智能化綜采工作面自動化高質(zhì)量技術應用分析

王明耀

（中煤昔陽能源有限責任公司白羊嶺煤礦，山西 晉中 045300）

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術發(fā)展速度的不斷加快，煤礦行業(yè)逐步趨向于智能化發(fā)展。在煤礦轉型關鍵時期，通過合理使用智能化、自動化技術手段，可以切實有效地提升采煤工作的質(zhì)量效率。在現(xiàn)階段的智能化綜采工作面中，一鍵停啟以及綜采工作面液壓支架電液控制系統(tǒng)的廣泛應用，為推動煤礦行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展奠定了堅實的技術基礎。

1 概述工作面

本文以中煤昔陽能源有限責任公司白羊嶺煤礦15111綜采工作面為例，該作業(yè)面的長度為1010m，工作面平距230m。15111工作面地面位置位于礦井東北部，北距井田邊界247m，東距社莊村492m，地表為中低山，谷溝發(fā)育，工作面回采范圍無村莊、水體分布；井下位置西起15111軌道巷，東至井田邊界510～575m處，北距井田邊界最小距離247m，南部為15109工作面采空區(qū)，與其保護煤柱為8m。15111工作面周邊無其他采掘工作面分布。

15111工作面采用一次采全高回采技術手段，工作面的回采煤層平均厚度為4.6m，平均傾角為6度。煤層偽頂主要由炭質(zhì)泥巖組成，平均厚度為0.2m。直接頂主要為泥巖、砂質(zhì)巖，厚度為17.75m。

15111工作面采煤工藝為綜合機械化采煤，采用MG900/2210-WD電牽引采煤機、SGZ1000/2×855中雙聯(lián)刮板運輸機、ZZ10600/27/60D液壓支架支護頂板。由于原有工作面回采期間的故障發(fā)生概率較高，導致實際運維難度較大。為了從根本上保障采煤質(zhì)量與效率，需要借助智能化技術手段，設計出功能完善的集中控制系統(tǒng)。

2 綜采工作自動化采煤技術現(xiàn)狀

國外智能化、信息化技術發(fā)展速度更快。至20世紀80年代，美國就在采煤行業(yè)中使用了自動化采煤技術，切實提升了煤礦產(chǎn)量。

我國于2004年首次引進并實施自動化產(chǎn)業(yè)技術，現(xiàn)階段取得了巨大成就。許多中大型煤礦均在自動化采煤中投入了充足的人力和物力，獲得了極高的日常任務開采率，進一步延長了煤礦開采年限。

3 自動化綜采工作面系統(tǒng)發(fā)展要求

煤礦開采流程較為復雜，在實際開采期間的安全風險性高，目前相應的機械化程度仍屬于有待提升階段。

現(xiàn)階段，煤礦智能化綜采工作面現(xiàn)場安全管理期間仍然存在較多不足之處，需要注重做好工作面的智能化、自動化改造工作。當前煤礦自動化技術不夠完善，但已經(jīng)具有了自主生產(chǎn)能力，可基本實現(xiàn)自動化生產(chǎn)目標，需要設計出功能完善、運行可靠的智能化煤炭綜采作業(yè)面系統(tǒng)。借助抗電子干擾力強的網(wǎng)絡通信傳輸平臺，可以從根本上提升綜采工作面實施期間的信號傳輸效率，確保各類信息數(shù)據(jù)能夠實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的傳輸目標。

4 自動化綜采工作面系統(tǒng)結構

4.1 集中控制系統(tǒng)

綜采作業(yè)面集中控制系統(tǒng)內(nèi)部包括地面遠程控制裝置、設備控制系統(tǒng)、三機聯(lián)動控制系統(tǒng)、液壓支架電液控制系統(tǒng)、順槽設備列車集中控制系統(tǒng)、采煤機等。其中，順槽設備列車直接控制系統(tǒng)在實際安裝過程中，需要安裝在運輸順槽設備的串車上。系統(tǒng)內(nèi)部主要包括控制臺、數(shù)據(jù)處理裝置、顯示器、PLC控制裝置。在使用順槽集中控制系統(tǒng)過程中，需要做好工作面設備數(shù)據(jù)信號設計工作，采用信號處理方式發(fā)送相關指令。

