無人工作面的采煤機(jī)智能控制技術(shù)

賀新星

[摘? ? 要]無人采煤工作面系統(tǒng)是煤炭綜采成套裝備的重要組成部分，由于煤礦綜采工作面在煤礦生產(chǎn)過程中涉及的設(shè)備較多，而且工作環(huán)境惡劣，是一種工作復(fù)雜的操作系統(tǒng)。無人工作面的采煤機(jī)作業(yè)，利用先進(jìn)技術(shù)全程智能化操控，提升采煤安全率的同時，節(jié)約了勞動成本，是一種先進(jìn)高效的回采技術(shù)。在采煤過程中礦井通信十分重要，礦井下的各類指標(biāo)數(shù)據(jù)、實際情況等都要進(jìn)行井上井下的雙向輸出。文章針對無人工作面的采煤機(jī)智能控制的關(guān)鍵技術(shù)展開討論，具體分析采煤機(jī)智能控制技術(shù)在無人工作面的相關(guān)應(yīng)用，以供參考。

[關(guān)鍵詞]無人工作面;智能采煤;關(guān)鍵技術(shù)

[中圖分類號]TD632.1 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）07–00–02

Research on Intelligent Control Technology of Shearer in Unmanned Face

He Xin-xing

[Abstract]Coal is a non-renewable resource， and coal reserves are drastically reduced. For some areas with thin coal seams or coal areas where manual mining is difficult， it is necessary to use coal mining machines with unmanned working faces. The unmanned coal mining face system is an important part of the complete set of coal mining equipment. Because the coal mining face involves more equipment in the coal production process and the working environment is harsh， it is a complex operating system. Therefore， the intelligent control system for fully mechanized coal mining face has always been a hot topic that people have studied vigorously. The operation of the coal shearer on the unmanned working face uses advanced technology to intelligently control the whole process， which improves the safety rate of coal mining while saving labor costs. It is an advanced and efficient mining technology. Mine communication is very important in the process of coal mining. All kinds of index data and actual conditions in the mine must be output in both directions. The article mainly discusses the key technology of the intelligent control of the shearer in the unmanned face， and specifically analyzes the relevant application of the intelligent control technology of the shearer in the unmanned face for reference.

[Keywords]unmanned working face; intelligent coal mining; key technology

1 無人工作面實時控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

1.1 采煤機(jī)自動定位技術(shù)

一般來說，采煤機(jī)是一種高集成度的、井下綜采無人工作面割煤、裝煤的主導(dǎo)設(shè)備。采煤機(jī)主要沿著刮板輸送機(jī)軌道往復(fù)式割煤，液壓支架配合相關(guān)的支護(hù)工作。為了實現(xiàn)綜采工作面遠(yuǎn)程自動控制，必須精準(zhǔn)定位采煤機(jī)的動態(tài)位置。因此，采煤機(jī)自動定位技術(shù)是實現(xiàn)煤礦生產(chǎn)設(shè)備自動化的關(guān)鍵技術(shù)。由于煤礦綜采工作面的工況極為復(fù)雜且空間封閉，所以，采煤機(jī)定位定姿方法也有很多。其中紅外定位法是由采煤機(jī)上的紅外發(fā)射裝置發(fā)出信號，再由液壓支架上的接收裝置接收相關(guān)的信號，但紅外信號極易受粉塵影響，存在一定的定位盲區(qū)，因此有一定的使用局限^[1]。

1.2 井上井下雙向通信技術(shù)

在煤礦生產(chǎn)中，需要一些控制井下采煤機(jī)采集信息的相關(guān)設(shè)備，通過相關(guān)的控制設(shè)備發(fā)送指令信息到井下采煤機(jī)。在通信過程中，根據(jù)不同的技術(shù)、環(huán)境所需的不同介質(zhì)，部署相關(guān)的通信網(wǎng)絡(luò)。由于各個煤礦的環(huán)境不同，井上井下的距離也存在一定的差異，所需要的電纜、中繼器等基礎(chǔ)設(shè)施的成本非常高。常見的井上井下技術(shù)有：CAN總線、光纖以太網(wǎng)等，其中音頻調(diào)制解調(diào)技術(shù)是利用雙絞線傳輸，達(dá)到撥號上網(wǎng)的目的。由于該方案在通信過程中只傳輸音頻信號，所以在采集井下數(shù)據(jù)時，該線路始終處于占線狀態(tài)，若在該線路上掛接電話機(jī)時，該電話機(jī)無法正常通話，因此采取這類技術(shù)都應(yīng)單獨鋪設(shè)一條專用的雙絞線通信電纜，這無疑是在增加成本。無人工作面的采煤機(jī)智能控制技術(shù)提供了一種礦用井上井下無需鋪設(shè)專用線路的通信方法。

