綜采工作面智能化開采關(guān)鍵技術(shù)研究

成文福 孫志平

（國家能源集團(tuán)國源電力有限公司，北京 100033）

煤炭作為我國當(dāng)前階段市場經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中最為基礎(chǔ)的能源之一，在我國能源資源消費總量中所占比例高達(dá)94%，為我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供了堅實的能源保證。根據(jù)開采方式的不同，目前國內(nèi)煤炭開采方式一般可以分為露天開采和井工開采2種。井工開采模式在我國的應(yīng)用最為普遍，所占比例＞90%。作為井工開采過程中至關(guān)重要的生產(chǎn)空間，采掘工作面對于煤炭開采的整體效率具有決定性的影響。通常情況下，采掘工作面包括掘進(jìn)工作面和回采工作面2種。兩者的比例一般為3∶1左右。現(xiàn)階段，回采工作面的機(jī)械化程度普遍較高，通常在90%以上[1]。事實上，隨著當(dāng)前階段綜采工作面智能化技術(shù)、自動化技術(shù)以及信息化技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，綜采工作面的整體生產(chǎn)效率得到了極大的提升，但是在客觀上加劇了礦井采掘銜接矛盾，給井下生產(chǎn)作業(yè)的安全性帶來了較大的負(fù)面影響。除此之外，煤礦災(zāi)害事故多集中于采掘工作面。從相關(guān)部門提供的統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，掘進(jìn)事故在近年來我國煤礦安全事故中所占比例高達(dá)40%以上，是目前國內(nèi)煤礦重大事故的多發(fā)點。在當(dāng)前的市場經(jīng)濟(jì)環(huán)境下，我國井下作業(yè)煤炭綜掘工作面的工作人員，仍然面臨著高濕度、高粉塵以及高噪聲的操作環(huán)境，同時存在瓦斯爆炸、地壓沖擊以及底板突水在內(nèi)的多種高風(fēng)險因素。從該角度來說，采掘工作面不僅是當(dāng)前階段煤炭開采過程中工作環(huán)境最為惡劣、安全性最低的工作場所，而且是自動化水平最低的作業(yè)環(huán)境。因此，對采掘工作面自動化技術(shù)進(jìn)行研究，具有重要的現(xiàn)實意義和理論價值。

1 智能化開采技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀分析

與國外發(fā)達(dá)國家相比，我國煤礦綜采工作面智能化開采技術(shù)相對落后。但是，經(jīng)過多年的發(fā)展，國內(nèi)煤礦綜采工作面智能化開采技術(shù)已經(jīng)逐漸被應(yīng)用到煤礦生產(chǎn)工作中[2]。借助煤礦綜采工作面智能化開采技術(shù)，煤礦企業(yè)的日產(chǎn)量大幅提升，開采效率提高，同時智能化監(jiān)測方式的使用也進(jìn)一步延長了煤礦的開采時間[2]。隨著我國煤礦開采技術(shù)的發(fā)展，煤礦自動化開采效率與可靠性大幅提升，煤礦開采技術(shù)逐漸向智能化方向發(fā)展，煤礦開采設(shè)備利用率大大提高，傷亡事故率大幅降低[3]。當(dāng)前國內(nèi)煤礦綜采工作面智能化技術(shù)主要包括遠(yuǎn)程管控采煤技術(shù)和智能無人采煤技術(shù)。

煤礦綜采工作面工作環(huán)境通常比較復(fù)雜，工作空間較小，周圍環(huán)境的溫度和濕度較高，同時還有大量的煤塵。技術(shù)人員在操作時如果遇到瓦斯爆炸、透水等事故時就會產(chǎn)生傷亡事故。煤礦綜采工作面設(shè)備系統(tǒng)復(fù)雜，依靠人工操作不可避免地會出現(xiàn)一些操作不當(dāng)?shù)那闆r，使設(shè)備安全性得不到保證。因為不同設(shè)備的運行狀態(tài)是獨立的，相互之間不能有效融合，也不能集中控制和處理，所以加強(qiáng)時煤礦綜采工作面智能化開采技術(shù)的研究具有非常重要的意義。

