綜采工作面主要綜采裝備的智能化技術(shù)探討

周 波

（晉能控股煤業(yè)集團大斗溝煤業(yè)公司, 山西大同 037000）

在我國的能源經(jīng)濟發(fā)展中, 煤炭是其賴以生存的食糧, 一直以來都在一次性能源消費中占據(jù)著十分重要的地位。煤炭開采過程大約存在90%左右的方式為井工開采, 環(huán)境和條件極為惡劣, 且存在瓦斯透水等多種風(fēng)險因素。多年以來, 礦井開采工作從單機機械化實現(xiàn)了自動化的發(fā)展, 并逐漸趨向于智能化。當(dāng)前, 我國正在全力建設(shè)智慧礦井和智能化綜采作業(yè)面, 與其相對應(yīng)的是綜采技術(shù)及裝備也取得較快的發(fā)展, 綜采技術(shù)及其裝備具有的智能化水準也是對作業(yè)面智能化進行衡量的一個重要指標。

1 智能化綜采系統(tǒng)架構(gòu)

智能化綜采作業(yè)面指的是礦井開采工作引入了一系列機電一體化的成套裝備, 如采煤機、自動化液壓支架等, 實現(xiàn)了作業(yè)面的無人化、自動化及遠程化, 可以確保開采工作的安全性及高效性。智能化綜采系統(tǒng)是將一系列智能化技術(shù)進行較好的融合, 如液壓、電氣、語言、視頻等。智能化綜采系統(tǒng)的構(gòu)成包含了三個部分, 分別為作業(yè)面、順槽和地面, 該系統(tǒng)的框架詳見圖1。其中, 作業(yè)面處于礦井下作業(yè)面, 作業(yè)面采用的主要裝備有液壓支架、采煤機、刮板運輸機等, 通過實現(xiàn)各個單機設(shè)備之間的協(xié)作, 促使煤炭開采工作實現(xiàn)采、支、運等工作的順利進行。礦井下順槽部位通過將供液、供電、集控等系統(tǒng)設(shè)定為輔助設(shè)備, 以遠程監(jiān)測供電、供液及裝備的運行。地面部分需要建設(shè)中心調(diào)度中心, 利用環(huán)網(wǎng)來對下方的設(shè)備、人員、車輛等一系列信息進行全方位、動態(tài)化的遠程監(jiān)控[1]。

圖1 礦井智能綜采系統(tǒng)框架圖

2 綜采核心裝備智能化技術(shù)

2.1 綜采三機裝備技術(shù)功能圖譜

綜采作業(yè)面配置的裝備主要是以刮板運輸機、采煤機及液壓支架為核心的三機設(shè)備為主來作為一個執(zhí)行單元, 實現(xiàn)三機的智能化是綜采作業(yè)面智能化的前提, 采煤機主要是為了滿足煤層發(fā)生的變化, 對滾筒的采高及運行速率來進行調(diào)節(jié), 以實現(xiàn)“采”功能；液壓支架的配置主要是為了滿足巖層壓力的變化, 對支護幫板進行調(diào)節(jié), 以實現(xiàn)“支”功能；刮板運輸機組主要是為了滿足煤流的變化, 對破碎及運輸?shù)乃俣冗M行調(diào)節(jié), 以實現(xiàn)“運”功能[2]。如圖2所示為三機裝備技術(shù)的功能圖。

圖2 三機技術(shù)功能圖譜

2.2 采煤機智能化技術(shù)

目前, 在礦井中, 無鏈電牽引采煤機是其核心產(chǎn)品, 采煤機實現(xiàn)智能化主要表現(xiàn)在以下三個方面。

多傳感器融合感知技術(shù)：采煤機所配置的傳感器設(shè)備主要包含四種類型, 其功能分別為運行狀態(tài)的感知、運行環(huán)境的監(jiān)測、電機的動態(tài)化管理和位姿的監(jiān)測。對采煤機的運行環(huán)境進行監(jiān)測主要是對作業(yè)面的人員定位、瓦斯等進行監(jiān)測, 外部監(jiān)測可以充分反映出采煤機的運行環(huán)境, 判斷采煤機是否可以正常啟動運行。運行狀態(tài)的感知主要指的是對液壓系統(tǒng)的壓力、采煤機的電控箱溫度、液壓系統(tǒng)的壓力等一系列指標進行感知, 運動狀態(tài)可以將采煤機運行階段各個裝備的正常狀態(tài)進行反映。位姿監(jiān)測是保證采煤機實現(xiàn)自動化運行的基礎(chǔ), 利用傾角儀及編碼器來分別取得作業(yè)面中采煤機的位置、機身的俯仰角度等相關(guān)數(shù)據(jù)。電機動態(tài)管理單元, 通過運用內(nèi)部PT100及PTC來對其運行的過程中形成的溫度信息來進行監(jiān)測, 另外, 通過運用電流傳感器來取得電機的三相電流, 控制模塊通過分析三相電流及電機溫度來獲取過流、過溫等一系列信息[3]。

