智能化采煤裝備的關(guān)鍵技術(shù)

劉富貴

（鄂爾多斯市東勝區(qū)能源管理綜合行政執(zhí)法大隊，內(nèi)蒙古自治區(qū) 鄂爾多斯 017000）

一、綜采自動化采煤技術(shù)概述

綜采自動開采技術(shù)是應(yīng)用于煤礦工作面生產(chǎn)的一項技術(shù)，在實際應(yīng)用過程中機械設(shè)備可以代替人工完成多項開采工作，提高煤礦生產(chǎn)效率和質(zhì)量?，F(xiàn)如今，隨著科技的不斷發(fā)展和進(jìn)步，煤礦開采過程中，所應(yīng)用到的自動化機械設(shè)備不斷增多，因此越來越多的煤礦企業(yè)提高了對機械化自動開采技術(shù)的重視度，相關(guān)技術(shù)雖然前期投入比較大，但是從長遠(yuǎn)來看，自動化智能無人化技術(shù)的應(yīng)用使得生產(chǎn)效率和質(zhì)量大幅度提升，而且人工成本降低，因此其對于煤礦企業(yè)的發(fā)展顯然是利大于弊的。當(dāng)前，綜采自動化技術(shù)的主要組成部分包含有采煤機液壓支架和鏟運機等等，其系統(tǒng)應(yīng)用的自化水平比較高。為了能夠及時地將所采取的煤炭運送工作面運送到地面上，還應(yīng)當(dāng)使用破碎機、輸送機、運輸機，這些設(shè)備對于改善綜采自動化開采工藝，提高采煤效率有著極為重要的促進(jìn)作用。此外，綜采自動化技術(shù)在采礦過程中的應(yīng)用，也可以實現(xiàn)記憶采礦和及時收集各種信息，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行分析對保證信息的真實性有著極為重要的意義。相較于人工采煤工藝來說，自動化智能無人化技術(shù)有效保證了采煤的可靠性與科學(xué)性。同時，該技術(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能還可以實現(xiàn)對礦山一應(yīng)情況的監(jiān)控和管理，實現(xiàn)對礦山生產(chǎn)的無人操作，諸多危險的開采工作都可以依靠智能無人化技術(shù)完成，其對于職工的安全性也有一定的保障作用。

二、綜采自動化智能無人化技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

（一）智能化開采技術(shù)制約因素

通過學(xué)習(xí)、參與智能化工作面建設(shè)及實際生產(chǎn)現(xiàn)場調(diào)研，筆者認(rèn)為綜采智能化工作面就是傳感器、通信、信息、自動化等技術(shù)的高度融合。通過采用采煤機的自主截割、三機聯(lián)動、地面和井下集控中心對設(shè)備、系統(tǒng)、環(huán)境的實時監(jiān)測與控制等功能，實現(xiàn)綜采工作面的少人化、無人化和智能化開采。因此，技術(shù)人員還需不斷通過現(xiàn)場的使用情況進(jìn)行總結(jié)，對智能化裝備和技術(shù)進(jìn)行有效篩選，選用符合礦井實際工況的技術(shù)和裝備，不斷提升技術(shù)應(yīng)用及改造的適用性和實用性。智能化開采技術(shù)在推廣應(yīng)用過程中仍受地質(zhì)條件、礦井災(zāi)害治理、設(shè)備設(shè)計缺陷等客觀因素制約，局限性較大，地質(zhì)賦存條件復(fù)雜多變，個別技術(shù)難以普遍適用;部分關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)遇到了瓶頸，未能在實踐中得到驗證。如:系統(tǒng)自診斷功能、工作面直線度檢測技術(shù)、煤巖分界技術(shù)、刮板運輸機煤流負(fù)荷控制技術(shù)等，需要制定可行技術(shù)路線和實施方案，更需要大量實踐來驗證;工作面環(huán)境惡劣，粉塵、濕度、光線等因素制約著相關(guān)傳感器的快速反應(yīng)能力和可靠性;乳化液泵站、刮板輸送機、膠帶輸送機、電液控均通過各自的控制系統(tǒng)最終融合到控制中心，各控制系統(tǒng)在接口、軟件協(xié)議、冗余功能等方面存在差異，缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和平臺，難以保證信息傳輸?shù)臅r效性及同步性;專家?guī)齑鎯?nèi)容和開發(fā)深度不足等制約因素。

（二）傳感器性能不穩(wěn)定

生產(chǎn)過程中大部分?jǐn)?shù)據(jù)均利用傳感器進(jìn)行采集，對傳感器的精度及穩(wěn)定性要求較高，但井下生產(chǎn)環(huán)境較差，個別傳感器失真，會造成數(shù)據(jù)錯誤傳輸，對人員遠(yuǎn)程操作造成一定難度。

（三）支架自動找直功能受地質(zhì)條件限制

工作面支架不具有自動或協(xié)調(diào)找直功能。智能化工作面已實現(xiàn)全工作面自動跟機移架，但由于地質(zhì)條件變化，移架動作不適應(yīng)這種變化，生產(chǎn)過程中需人工不定期對支架進(jìn)行調(diào)整。