當(dāng)前國內(nèi)煤礦綜采工作面智能化開采技術(shù)中存在以下3個方面的問題：1） 綜采自動化與智能化設(shè)備的可靠性較低，尤其是一些高精度儀器的關(guān)鍵元器件、部位可靠性仍存在差距。2） 綜采過程中精準(zhǔn)定位、煤巖界面區(qū)分、三維地質(zhì)模型模擬等發(fā)展還存在很大的不足。3） 煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)的布局與優(yōu)化、自動化開采配套設(shè)施上線使用和綜采智能化技術(shù)發(fā)展之間還存在差距，甚至在一定程度上制約了綜采智能化技術(shù)的應(yīng)用。

2 綜采工作面智能化開采技術(shù)體系設(shè)計

2.1 綜采工作面智能化開采工序

煤礦綜采工作面智能化開采體系以煤炭為輸入對象，以煤炭、支護(hù)巷道為輸出對象，以傳感器、控制器和視頻等為基礎(chǔ)，通過電液控制模式實現(xiàn)智能化開采[3]。因為煤礦綜采工作面的信號較多，并且有些信號之間存在一定的交叉，所以信號繁雜。綜采工作面智能化開采包括探測工序、生產(chǎn)作業(yè)工序和視頻工序。其中，探測主要對巖層、地質(zhì)和瓦斯含量等進(jìn)行測量；生產(chǎn)作業(yè)分為煤炭切割、巷道支護(hù)以及輸送等；視頻包括瓦斯檢測和供電排水等。

2.2 綜采工作面智能化開采控制系統(tǒng)

煤礦綜采工作面智能化開采控制系統(tǒng)主要包括視頻監(jiān)控系統(tǒng)、圍巖探測系統(tǒng)與生產(chǎn)控制系統(tǒng)塊3個子系統(tǒng)，具體如圖1所示。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)借助虛擬現(xiàn)實基礎(chǔ)建立三維采礦環(huán)境，實現(xiàn)對采礦工作的模擬。通過視頻監(jiān)控技術(shù)可以實現(xiàn)與操作人員的互動，了解不同模擬空間的運行情況。視頻監(jiān)控可以對空間的狀態(tài)、物體運行情況以及周圍事物進(jìn)行了解，實現(xiàn)相關(guān)運行設(shè)備的動態(tài)化圖像監(jiān)控。

圖1 采掘工作面智能化開采控制系統(tǒng)圖

生產(chǎn)控制系統(tǒng)以采煤技術(shù)需求為基礎(chǔ)，可以設(shè)計多種運行方式，實現(xiàn)對聯(lián)動管控刮板運輸機(jī)與支架的協(xié)調(diào)。通過先進(jìn)的傳感技術(shù)實現(xiàn)采煤機(jī)支架運行狀態(tài)信息采集工作，對采煤機(jī)具體位置和運動軌跡進(jìn)行預(yù)測，使閉鎖采煤機(jī)和其他設(shè)備可以有效聯(lián)動。通過應(yīng)用智能采煤機(jī)設(shè)備可以對煤炭分界進(jìn)行自動探測，以采煤技術(shù)為基礎(chǔ)形成系統(tǒng)化的煤炭開采體系。監(jiān)控中心的采煤機(jī)遠(yuǎn)程操控平臺可以對采煤機(jī)的位置進(jìn)行監(jiān)測，并且對采煤機(jī)的運行情況進(jìn)行了解。然后，煤礦機(jī)器人與智能化裝置可以替代原有的人工運輸方式，促進(jìn)運輸系統(tǒng)的智能化。煤炭、材料與補給的智能化控制會受到綜采工作面的空間、搬運等的影響。

