[3]。其運行理論是：基于順利運行的采煤機情況下，這個系統(tǒng)的狀態(tài)不運行，而在采煤機快要接近礦井裝置、液壓支架、操作者的情況下，這個系統(tǒng)會將警告發(fā)出。在警告發(fā)出之后，倘若操作者未曾實施一定的對策，像是加減速制動，那么這個系統(tǒng)的緊急制動設(shè)備能夠自動地運行，從而防止碰撞現(xiàn)象的發(fā)生。

2.2 視頻監(jiān)控技術(shù)

綜采工作面模擬采礦系統(tǒng)通過提高虛擬現(xiàn)實技術(shù)建構(gòu)一種三維的實際采礦環(huán)境，對運行的工藝裝置與采煤整個過程進行模擬，該系統(tǒng)能夠跟操作者進行交互，以及實時地穿越所有的空間到達系統(tǒng)模擬的全部范圍中。這種系統(tǒng)可以確定空間狀態(tài)、管理物體運行、識別物體、輸入以及處理一系列的信息、模擬自然現(xiàn)象、識別物體等等，其顯著的特征是建構(gòu)一種非常接近實際采掘現(xiàn)狀的三維化環(huán)境，結(jié)合計算機對采礦的現(xiàn)狀進行呈現(xiàn)，從而得到裝置工作的一系列參數(shù)、各種裝置的動態(tài)呈現(xiàn)圖、生產(chǎn)系統(tǒng)的工作現(xiàn)狀平面圖等，這涵蓋工作裝置間距、產(chǎn)能、時間等，在動態(tài)模擬各種采掘參數(shù)、各種型號裝置生產(chǎn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)評價以及優(yōu)化生產(chǎn)系統(tǒng)的目標[4]。

綜采工作面進行煤炭開采時存在較多的粉塵，存在著視頻圖像晃動問題，無法清晰地識別出遠程視頻，需要深入探索煤炭綜采工作面圖像輪廓和掘進機械運行速度、運行電流和端部溫度等參數(shù)相互間的關(guān)系。對熱成像技術(shù)在煤炭綜采工作面高清成像應(yīng)用方面加大研發(fā)力度，為視頻監(jiān)控智能化的研發(fā)方向，在高粉塵條件下有著很好的熱成像效果。

2.3 實時控制協(xié)議技術(shù)

為了使綜采工作面的遠程遙控實現(xiàn)，盡量確保較小的傳輸視頻延時，結(jié)合支架與采煤機的控制標準，視頻端至端延時應(yīng)保持在 50ms以內(nèi)，這對綜采工作面的攝像、傳輸、解碼圖像、儲存的要求比較高。因為受到長距離工作面的影響，采煤機附近、刮板運輸機鏈條、膠帶運輸機出煤口、工作面支架等需要采集與呈現(xiàn)視頻，兼顧到攝像儀的容量，立足于以太網(wǎng)的數(shù)字化視頻系統(tǒng)可以結(jié)合雙絞線進行傳輸，這樣不再進行布線，然而數(shù)字視頻系統(tǒng)中的信號呈現(xiàn)在顯示器之前需要傳輸、編碼、解碼、數(shù)字化等操作，這導(dǎo)致時間延遲在 300ms 以上，還應(yīng)優(yōu)化采集、傳輸、呈現(xiàn)的一系列方面。

3 煤礦智能化綜采工作面開采的保障措施

3.1 實施支護工藝革新，創(chuàng)造安全高效環(huán)境

推動支護工藝技術(shù)不斷革新完善，使用注漿錨索加固采煤工作面超前段巷道，有效替代傳統(tǒng)支架、支柱支護，形成“注漿錨索式超前支護技術(shù)”，不僅保障了超前支護安全，而且大大減輕了職工勞動強度，實現(xiàn)減人提效。

3.2 實施倉儲擴容工程，提高生產(chǎn)緩沖能力

通過對井下倉儲系統(tǒng)再摸排、再分析，以生產(chǎn)緩沖能力滿足周日集休為原則，使各礦井下倉儲能力超過全天的生產(chǎn)能力，井上下儲煤量能夠滿足至少 3 天的銷售量，為工作面集中生產(chǎn)、效能發(fā)揮和“減班不減產(chǎn)、停產(chǎn)不停運、集休不停銷”創(chuàng)造了條件，為進一步推進智能化礦井高效生產(chǎn)奠定了系統(tǒng)基礎(chǔ)。

3.3 實施乳化液集中供液，保證液壓系統(tǒng)清潔度

因井下水質(zhì)差，人工配比出來的乳化液精度低，影響液壓設(shè)備性能，通過在地面建設(shè)乳化液集中供液站，通過遠程輸液管道將配比好的乳化液輸送到井下，并經(jīng)過高精度多級過濾設(shè)備將乳化液輸送到工作面，保證了液壓系統(tǒng)的清潔度。

結(jié)語

智能化開采技術(shù)是一項綜合性技術(shù)，不僅包括煤礦本身的技術(shù)外，還涵蓋了外學(xué)科和跨專業(yè)方面的知識，是一項綜合性前沿技術(shù)，將是我國未來煤炭行業(yè)重點發(fā)展方向，也是一項推動煤礦綜采技術(shù)的發(fā)展、轉(zhuǎn)型升級的一項重要舉措，隨著人們對安全性認識的提高，也是解決煤礦面臨安全、效率和人員成本的一項重要途徑。

參考文獻：

[1]光辛亥.綜采工作面綜合防災(zāi)滅火技術(shù)的實踐應(yīng)用[J].能源與節(jié)能，2020（03）：163-164.

[2]郝立賓，楊永康.大采高綜采工作面高水材料沿空留巷試驗[J].山西煤炭，2020，40（01）：30-32.

[3]張飛.煤礦智能化綜采工作面系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用探討[J].中國設(shè)備工程，2020（05）：28-30.

[4]趙利鋒.綜采面刮板輸送機自動化控制技術(shù)研究[J].石化技術(shù)，2019，26（11）：99-100.

作者簡介：

陳春林，男，貴州六枝，1984年01月，六枝特區(qū)應(yīng)急管理局，機械設(shè)計制造及其自動化（機電）。