（四）通信信號轉(zhuǎn)換頻繁

工作面設(shè)備生產(chǎn)廠家不同，設(shè)備相互之間均采用不同的通信協(xié)議，日常遠(yuǎn)程控制過程中，控制邏輯信號需頻繁轉(zhuǎn)換，對控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性有一定制約。

（五）檢修維護(hù)困難

生產(chǎn)現(xiàn)場檢修維護(hù)的解決思路，還停留在“頭疼治頭、腳疼治腳”的階段，僅僅通過增加供液管路、更換傳感器等手段，只能簡單的、表面性的解決部分問題，內(nèi)因并未真正被消除。采煤工作面的地面或井下控制中心可以實現(xiàn)工作面設(shè)備的一鍵聯(lián)啟，但現(xiàn)有智能化操作也僅限于此。實際上，工作面仍然按照原人工操作的模式進(jìn)行生產(chǎn)，智能化控制系統(tǒng)功能未被有效利用，也與采場實現(xiàn)“少人化、無人化”的目的相去甚遠(yuǎn)。

三、智能化采煤裝備的關(guān)鍵技術(shù)

（一）長壁開采極限卸壓采厚

在某些地質(zhì)條件下，例如煤層之間的間隔，采礦過程中覆蓋層厚度的選擇直接影響采礦過程中壓力降低的效果。采礦期間覆蓋層厚度的確定通常與煤層的傾斜角度，煤層的深度，層之間的間隔，層之間的巖性以及層之間是否存在關(guān)鍵層等因素相關(guān)。由于許多原因，使用理論公式或基于經(jīng)驗公式的估計進(jìn)行直接計算的準(zhǔn)確性較低。因此，通常使用數(shù)值模型或類似模型基于應(yīng)力，應(yīng)變和裂紋擴(kuò)展進(jìn)行判斷和選擇。作為覆蓋層的煤層通常是厚度較小的薄煤層。在許多情況下，煤層的厚度大于煤層的厚度以滿足采礦要求。為減少數(shù)量，必須指定采礦作業(yè)的最低臨界覆蓋率。屠世浩等基于應(yīng)力－裂紋－滲流黏附模型，提出了一種通過合理確定不同工作厚度下蓋層滲透率的演變規(guī)律，確定合理的工作厚度并限制工作厚度的方法。

（二）視頻監(jiān)控技術(shù)

在綜采工作面順槽內(nèi)的設(shè)備列車上安放一套集中監(jiān)控平臺，可實現(xiàn)工作面可視系統(tǒng)的視頻圖像實時顯示；視頻系統(tǒng)的工作面攝像頭具有防塵功能。當(dāng)采煤機到達(dá)對應(yīng)的可視系統(tǒng)單元時，可視功能開啟，視頻效果清晰流暢，確保采煤機割煤過程始終處于視頻系統(tǒng)的監(jiān)控中。工作面視頻系統(tǒng)由礦用本質(zhì)安全型云臺攝像儀、礦用本質(zhì)安全型一體機和安裝電纜及附件等組成。其中攝像儀采用本質(zhì)安全型網(wǎng)絡(luò)攝像儀，每6 架配備1 臺，安裝于支架的頂梁上，利用以太網(wǎng)進(jìn)行視頻傳輸，傳輸速率為100Mbps。該攝像儀具有LED 補光、紅外補光、彩色成像功能和330°云臺旋轉(zhuǎn)及自清潔功能，在低照度（0.001Lux）環(huán)境中可獲得真實自然的圖像，適合光照條件差的工作面使用。攝像儀清晰度720PHDTV，幀速25fps。此外在前部刮板輸送機機頭和機尾、后部運輸機機頭、轉(zhuǎn)載機機頭等特殊區(qū)域也安裝了視頻攝像儀，確保實現(xiàn)對特殊區(qū)域設(shè)備的運行、安全及煤流情況的實時觀測。

（三）支架姿態(tài)智能監(jiān)測和防片幫控制系統(tǒng)

對液壓支架支護(hù)狀態(tài)的監(jiān)測，主要是通過在支架上設(shè)置傾角傳感器、壓力傳感器、行程傳感器等，通過對支架支護(hù)高度、支護(hù)俯仰角、液壓缸工作壓力的監(jiān)測來判斷支架的支護(hù)狀態(tài)，對支架的最大支護(hù)高度、俯仰角度等設(shè)置超限報警，報警后系統(tǒng)自動對支護(hù)狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，避免支架出現(xiàn)支護(hù)失穩(wěn)現(xiàn)象。為了避免在調(diào)節(jié)過程中各支架因支護(hù)高度不同而導(dǎo)致的煤矸石從夾縫中滑落傷人的情況，設(shè)置兩個相鄰支架間的支護(hù)高度差不能超過400mm[4]，否則會觸發(fā)報警，并自動調(diào)整。由于綜采作業(yè)高度越大，作業(yè)過程中越容易發(fā)生片幫現(xiàn)象，因此在大采高支護(hù)作業(yè)時，需要對支架的支護(hù)壓力和強度進(jìn)行監(jiān)控，若各個支架超壓嚴(yán)重說明存在較大的片幫和冒頂隱患，因此控制系統(tǒng)發(fā)出報警控制信號，對液壓支架進(jìn)行自動補壓和支護(hù)狀態(tài)調(diào)整，防止綜采作業(yè)過程中出現(xiàn)片幫和冒頂事故。在液壓支架的頂部設(shè)置有接近傳感器，用于對支架護(hù)幫板是否到位進(jìn)行檢查，若回收到位則不會觸發(fā)警戒信號，若出現(xiàn)回收不到位情況，則系統(tǒng)發(fā)出聲光報警同時控制停止采煤機的進(jìn)給綜采作業(yè)，防止采煤機和液壓支架發(fā)生碰撞[1]。