圍巖探測系統(tǒng)主要對采煤機(jī)周邊的圍巖情況進(jìn)行自動探測。隨著智能化控制技術(shù)的發(fā)展，新型煤炭開采設(shè)備逐漸被應(yīng)用到生產(chǎn)中，煤炭產(chǎn)量大幅提升，由于瓦斯隨之大量涌出，因此對回采巷道斷面提出了更高的要求。大斷面巷道與普通斷面巷道破壞規(guī)律相同，在巷道開挖后需要采取有效的支護(hù)措施，避免巷道破壞區(qū)與塑性區(qū)變大。破壞區(qū)和塑性區(qū)的擴(kuò)散也需要時間，如果能及時對煤炭巷道采取高預(yù)緊力錨桿支護(hù)措施，就可以提升煤炭的峰值和強(qiáng)度，保證巷道穩(wěn)定。所以，采用高預(yù)緊力錨桿支護(hù)是圍巖變形控制的關(guān)鍵。在進(jìn)行綜采面智能化開采時需要對巷道變形進(jìn)行探測與智能控制，對大斷面巷道圍巖穩(wěn)定機(jī)理與變形進(jìn)行分析，實現(xiàn)對圍巖變形的及時預(yù)測，達(dá)到智能化控制煤炭開采的目的。

2.3 綜采工作面智能化的實現(xiàn)

2.3.1 全自動控制啟停技術(shù)

以一鍵啟停為核心的全自動啟停技術(shù)，在實際應(yīng)用過程中能夠有效控制掘進(jìn)面的相關(guān)功能，例如泵站啟停、刮板輸送機(jī)啟停等。通過對工作面綜采設(shè)備的整體運行工況的實時監(jiān)控，相關(guān)操作人員在發(fā)現(xiàn)問題后可以快速切換到手動操作模式，對設(shè)備的運行模式加以干預(yù)和控制。

2.3.2 自動化高效協(xié)同技術(shù)

在實際的應(yīng)用過程中，行走編碼器和行程傳感器的有效配合，為采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)的正常運行提供了基礎(chǔ)性的支持，是記憶割煤、遠(yuǎn)程干預(yù)等功能順利實現(xiàn)的基礎(chǔ)。根據(jù)存儲系統(tǒng)中的記憶曲線，結(jié)合調(diào)高系統(tǒng)的反饋信息，調(diào)整滾筒的位置參數(shù)，然后借助編碼器的記憶運算能力，對采煤機(jī)的整體運行距離進(jìn)行計算，最終完成煤炭的自動切割、開采。按照工作視頻以及主機(jī)系統(tǒng)所提供的信息，操作人員可對其進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。同時，增加了多個傳感器，例如護(hù)幫板傳感器、傾角傳感器和測高傳感器等。其中，護(hù)幫板傳感器主要用于判斷護(hù)幫收起的位置是否符合要求，避免液壓支架影響煤炭采割。在單個支架移動時間為15 s 的情況下，可支持采煤機(jī)以0.1 m/s的速度前進(jìn)。采煤機(jī)按照記憶曲線的“象限”分割，精確整合支架全工作面和采煤機(jī)階段點，為煤炭開采自動化水平的有效提升提供了極大的支持。

2.3.3 三控融合技術(shù)

在實際操作中，需要串聯(lián)控制系統(tǒng)、CST控制系統(tǒng)以及自動化控制系統(tǒng)。在實際的應(yīng)用過程中，CST自行控制CST離合器流量、輸出比例、輸出溫度、比例閥輸出以及輸出壓力等相關(guān)參數(shù)，并且在出現(xiàn)故障信號后可自行停車。監(jiān)控系統(tǒng)在這里主要負(fù)責(zé)皮帶的帶速、張力以及煙霧等相關(guān)保護(hù)參數(shù)的控制。綜采SAM系統(tǒng)將多種信號進(jìn)行有機(jī)融合后，實現(xiàn)對操縱指令的收發(fā)。從整體上來說，系統(tǒng)負(fù)責(zé)開停機(jī)信號、執(zhí)行語音；自動化控制系統(tǒng)提供指令；CST根據(jù)命令按照“三控”邏輯方式運行，從而提供一鍵啟停功能。