4.2 地面遠程操控系統(tǒng)

地面遠程操控系統(tǒng)被安裝在礦井調(diào)度室指揮中心，系統(tǒng)內(nèi)部包括視頻主機、監(jiān)控主機、服務器裝置。服務器裝置內(nèi)部配備專用組態(tài)軟件，借助軟件能夠直觀地將綜采工作面中各類機械設備運行狀態(tài)以及運行期間的參數(shù)數(shù)據(jù)顯示在屏幕上。相關工作人員可借助相關視頻軟件對作業(yè)機械設備的運行參數(shù)進行調(diào)整。

4.3 電液控制系統(tǒng)

電液控制系統(tǒng)內(nèi)部包括轉向主閥、壓力傳感裝置、行程傳感裝置、液壓支架控制器、開關、紅外線發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)。其中，紅外線監(jiān)測發(fā)射系統(tǒng)由紅外線發(fā)射與接收裝置構成，在實際運行期間，主要擔負起確定采煤機位置的重要職責。

4.4 三機聯(lián)控系統(tǒng)

三機聯(lián)控系統(tǒng)可以充分發(fā)揮出刮板運輸機、轉載機、破碎機聯(lián)合控制作用。系統(tǒng)內(nèi)部主要由位移轉換器、攝像儀器、傾角傳感裝置以及精準的推拉裝置組成。在系統(tǒng)中安裝液壓推移支架，能夠有效控制三機聯(lián)動設施。

4.5 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)就是在采煤機、液壓支架、各轉載點、膠帶機機頭工作面采煤區(qū)域安裝視頻監(jiān)控裝置，監(jiān)管工作堆煤、液壓支架位置實際狀態(tài)，使視頻畫面可及時到地面監(jiān)控中心。

5 智能化綜采工作面自動化高質(zhì)量技術功能

5.1 順槽集中控制系統(tǒng)

借助集中控制系統(tǒng)操控臺，可以對工作面上的各機電設備展開適當設備控制。如作業(yè)面液壓支架、破碎機、刮板運輸機、轉載機、帶式輸送機啟停作業(yè)。作業(yè)面機械設備集中控制系統(tǒng)相互配合，使采煤機、刮板輸送機、液壓支架等實現(xiàn)相互聯(lián)鎖目標。在作業(yè)面機電設備出現(xiàn)故障的情況下，可在系統(tǒng)主界面上顯示設置故障類型、故障發(fā)生部位。系統(tǒng)可以利用工作面中的各類傳輸裝置收集刮板運載機、帶式輸送機等運行參數(shù)，精準控制產(chǎn)能及采煤機牽引速度與推進速度，控制支架超前移架運動。

5.2 電液控制系統(tǒng)

借助電液控制裝置，能夠對液壓支架工作阻力、位置、推進速度、液壓狀態(tài)、支架運行情況進行實時監(jiān)控，實現(xiàn)單支架、多支架自動控制升降與前移目標。操作人員通過軟件修復工作面的方式，可以將控制系統(tǒng)應用在不同地質(zhì)條件以及采煤機作業(yè)面處。借助系統(tǒng)監(jiān)控作業(yè)面、采煤機割煤深度，判斷支架位移情況，實現(xiàn)作業(yè)面自動割煤、自動移架、推溜等目標。操作人員可以借助系統(tǒng)軟件自動設定相關指令工作。系統(tǒng)運行期間可以監(jiān)控支架立柱的初期支撐情況，避免支架卸壓問題出現(xiàn)，從根本上提升支架的支撐力，保障支架的強度與穩(wěn)定性。

在自動化傳感系統(tǒng)運行期間，各類傳感裝置接收的數(shù)據(jù)需要進行系統(tǒng)分析處理，并發(fā)出急停、閉鎖以及報警等動作指令，使操作人員能夠對故障進行及時處理。

5.3 液壓支架、采煤機控制系統(tǒng)