自主截割技術(shù):傳統(tǒng)采煤機的自主截割操作是以采煤機的記憶截割系統(tǒng)為基礎(chǔ), 通過對采煤機割煤過程進行學(xué)習(xí), 掌握煤機、搖臂滾筒等速度變化, 并儲存相應(yīng)的記憶數(shù)據(jù)；而后采煤機可以利用記憶數(shù)據(jù)來完成采煤機的自主割煤。當(dāng)前, 采煤機可以利用規(guī)劃截割系統(tǒng)來完成自主截割。通過對采煤機的截割系統(tǒng)進行規(guī)劃, 及時接收到上位機所傳輸?shù)慕馗钋€, 然后系統(tǒng)將該曲線進行分解, 使其成為各個工藝段的速度、采高等數(shù)據(jù), 并及時傳輸?shù)讲擅簷C的各個單元, 做出對應(yīng)的動作。

數(shù)據(jù)遠程傳輸及監(jiān)測技術(shù):完成作業(yè)面到順槽集控中心的數(shù)據(jù)傳輸, 這需要依托于有效的遠程通信技術(shù)。數(shù)據(jù)遠程傳輸可以利用有線/無線通信、載波通信等技術(shù), 其中載波通訊一般要維持500m以下的傳輸距離, 其主要是借助主電纜控制線具有的頻分復(fù)用技術(shù), 其傳輸?shù)乃俣染S持在15ms, 延時抖動的速度為1ms, 可以對CAN、485等通信協(xié)議進行支持。有線通信主要存在兩種方式, 分別為動力和光纖兩種電纜, 動力電纜主要是利用電纜之內(nèi)的芯線來完成遠程傳輸, 其安全的傳輸距離一般超出了1500m, 速率一般低于20ms；光纖通信的傳輸距離可以超出1500m, 其優(yōu)勢主要為延時較低、寬帶較高[4]。

2.3 液壓支架智能化技術(shù)

液壓支架智能化的核心標志是電液控制技術(shù)的日益成熟, 其關(guān)鍵功能是完成作業(yè)面自動化的放煤、移架、噴霧等功能, 作業(yè)面對上百臺液壓支架進行成組排列, 以有效支撐頂板, 并為設(shè)備構(gòu)建起安全空間。經(jīng)過長期的科研, 液壓支架的智能化技術(shù)主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

自適應(yīng)控制技術(shù):該技術(shù)主要包含了自適應(yīng)的調(diào)斜、護幫等功能。通過在設(shè)備之中安裝壓力、行程、傾角等傳感器, 對液壓支架在跟機移架之中狀態(tài)進行實時監(jiān)測, 通過將監(jiān)測數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)參數(shù)進行對比來完成千斤頂或者護幫板的控制。

液壓系統(tǒng)智能控制技術(shù):傳統(tǒng)液壓支架中安裝的自動跟機及移架是通過對電液閥進行人為控制來完成一系列操作。人工操作具有一定的缺點, 如靈活性較低、操作較為滯后等。液壓系統(tǒng)的智能化控制則是通過收集各種類型支架的動作、用液量、動作時間等一系列數(shù)據(jù), 針對不同的自動化跟機動作程序來對用液量進行預(yù)判, 并傳輸?shù)奖谜镜目刂葡到y(tǒng), 對泵站的壓力進行自動調(diào)節(jié), 從而確保液壓支架實現(xiàn)自動化的移架及跟機[5]。

自動調(diào)直技術(shù):液壓支架在反復(fù)推進的過程中會出現(xiàn)一定的誤差, 導(dǎo)致煤壁平直度出現(xiàn)彎曲, 更有甚至?xí)?dǎo)致煤機出現(xiàn)脫軌。目前, 該技術(shù)主要是利用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)來實現(xiàn), 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)需要搭載在采煤機上, 伴隨著采煤機的運行而形成一個曲線, 通過采取插值算法, 基于標準的采煤刀數(shù)來對電液系統(tǒng)中的推移量進行控制, 已完成作業(yè)面的自動調(diào)直。