3 綜采工作面智能化管理體系構(gòu)建

3.1 頂?shù)装迳a(chǎn)工藝體系構(gòu)建

3.1.1 數(shù)據(jù)處理

采區(qū)煤層數(shù)據(jù)中增加生產(chǎn)實測數(shù)據(jù)，提高頂?shù)装鍞?shù)據(jù)的精準(zhǔn)性，同時通過一定的算法對采區(qū)煤層進(jìn)行剖切，獲得頂?shù)装迤拭鏀?shù)據(jù)。

3.1.2 頂?shù)装迥Ｐ铜h(huán)境建立

結(jié)合綜采面邊界數(shù)據(jù)，建立綜采面頂?shù)装迥Ｐ铜h(huán)境，達(dá)到不同條件下頂?shù)装鍞?shù)據(jù)轉(zhuǎn)化的效果，為頂?shù)装迥Ｐ铜h(huán)境建立提供基礎(chǔ)。在一定條件下，通過計算機(jī)算法將頂?shù)装鍞?shù)據(jù)以工作面推進(jìn)的順序進(jìn)行排列，產(chǎn)生相應(yīng)數(shù)據(jù)鏈，促進(jìn)頂?shù)装迥Ｐ偷慕?，方便后期?shù)據(jù)獲取。

3.1.3 頂?shù)装迳a(chǎn)工藝模型構(gòu)建

在對頂?shù)装鍞?shù)據(jù)進(jìn)行處理之后，采用科學(xué)的模型構(gòu)建方

法直接決定了綜采面生產(chǎn)工藝模型的成敗。在使用AutoCAD進(jìn)行分析后，可以看出頂?shù)装迥Ｐ头譃橹本€、多段線和曲線等。該文所采用的頂?shù)装迳a(chǎn)工藝模型構(gòu)建方法具體為，通過數(shù)據(jù)構(gòu)建多段線，把多段線擬合成圓弧樣條曲線，在該基礎(chǔ)上建立煤層底板剖面模型。

3.2 采煤機(jī)生產(chǎn)工藝體系構(gòu)建

采煤機(jī)生產(chǎn)工藝也是綜采面生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

3.2.1 數(shù)據(jù)來源和處理

采煤機(jī)生產(chǎn)工藝模型中的數(shù)據(jù)包括2個部分，即一刀煤頂?shù)装迤拭婺Ｐ蛿?shù)據(jù)（主要指一刀割煤頂部的實際截割線和割煤底部實際截割線數(shù)據(jù)）和采煤機(jī)模型參數(shù)，這2類數(shù)據(jù)對采煤機(jī)是否可以正常運行有直接影響。按照數(shù)據(jù)的來源把采煤機(jī)生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)劃分為2類，把不同數(shù)據(jù)按組進(jìn)行編號，得到采煤機(jī)生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)鏈，為后期數(shù)據(jù)的獲取提供方便。

3.2.2 采煤機(jī)生產(chǎn)過程環(huán)境構(gòu)建

采煤機(jī)進(jìn)道完成以后，開始進(jìn)行正常割煤時，采煤機(jī)應(yīng)在1個平面內(nèi)進(jìn)行作業(yè)。建立采煤機(jī)生產(chǎn)過程環(huán)境，為采煤機(jī)模型構(gòu)建提供方便。在過程環(huán)境構(gòu)建時，以采煤機(jī)推進(jìn)方向作為X軸正方向，頂板方向作為Y軸正方向，建立采煤機(jī)生產(chǎn)過程環(huán)境。