（四）采煤機自主定位和自動導(dǎo)航技術(shù)

現(xiàn)階段采煤機智能控制技術(shù)具備定位和導(dǎo)航的工作，但我國在這一技術(shù)方面的研究還處于初級階段尚未取得有效進(jìn)展，而且對于定位技術(shù)如何與無人采礦定位技術(shù)的結(jié)合也屬于研究的初級階段，因此在開展相關(guān)技術(shù)研究的過程中仍然將其作為研究的關(guān)鍵和重點，針對采煤機自主定位和自動導(dǎo)航技術(shù)研究的主要內(nèi)容有以下幾方面：采煤機動力學(xué)模型、航位推算系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性問題等[2]。

（五）行走控制與截割技術(shù)

滾筒采煤機在進(jìn)行采煤操作時，對采煤高度以及行走控制的要求一直都比較高，如果這兩項工作沒有落實好，那么采煤的質(zhì)量效果必將會受到影響和干擾。地下采煤環(huán)境十分惡劣，滾筒采煤機以自動化與智能化技術(shù)為依托，可以自主的分辨出煤礦巖石的變化情況，這樣才能更加高效地對煤礦開采的深度以及采煤機行走速度進(jìn)行理性的控制。隨著科技的不斷發(fā)展和進(jìn)步，采煤機辨別煤炭巖石情況的能力不斷提升，據(jù)相關(guān)研究統(tǒng)計表明辨別方式多達(dá)十幾種，但是其在具體應(yīng)用范圍方面還存在有一定的局限性。在采煤機具體應(yīng)用過程中，即便是應(yīng)用記憶截割方式，也無法實現(xiàn)滾筒采煤機的智能化操作。但是在應(yīng)用相關(guān)技術(shù)時，如果能夠現(xiàn)代化的攝像攝影技術(shù)融入采煤機之中，做好圖像數(shù)據(jù)的采集與傳輸工作，那么則可以保證采煤機在礦井中更加高效的應(yīng)用，可以及時有效地規(guī)避多個領(lǐng)域的問題與不足，進(jìn)而能夠更好地對采煤機行走速度以及截割進(jìn)行控制[3]。

（六）自動化智能無人化技術(shù)

采煤機是煤礦綜采工作順利實施的前提所在，如果沒有采煤機作為支撐，那么煤礦開產(chǎn)的一系列工作都將會成為空談。采煤機的自動化智能控制可以優(yōu)化設(shè)備的操作效果，人工操作減少，人力成本因此得到了有效的控制，這樣采煤機應(yīng)用過程中，操作人員只需要對設(shè)備進(jìn)行必要的參數(shù)設(shè)備，做好煤礦開采全局規(guī)劃，那么一系列工作就可以有條不紊地實施。采煤機的運作是以自動化技術(shù)為依托的，同時還需要借助數(shù)據(jù)控制技術(shù)對采煤機的運作方式進(jìn)行管控和監(jiān)督，一旦發(fā)現(xiàn)設(shè)備應(yīng)用出現(xiàn)任何問題，第一時間予以反饋。在煤炭資源開采起價，采煤機需要明確自身的開采條件，然后結(jié)合實際開采條件，做好調(diào)高以及切割設(shè)置工作，科學(xué)合理地制定開采方案，避免因為操作不當(dāng)，損壞采煤機或者是影響采煤質(zhì)量效果，以保證之后的自動割煤操作能夠穩(wěn)定高效的運行，但在此過程中需要注意的是割煤量不能高于實際存儲尺寸值，否則也將會影響煤礦開采質(zhì)量效果。綜采自動化智能無人化技術(shù)可以有效地提高采煤機等設(shè)備運行的規(guī)范性與效率性，自動化作業(yè)水平得到了顯著的提升[4]。

結(jié)束語

為了解決采高厚煤層綜放工作面自動化放煤常態(tài)化應(yīng)用難題，對國家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司棗泉煤礦綜放工作面自動放煤工藝進(jìn)行了研究，介紹了工作面概況和自動化控制系統(tǒng)配置情況，確立了綜放工作面的放煤方式，提出了一種綜放工作面放煤方法的下行和上行自動化放煤控制設(shè)計思路，建立了綜放工作面自動化放煤程序，通過在鄭州采煤機液壓電控有限公司ZE07 04 型電液控制系統(tǒng)的工業(yè)試驗表明，該程序解決了大采高綜放工作面自動化放煤工藝難題，實現(xiàn)了綜放工作面自動化放煤[5]。