煤礦綜采工作面采煤機(jī)智能開采技術(shù)應(yīng)用試驗(yàn)研究

徐江奇

（山西鋪龍灣煤業(yè)有限公司， 山西 大同 037104）

引言

目前國內(nèi)煤礦工作面的開采設(shè)備均處于機(jī)械化開采階段，并逐步朝著智能化方向邁進(jìn)。而煤礦綜采工作面采煤機(jī)的智能開采技術(shù)大多是基于對(duì)采煤機(jī)高精度的軌跡跟蹤，包括記憶截割、人工遠(yuǎn)程干預(yù)兩個(gè)方向。本文通過對(duì)山西某礦采煤機(jī)的智能開采試驗(yàn)，對(duì)該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行深入研究，為該礦的智能化開采提供數(shù)據(jù)支撐，以早日實(shí)現(xiàn)煤礦智能化。

1 山西某礦智能開采現(xiàn)狀

某礦位于山西省平遙縣，井田走向3 km，傾向?qū)?.8 km，總面積8.62 km2，設(shè)計(jì)產(chǎn)量200 萬t/年，采用綜采一次采全厚工藝，設(shè)備機(jī)械化程度達(dá)100%。其3102 工作面推進(jìn)總長度1100 m，工作面長160 m，回采3 號(hào)煤層厚度3.2 m，煤層傾角2°～8°，普氏系數(shù)1.8 左右。頂板為砂質(zhì)頁巖厚度3.6 m，泥巖厚度26 m；老頂為細(xì)砂巖厚度20 m，基于該礦煤巖特性選用KSW-1500EU/3300V 型電牽引采煤機(jī)，技術(shù)參數(shù)見表1?，F(xiàn)對(duì)其智能開采方面的技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析研究。

表1 電牽引采煤機(jī)參數(shù)

2 采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)

采煤機(jī)的智能控制系統(tǒng)組成為設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、順槽監(jiān)控系統(tǒng)、地面控制室指令傳輸系統(tǒng)三部分，在實(shí)際工作面生產(chǎn)過程中，KSW-1500EU/3300V 電牽引采煤機(jī)的運(yùn)移動(dòng)作，如圖1 所示。設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能監(jiān)測(cè)到包括搖臂牽引滾筒升降及滾筒截割速度、采煤機(jī)在刮板輸送機(jī)上的運(yùn)移速度，并由順槽監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收處理，對(duì)采煤機(jī)的運(yùn)移割煤情況進(jìn)行調(diào)節(jié)處理。當(dāng)出現(xiàn)截割故障及設(shè)備異常運(yùn)移情況時(shí)，順槽監(jiān)控系統(tǒng)將進(jìn)一步向上級(jí)地面監(jiān)控室進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，由控制室下達(dá)故障處理指令。控制室還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)整體截割情況的實(shí)時(shí)顯示監(jiān)控，以達(dá)到準(zhǔn)確的指令傳輸效果。

2.1 智能調(diào)高設(shè)計(jì)

對(duì)采煤機(jī)的智能調(diào)高機(jī)理在于頂?shù)装鍘r性智能識(shí)別技術(shù)，目前該項(xiàng)技術(shù)包括紅外探測(cè)技術(shù)、伽馬射線法、雷達(dá)探測(cè)技術(shù)等。該礦試驗(yàn)過程擬采用記憶截割技術(shù)，即事先對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行一刀手動(dòng)割煤，根據(jù)煤層厚度變化進(jìn)行高度調(diào)整，同時(shí)控制器對(duì)此次割煤的各階段進(jìn)行記錄；在進(jìn)行第二刀煤割采時(shí)，則不需要手動(dòng)操控，可通過記錄的數(shù)據(jù)操控采煤機(jī)滾筒進(jìn)行自主截割，只需在遇到較大偏移及特殊煤質(zhì)變化時(shí)對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行人工干預(yù)調(diào)整即可。該系統(tǒng)可通過安裝角度傳感器對(duì)采煤機(jī)搖臂機(jī)身的姿態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)調(diào)節(jié)，在采煤機(jī)的牽引部設(shè)置編碼器對(duì)采煤機(jī)運(yùn)移進(jìn)行定位識(shí)別，以達(dá)到控制目的。該技術(shù)的重點(diǎn)在于控制器對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的處理，各種參數(shù)如機(jī)身傾角、搖臂傾角、滾筒運(yùn)移速度等的整體及時(shí)處理才可實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)搖臂、電機(jī)的有效控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)滾筒截割高度的正確調(diào)整。下頁表2 為記憶截割數(shù)據(jù)對(duì)比，由此可以看出，采用記憶截割進(jìn)行優(yōu)化后，后續(xù)的割煤過程耗時(shí)有所減少，人工操作次數(shù)也明顯降低。因此采用智能記憶截割進(jìn)行煤層開采，可以更好地對(duì)煤層厚度及煤質(zhì)進(jìn)行適應(yīng)，增大采煤機(jī)的開機(jī)效率。