3.2.3 模型構(gòu)建

頂?shù)装迥Ｐ屯ㄟ^單位圓弧來建立，采煤機(jī)三維模型包括前后滾筒、搖臂和截齒等部分。在對采煤機(jī)割煤工藝進(jìn)行分析后，按照單位圓弧半徑大小建立相應(yīng)的采煤機(jī)滾筒模型。如果采煤機(jī)滾筒半徑小于單位圓弧半徑，那么可以通過單位直線模型來代替單位圓弧模型，如圖2所示。

采煤機(jī)滾筒割底煤模型和割頂煤模型類似，也包括上述幾個部分，可以將滾筒模型設(shè)置在底板模型上。以一刀煤頂?shù)装迤拭婺Ｐ蜑榛A(chǔ)進(jìn)行采煤機(jī)滾筒割煤模型誤差分析。在該文的研究模型中，誤差來源包括2種，1種是用直線模型代替圓弧模型產(chǎn)生的誤差，還有1種是頂?shù)装鍐挝粓A弧用單位直線模型進(jìn)行替代時所產(chǎn)生的誤差。

圖2 滾筒割煤模型

3.3 液壓支架生產(chǎn)工藝體系構(gòu)建

3.3.1 液壓支架生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)來源

該生產(chǎn)模型數(shù)據(jù)來源包括液壓支架三維模型數(shù)據(jù)、頂?shù)装迥Ｐ蛿?shù)據(jù)和刮板輸送機(jī)單元模型數(shù)據(jù)。

根據(jù)液壓支架移動原理，按照液壓支架生產(chǎn)工藝過程確定液壓支架升架和降架為同一模型，具體幾何關(guān)系如圖3所示。

3.3.2 液壓支架生產(chǎn)工藝體系模型構(gòu)建

液壓支架生產(chǎn)主要分為降架、移架、升架和支架微調(diào)等。以液壓支架生產(chǎn)工藝為基礎(chǔ)，通過支架移動原理分析把支架升架和降架構(gòu)造為同一模型。

采煤機(jī)割煤作業(yè)開始以后，要做好支護(hù)，調(diào)整液壓支架位置，確保工作面支護(hù)有效。

圖3 液壓支架升降模型

3.4 刮板機(jī)生產(chǎn)工藝體系構(gòu)建

3.4.1 刮板機(jī)生產(chǎn)工藝體系構(gòu)建數(shù)據(jù)來源

因為刮板輸送機(jī)和液壓支架互為支點，所以刮板輸送機(jī)的數(shù)據(jù)來源包括液壓支架推溜數(shù)據(jù)與自身輸送數(shù)據(jù)2個部分。

3.4.2 刮板機(jī)生產(chǎn)工藝體系模型構(gòu)建

刮板機(jī)液壓支架推溜工作主要通過液壓支架和刮板輸送機(jī)共同作業(yè)完成，推移步距和采煤機(jī)的截深相等。

4 結(jié)語

智能化技術(shù)是我國煤炭生產(chǎn)無人化趨勢的必然要求。隨著煤炭自動化開采水平的不斷提升，現(xiàn)階段對采掘工作面智能化控制系統(tǒng)的性能提出了更高的要求。巷道監(jiān)控中心引入網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸視頻信號，極大地提高了實時監(jiān)控的效率；而采掘裝備自動化水平的全面提升，也提高了采掘效率，降低了人工成本，進(jìn)一步推動了煤炭開采技術(shù)的安全、智能化發(fā)展。煤礦推進(jìn)智能化開采是保證安全生產(chǎn)，降低作業(yè)人員勞動輕度，提升煤炭產(chǎn)業(yè)工人幸福指數(shù)的重大變革和歷史性轉(zhuǎn)變，是國家的要求，也是企業(yè)的需求，更是廣大煤炭產(chǎn)業(yè)工人的需求，一定要大力推動5G、智能裝備和精密監(jiān)測監(jiān)控等設(shè)施的升級，早日全面實現(xiàn)智能化開采。