該方法主要是將采煤機(jī)上行信號的波特率調(diào)節(jié)到滿足實際遠(yuǎn)距離傳輸所需要的波特率范圍，并將調(diào)節(jié)后的上行煤機(jī)信號調(diào)制為相關(guān)的高頻模擬信號，然后將該高頻模擬信號通過相關(guān)的線纜傳送到井上;進(jìn)一步解調(diào)收到的高頻模擬信號，進(jìn)而將得到的上行煤機(jī)信號發(fā)送到相關(guān)的控制設(shè)備;對應(yīng)的下行煤機(jī)信號也可以由控制設(shè)備發(fā)送高頻模擬信號，通過電話線傳到井下，經(jīng)過調(diào)解得到下行煤機(jī)信號，使得到的下行煤機(jī)信號波特率調(diào)節(jié)到所需范圍之內(nèi)，然后再傳送到特定煤機(jī)。這樣就可以利用煤礦現(xiàn)有的電話網(wǎng)絡(luò)達(dá)到井上井下通信效果，不用再另設(shè)通信線路，有利于節(jié)省系統(tǒng)成本，如圖1所示。

1.3 無人工作面數(shù)據(jù)庫技術(shù)

信息時代，數(shù)據(jù)庫在各個領(lǐng)域都起著至關(guān)重要的作用，很多工作都圍繞海量有效數(shù)據(jù)信息才能得到進(jìn)一步開展。因此創(chuàng)建無人工作面相關(guān)的數(shù)據(jù)庫十分必要。因為它可以直觀地反應(yīng)當(dāng)前的生產(chǎn)情況，而且還能為可視化技術(shù)提供有力數(shù)據(jù)支持，使工作面的信息查詢、分析等方面工作更加便捷。此外，無人工作面數(shù)據(jù)庫技術(shù)涉及了龐大的數(shù)據(jù)信息，通過這些數(shù)據(jù)能生成更多有用的信息資源，能有效攻克3D動態(tài)維護(hù)以及相關(guān)的拓?fù)涿枋龅蓉酱鉀Q的問題。

1.4 工作面視頻監(jiān)控技術(shù)

無人工作面的可視化無線監(jiān)控系統(tǒng)主要針對工作面粉塵較大、照明差以及設(shè)備動作復(fù)雜等特點，提供最佳解決方案。根據(jù)視頻監(jiān)控系統(tǒng)傳送的相關(guān)圖像，相關(guān)工作人員可以根據(jù)煤層變化情況、支架狀態(tài)等信息，遠(yuǎn)程操控采煤機(jī)，能有效避免煤層變化時采煤機(jī)切割到巖石或發(fā)生故障等情況。工作面視頻圖像監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)⒁曨l數(shù)據(jù)有效傳到相關(guān)的集控平臺，使圖像自動同步采煤機(jī)移動，確保采煤機(jī)運行方位所對應(yīng)視頻圖像可以隨機(jī)切換，實現(xiàn)對采煤機(jī)運行狀態(tài)全程監(jiān)控，為工作面設(shè)備的安全運行提供保障。

1.5 液壓支架自動跟機(jī)技術(shù)

該技術(shù)是將采煤機(jī)的自動記憶截割技術(shù)與自動追機(jī)拉架以及實時視頻跟蹤當(dāng)作一個整體的控制方法。智能綜采工作面集控平臺能根據(jù)不同的采煤工藝，設(shè)置不同的工作模式，有效實現(xiàn)支架、采煤機(jī)等相關(guān)設(shè)備協(xié)調(diào)控制。根據(jù)定位與相關(guān)的導(dǎo)航技術(shù)對采煤機(jī)進(jìn)行有效控制，而且支架電液控制技術(shù)以及采煤機(jī)自動截割技術(shù)都有獨立的控制系統(tǒng)?？梢酝ㄟ^相關(guān)的程序軟件實現(xiàn)綜采設(shè)備整體與全部工作流程的自動控制。也可以采用視頻跟蹤技術(shù)，遠(yuǎn)程自動控制可視化工作面的相關(guān)設(shè)備^[2]。

通過采煤機(jī)智能化的協(xié)調(diào)控制，確保設(shè)備之間能夠均衡作業(yè)，可以調(diào)節(jié)采煤機(jī)的運行速度以及截割高度，使工作面整體系統(tǒng)工作達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。在工作面運輸系統(tǒng)與采煤機(jī)等設(shè)備的負(fù)荷能夠自動調(diào)節(jié)，當(dāng)刮板輸送機(jī)超載時，采煤機(jī)能夠根據(jù)運輸系統(tǒng)的負(fù)荷情況，自動調(diào)整采煤機(jī)的牽引速度，使采煤機(jī)的生產(chǎn)能力可控。

1.6 遠(yuǎn)程控制技術(shù)

綜采無人工作面的地質(zhì)條件十分惡劣，而且采煤機(jī)在不同位置，對應(yīng)的采高位置也在發(fā)生變化。頂板巖層變化，牽引速度也會因為負(fù)荷而改變，所以在進(jìn)行遠(yuǎn)程操作時，采煤機(jī)應(yīng)根據(jù)初始記憶數(shù)據(jù)進(jìn)行割煤，而工作面情況與相關(guān)的記憶數(shù)據(jù)不一致時，則應(yīng)手動調(diào)整。這時，視頻圖像必須足夠清晰，畢竟綜采工作面工況特別復(fù)雜，傳感器檢測不到的地方，可采用攝像機(jī)觀察工作面的具體情況。攝像機(jī)配合傳感器，是操作員實現(xiàn)遠(yuǎn)程操作的重要依據(jù)，因此，可視化與記憶截割有機(jī)結(jié)合，能夠真正實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。煤塵會影響視頻圖像的清晰度，所以應(yīng)采用氣體防塵的前端攝像機(jī)，利用無線傳輸技術(shù)，配合相關(guān)軟件實現(xiàn)采煤機(jī)可視化的遠(yuǎn)程操控^[3]。