表2 采煤機(jī)記憶截割數(shù)據(jù)對(duì)比

2.2 智能協(xié)調(diào)控制

在實(shí)際工作面生產(chǎn)過程中，采煤機(jī)要與刮板輸送機(jī)及液壓支架的運(yùn)行進(jìn)行配套調(diào)節(jié)。因此要確保對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行智能控制的同時(shí)，不會(huì)對(duì)液壓支架及刮板輸送機(jī)的正常運(yùn)行造成影響，即對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行智能協(xié)調(diào)控制[1]，一是對(duì)采煤機(jī)的牽引速度進(jìn)行智能操控，避免其不受控制進(jìn)行異常運(yùn)行，可通過控制油缸的伸縮量與牽引速度進(jìn)行協(xié)調(diào)；二是對(duì)滾筒的調(diào)高進(jìn)行控制，主要是通過控制牽引部來避免對(duì)液壓支架護(hù)幫板造成破壞，可通過監(jiān)測(cè)采煤機(jī)牽引電機(jī)的電流、截割電機(jī)的電流數(shù)值進(jìn)行控制；三是對(duì)刮板輸送機(jī)的電機(jī)電流值進(jìn)行監(jiān)測(cè)，保證其牽引速度的異常情況能夠及時(shí)感知控制[2]。電牽引采煤機(jī)中最龐大的構(gòu)件在于其機(jī)電液控制部，因此整個(gè)系統(tǒng)的智能協(xié)調(diào)控制是否穩(wěn)定就在于能否對(duì)該部件進(jìn)行有效控制?？蓪⑵涿畹膬?yōu)先等級(jí)進(jìn)行規(guī)劃，根據(jù)采煤機(jī)的左右截割電機(jī)、牽引部電機(jī)及采煤機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行分類。而采煤機(jī)的電機(jī)電流也可根據(jù)異常值分為波動(dòng)、報(bào)警、正常運(yùn)作三種情況，例如當(dāng)采煤機(jī)的右側(cè)截割部出現(xiàn)電流值波動(dòng)而牽引電機(jī)電流值出現(xiàn)報(bào)警時(shí)，就應(yīng)將后者作為優(yōu)先級(jí)指令，保持截割部高度不變，對(duì)牽引速度進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)牽引電機(jī)恢復(fù)正常后優(yōu)先指令則變?yōu)榱私馗畈浚藭r(shí)將搖臂下降即可，基于此操作則可對(duì)采煤機(jī)的指令優(yōu)先性進(jìn)行有效控制[3]。

試驗(yàn)實(shí)測(cè)采煤機(jī)協(xié)調(diào)控制下的截割路徑，如圖2所示。圖2 可以對(duì)采煤機(jī)的異常截割情況進(jìn)行感知顯示，確保截割過程中采煤機(jī)運(yùn)移路徑及滾筒截割的精確性，主要通過對(duì)采煤機(jī)的位置監(jiān)測(cè)、牽引速度監(jiān)測(cè)、搖臂傾角監(jiān)測(cè)來實(shí)現(xiàn)。由圖2 可以看出，通過智能協(xié)調(diào)控制下采煤機(jī)的截割路徑與目標(biāo)截割路徑差異極小。割頂高度與目標(biāo)割頂高度的偏差控制在0.2 m 之內(nèi)，割低高度與目標(biāo)割低高度控制在了0.1 m 之內(nèi)的偏差值。截割頂部在70～100 m 的區(qū)段內(nèi)發(fā)生了較小的浮動(dòng)，割低部分在60～80 m 的范圍內(nèi)出現(xiàn)了小范圍的波動(dòng)，其余在整個(gè)160 m 的工作面進(jìn)行開采過程中始終沒有出現(xiàn)較大的截割偏差，精度控制在0.2 m以內(nèi)，取得了良好的試驗(yàn)效果。

圖2 采煤機(jī)智能截割效果

3 采煤機(jī)智能截割效果

通過上述兩階段對(duì)KSW-1500EU/3300V 型電牽引采煤機(jī)進(jìn)行智能調(diào)高及智能協(xié)調(diào)控制，對(duì)采煤機(jī)的實(shí)際割煤效果進(jìn)行實(shí)踐?？梢钥闯龉ぷ髅娌擅簷C(jī)智能截割控制技術(shù)其精度已十分可觀，如圖3 所示。其原理為通過采煤機(jī)定位系統(tǒng)及傾角傳感器將采煤機(jī)位置和滾筒的高度進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸作為檢測(cè)值，采煤機(jī)的截割軌跡曲線作為規(guī)劃值，通過分析兩者數(shù)據(jù)由控制系統(tǒng)下達(dá)運(yùn)移指令，并由采煤機(jī)控制系統(tǒng)、搖臂液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來控制滾筒的調(diào)高。由圖3 可以看出，整個(gè)割煤過程基本為自動(dòng)截割操作，并未有人工干預(yù)段的存在。同時(shí)采煤機(jī)截割三角煤的時(shí)間與正常截割時(shí)間相同，在3：30～4：00 這一時(shí)間段花費(fèi)0.5 h 左右。而一個(gè)循環(huán)曲線為1 h 左右，即3：30～4：30 這一時(shí)間段，與正常截割時(shí)間消耗基本一致。由此可以看出，自動(dòng)截割技術(shù)已經(jīng)較為成熟，試驗(yàn)過程中綜采工作面截割曲線與實(shí)際工作面截割數(shù)據(jù)對(duì)比偏差控制在3%以內(nèi)?；緷M足實(shí)際生產(chǎn)要求，可對(duì)整體系統(tǒng)進(jìn)行后續(xù)的工業(yè)性試驗(yàn)，以便在實(shí)際開采過程中進(jìn)行應(yīng)用。

圖3 綜采工作面采煤機(jī)智能截割曲線圖

4 結(jié)語

本文通過對(duì)綜采工作面采煤機(jī)的智能開采技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究，即通過采煤機(jī)的記憶截割技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)搖臂的智能調(diào)高控制，并通過“三機(jī)”設(shè)備的協(xié)調(diào)配套，對(duì)采煤機(jī)牽引速度、截割部電機(jī)電流、滾筒調(diào)高實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的智能協(xié)調(diào)控制。通過分析智能截割效果圖及智能截割曲線圖可以發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)取得了良好的效果，不但可以保障工作人員安全，高效開展生產(chǎn)，還為煤礦智能化開采提供了理論支持，為煤礦無人化、少人化開采發(fā)展提供了思路。