當前，智能化綜采設備中的液壓支架控制系統(tǒng)高壓化、高速化、智能化特征日益顯著。但由于乳化液泵站的運行壓力與運行速度不斷提高，實際運行過程中的負載慣性會持續(xù)增大，系統(tǒng)超調(diào)增大，運行期間的精準度難以得到根本上把控。通過使用預測控制系統(tǒng)，能夠對液壓支架控制系統(tǒng)運行振動、沖擊力及精準度進行嚴格控制。借助控制對象模型以及系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)，計算出預測輸出值，統(tǒng)計系統(tǒng)誤差變化情況，從而對液壓支架控制系統(tǒng)運行過程中的誤差的問題進行前期預控。

結合液壓支架控制系統(tǒng)運行特征，優(yōu)化數(shù)據(jù)預測模型結構，基于整體角度出發(fā)，分析預測實際運行過程中的動態(tài)規(guī)律變化情況，并對系統(tǒng)運行期間的效果進行預測及管控。由于液壓支架控制系統(tǒng)的預測數(shù)據(jù)與其運行結構密切相關，在預測數(shù)據(jù)較少、液壓支架控制系統(tǒng)極易受到不良因素影響的情況下，還應當配合使用濃度預測手段，更好地滿足設備不同運行環(huán)節(jié)的精準度預測要求。相較傳統(tǒng)控制手段，預測控制系統(tǒng)具有算法簡單、結果實質(zhì)性強等特征，能夠對液壓支架控制系統(tǒng)運行狀態(tài)進行全面監(jiān)管。在液壓支架控制過程中，可以連續(xù)進行單向操作實現(xiàn)自動化控制功能。由于井下頂板所處的環(huán)境較為復雜，支架也難以發(fā)揮出良好作用。為避免采煤期間采煤機切割效果受到不利影響，還可以借助人干擾操作裝置，對系統(tǒng)運行參數(shù)進行自動化調(diào)整。

采煤機控制系統(tǒng)中的魯棒性主要就是在控制系統(tǒng)運行期間受到某因素影響，但依然能夠保持穩(wěn)定可靠運行狀態(tài)的性能?？刂葡到y(tǒng)魯棒性對智能化綜采設備綜合運行水平的影響較大，決定著控制系統(tǒng)的實際應用效果。

采煤機內(nèi)的柔性機械臂的耦合性及非線性特征顯著，屬于多輸入及多輸出的分布式參數(shù)設備。在該系統(tǒng)運行過程中，應當將大幅度整體運動及小型彈性振動情況耦合在一起，具有逆運動學及各種不確定因素，動力行為復雜性較為顯著。為了有效控制柔性采煤機運行狀態(tài)，需配合使用魯棒控制系統(tǒng)，結合滑模變結構，對采煤機運行全過程的參數(shù)進行嚴格管控。為了有效克服非結構的不確定性及振動影響，還需要在傳統(tǒng)意義的魯棒性控制系統(tǒng)基礎上配合使用軌跡跟蹤的準靜態(tài)補償控制方式，從根本上提升跟蹤目標軌跡的控制精準性。

5.4 煤流系統(tǒng)自動化技術

在現(xiàn)階段我國煤礦企業(yè)發(fā)展期間，煤流系統(tǒng)也成為煤礦生產(chǎn)的重要設施之一。通過使用煤流自動化技術手段，可以對煤礦綜采進行綜合性監(jiān)控，推動我國煤礦行業(yè)的發(fā)展進程。在現(xiàn)階段煤流系統(tǒng)自動化技術應用期間，可以從圖像方式分析煤炭類煤料成分，準確計算出煤炭產(chǎn)量。配合使用工作職能預警技術手段，改善煤流工藝，設計出適應煤流的啟動式的裝置，從根本上提高煤流運轉水平，進一步延長設備運行全生命周期。通過實現(xiàn)免流遠程數(shù)據(jù)采集與應用目標，能夠有效改善控制工藝，設計出的煤流系統(tǒng)能夠更好地適應啟動設備，提高煤炭產(chǎn)量，降低設備運行期間故障的發(fā)生概率。在不斷完善遠程監(jiān)控系統(tǒng)的前提下，實現(xiàn)無人化綜合開采煤礦目標，推動煤礦產(chǎn)業(yè)智能化、自動化發(fā)展進程。