2 采煤機(jī)智能控制技術(shù)在無人工作面的應(yīng)用

2.1 采煤機(jī)的位置檢測

無人工作面采煤機(jī)的位置主要是通過光柵位移檢測系統(tǒng)實現(xiàn)的。光電元件將主光柵與指標(biāo)光柵形成的相關(guān)信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，然后利用傳感器處理獲取的信息精準(zhǔn)檢測采煤機(jī)的位置，該類光柵位移檢測系統(tǒng)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信主要采用抗干擾能力強(qiáng)的CAN總線技術(shù)，從而達(dá)到無人工作面采煤機(jī)的控制效果。

2.2 記憶割煤自動調(diào)高

采煤機(jī)司機(jī)先手動操作采煤機(jī)沿煤層割一刀，再由主控器記錄第一次割煤信息（如采煤機(jī)位置、牽引方向以及采煤機(jī)橫向縱向傾角等），這些信息存入計算機(jī)之后，后續(xù)采煤過程中，采煤機(jī)的截割行程就可以根據(jù)存儲的相關(guān)信息對采煤機(jī)自動調(diào)高，若遇到斷層時，可以通過監(jiān)控室的視頻監(jiān)測，做好相應(yīng)的調(diào)整，與此同時計算機(jī)會自動保存相關(guān)的調(diào)整參數(shù)，成為下一刀調(diào)高的有效依據(jù)^[4]。

2.3 實時監(jiān)控采煤機(jī)運行狀態(tài)

為了確保采煤機(jī)的可靠性以及生產(chǎn)質(zhì)量，必須實時監(jiān)控采煤機(jī)的運行狀態(tài)，以便于及時診斷故障。監(jiān)控過程中應(yīng)根據(jù)工作面的具體情況實時調(diào)整采煤機(jī)，使其處于最佳運行狀態(tài)。有利于提高其開機(jī)率，一定程度上減化了井下工作人員的工作量。采煤機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)具有一定的可操作性，能充分檢測采煤機(jī)的實時動態(tài)，打破了傳統(tǒng)模式的局限性。該方法不僅能檢測瓦斯?jié)舛?、工作面位置等參?shù)，還能檢測截割部位與牽引部分的電機(jī)電流等相關(guān)的內(nèi)部參數(shù)，而且檢測結(jié)果十分精準(zhǔn)^[5]。

3 無人工作面的采煤機(jī)智能控制技術(shù)相關(guān)建議

根據(jù)采煤工藝，設(shè)置相關(guān)的控制流程，使相關(guān)設(shè)備能夠按照既定的流程運行;采集刮板機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)等設(shè)備的溫度信號及相關(guān)的流水量、壓力值等，設(shè)定相關(guān)的溫度預(yù)警值，當(dāng)溫度超過停機(jī)參數(shù)時，能夠及時停止設(shè)備;設(shè)定拉架移動范圍，采集支架的推移油缸行程，根據(jù)該行程判定支架是否存在拉架滯后等情況，使采煤機(jī)位置與支架保持在設(shè)定范圍。通過采集電液控制系統(tǒng)支架頂板的傾角，調(diào)節(jié)頂板支護(hù)，避免支“翹架”情況，出現(xiàn)異常應(yīng)及時報警^[6]。

建立有線/無線通信網(wǎng)絡(luò)，通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)，可視化監(jiān)視傳感器無法檢測的設(shè)備狀態(tài)，確保整個工作面可視化管理。利用采集的相關(guān)設(shè)備數(shù)據(jù)，進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，通過采集煤機(jī)電流或速度，調(diào)節(jié)不同位置的牽引速度控制采煤量;定位支架間的工作人員，實時為監(jiān)控操作人員提供遠(yuǎn)程操控信息，避免發(fā)生安全隱患。

4 結(jié)束語

煤礦開采作業(yè)具有一定的特殊性，對于無人工作面的采煤機(jī)智能控制來說，涉及面較廣，而且相關(guān)的開采程序十分復(fù)雜，為了提高生產(chǎn)效率，必須從多個角度分析，了解各個關(guān)鍵技術(shù)的開采效果。成功應(yīng)用采煤機(jī)智能控制技術(shù)，有利于提高綜采設(shè)備自動化控制水平，真正實現(xiàn)高效無人化開采。無人工作面的采煤機(jī)智能控制技術(shù)，雖然對安全生產(chǎn)、減輕工作量等方面有著非凡的意義，但該技術(shù)對煤層地質(zhì)條件有較高的要求，需要進(jìn)一步研究更多的新技術(shù)，以便于提升工作面設(shè)備的智能化控制水平。

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