2.4 刮板運輸機組智能化技術(shù)

刮板運輸機組又被稱之為“小三機”, 其所包含的裝備主要為破碎機、轉(zhuǎn)載機和運輸機, 作用在于對開采煤塊進行破碎、裝載及運輸, 另外, 在采煤機中, 刮板運輸機也是液壓支架和行走軌道持續(xù)推進的支點, 其中所采用的智能化技術(shù)主要包含以下兩個方面。

智能調(diào)速技術(shù):該技術(shù)主要是利用電機電流的反饋方式來明確運輸?shù)呢撦d。系統(tǒng)依據(jù)負載的實際情況來對運輸機鏈條的速度進行調(diào)節(jié), 保證運速與運量之間的正相關(guān)性, 以減少刮板運輸機的能源消耗。

鏈條張力自動控制技術(shù):該技術(shù)主要是利用機尾自動化伸縮裝置來實現(xiàn)調(diào)節(jié)。通過對油缸腔內(nèi)的壓力變化值進行感應(yīng)來完成刮板運輸機的實時控制, 從而使油缸的伸縮量可以得到較好的控制, 同時也可以對伸縮量設(shè)置臨界點, 確保鏈條在啟停時可以得到較好的控制[6]。

3 智能化綜采技術(shù)發(fā)展歷程

隨著《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》的頒發(fā), 對礦井的智能化建設(shè)提出明確的規(guī)劃, 即“三步走”, 綜采技術(shù)也由此實現(xiàn)了智能化。綜采智能化的發(fā)展與裝備技術(shù)的智能化發(fā)展是相輔相成的, 我國依據(jù)綜采技術(shù)的發(fā)展進程, 將其智能化階段劃分為四個技術(shù)階段：一為1.0, 即可視化遠程干預(yù)；二為2.0, 即作業(yè)面自動化找直；三為3.0, 即透明化作業(yè)面；四為4.0, 即透明化礦井, 綜采技術(shù)發(fā)展的每一個階段都有著不同的技術(shù)水平。1.0階段的發(fā)展源于2010年, 其核心技術(shù)為液壓支架的自動化跟機、采煤機的記憶截割、可視化的遠程監(jiān)控, 輔助刮板運輸機及其相關(guān)的設(shè)備, 確保作業(yè)面生產(chǎn)的高效和安全。2.0時期是以1.0時期為基礎(chǔ)發(fā)展起來的, 其加入了以慣性導(dǎo)航為技術(shù)核心的控制技術(shù), 有助于完成作業(yè)面找直工作的自動化, 這一時期的發(fā)展有效解決了采煤階段中持續(xù)平直推進的問題。3.0時期所研究的核心技術(shù)為以透明化作業(yè)面為基礎(chǔ)的高精度三位地質(zhì)模型、大數(shù)據(jù)智能化分析的決策平臺、作業(yè)面綜采裝置的空間導(dǎo)航定位等。這一時期的技術(shù)十分依賴于透明作業(yè)面模型的精確度, 在作業(yè)面中三機裝備的智能化及其協(xié)作基礎(chǔ)之上, 將控制及決策的權(quán)限拓展至大數(shù)據(jù)決策中心, 各個不同的技術(shù)相互協(xié)作, 促使作業(yè)面實現(xiàn)了無人化開采。4.0階段是對3.0階段的深入延伸, 也是礦井實現(xiàn)智慧建設(shè)的必要支撐, 其中涉及到了十分全面系統(tǒng)的技術(shù), 這就要求裝備實現(xiàn)更為高級的智能化水平, 對于綜采工作而言, 這也可以成為全智能化自適應(yīng)的開采階段[7]。

4 結(jié)語

本文通過對綜采智能化系統(tǒng)進行闡述, 對其整體框架進行明確認識, 以綜采作業(yè)面的智能化裝置為主, 對采煤機、液壓支架、刮板運輸機當(dāng)前所運用的智能化技術(shù)進行詳細闡述。另外, 對各種裝置的智能化技術(shù)所對應(yīng)的綜采智能化發(fā)展進行總結(jié)。由此可以看出, 在礦井日后的發(fā)展中, 綜采智能化是其開采作業(yè)的必然趨勢, 隨著科技的日益發(fā)展, 裝置的智能化水準也得了極大的改善。裝置技術(shù)的不斷創(chuàng)新也將會促進生產(chǎn)模式及能源領(lǐng)域的創(chuàng)新。