5.5 采煤設備綜合管理信息平臺

為加強智能化綜采設備安裝、運維全過程監(jiān)管力度，切實提升項目開展信息化水平，為智能化綜采設備安全穩(wěn)定運行營造出更加穩(wěn)定的技術環(huán)境，最大化綜合效益。配合使用功能完善的自動化倉儲管理系統(tǒng)，做好設備備品及備件管理工作，建立設備物品臺賬，要對設備現(xiàn)存情況進行統(tǒng)計與分析，避免在設備管理過程中出現(xiàn)備件浪費或者缺失等問題出現(xiàn)。具體而言，自動化技術在煤礦綜采機電設備管理中的應用方向主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）資料收集。在構建煤礦綜采機電管理信息化平臺過程中，需要首先開展基礎資料的錄入工作，為后續(xù)設備信息化管理提供充足的數(shù)據(jù)支持。現(xiàn)有智能化綜采設備基礎資料主要包括設備的分類編號、設備運行狀態(tài)、設備使用地點。依照數(shù)據(jù)錄入時間，快速查詢當日設備管理工作的開展情況。

（2）設備運行。煤礦綜采機電設備信息化管理平臺中的設備運行管理工作涉及巡檢記錄、維修記錄、巡檢提示等內(nèi)容。其中，巡檢記錄主要就是記錄巡檢人員、巡檢部門的巡檢時間以及機電設備巡檢結果；維修記錄主要就是維修人員對巡檢記錄中發(fā)現(xiàn)的設備安全隱患進行維修處理，同時記錄下維修設備所處位置、維修人員、維修結果等；巡檢提示需要根據(jù)巡檢記錄上報的巡檢時間進行機電設備運行狀態(tài)評估工作，幫助管理部門發(fā)現(xiàn)存在于機電設備管理中的不足之處，為優(yōu)化機電管理機制提供重要數(shù)據(jù)支持。

（3）設備保養(yǎng)。設備保養(yǎng)工作也是煤礦綜采機電設備管理的重要一環(huán)，需要在記錄設備保養(yǎng)全過程中著重收集保養(yǎng)設備編號、參與部門、保養(yǎng)人員、設備當次保養(yǎng)時間與下次保養(yǎng)時間。借助設備保養(yǎng)提示功能，對每臺設備的固定保養(yǎng)周期進行必要提醒，使不同種類的機電設備均能夠得到及時保養(yǎng)，從根本上降低設備故障問題發(fā)生概率。

（4）系統(tǒng)設置。煤礦綜采機電設備信息化管理系統(tǒng)設置工作可以將設備巡檢、設備保養(yǎng)以及設備運行狀態(tài)評估報告以不同形式傳輸給各部門或工作人員手中。如發(fā)送郵件或站內(nèi)信等，使機電設備管理工作中的各類信息均能夠實現(xiàn)公開共享目標。

（5）數(shù)據(jù)分析。對煤礦綜采機電設備綜合數(shù)據(jù)進行有效分析，依照日期等標準對煤礦現(xiàn)有設備狀態(tài)信息、巡檢信息以及設備保養(yǎng)情況進行統(tǒng)一收集與整理，并將階段性機電設備運行狀態(tài)以曲線等方式繪制出來，使機電設備運行安全性與可靠性能夠更直觀地展現(xiàn)出來，為設備管理部門的信息化建設工作提供重要方向，為實現(xiàn)煤礦綜采機電信息化管理目標奠定堅實的技術基礎。

6 結語

總而言之，在現(xiàn)階段煤礦綜采智能化工作開展期間，需要配備完整的工作設施，對煤礦綜采工作進行升級。綜采工作面智能化屬于系統(tǒng)化工程，在人工智能技術實際應用期間需要綜合采礦場環(huán)境、采礦工藝、邏輯控制裝置等耦合因素。將機器視覺系統(tǒng)應用在工作面期間，還需要注重分析水務干擾等因素，進一步擴大人工智能化系統(tǒng)綜采工作面的適用范圍，推進煤炭行業(yè)的智能化發(fā)展進程。