大功率薄煤層智能工作面電牽引采煤機研制

吳海雁，惠萬里，高曉光

(1.西安煤礦機械有限公司，陜西 西安 710032;2.西安科技大學 機械工程學院，陜西 西安 710054)

0 前言

我國薄煤層和極薄煤層約占煤炭儲量的20%，可采儲量豐富，貯存條件比較穩定，而且煤質較好。多年來，薄煤層，尤其是極薄煤層的開采技術與裝備處于較低水平，導致其產量僅為總產量的10%左右。隨著一些煤礦中厚煤層資源已近枯竭，且主采煤層機械化開采條件日益惡化，薄煤層逐漸變為主采煤層。近年來對薄煤層和極薄煤層的開采力度在逐漸加大?！秶夷茉纯萍肌笆濉币巹?(2011-2015)》指出“隨著大量資源被開發，開采的難度越來越大，復雜地質條件下的煤炭、油氣開采，以及低品位油氣資源的高效開發是今后的主要攻關方向”［1］。因此，研究薄煤層的電牽引采煤設備十分迫切。

目前中小型煤礦企業薄煤層和極薄煤層開采的機械化程度還比較低，特別是采高在0.75～1.3 m左右的煤層大多還是采用手工炮采或極薄煤層液壓采煤機，人員多、產量低、事故多、作業環境惡劣、設備維修操作不便。國內某些礦井雖使用了綜采裝備對薄煤層進行開采，但是三機裝備 (采煤機、液壓支架、刮板輸送機)配套性能不佳，生產效率較低，工作面生產能力很低。因此，研制高電壓、重型大功率、高可靠性智能化采煤機［2］，對于提高我國煤炭生產效率，提高煤礦生產安全，提升我國煤炭采掘設備裝備水平有著重要的意義。

1 智能化綜采工作面發展現狀及趨勢

為了實現煤炭生產的高效和安全，美國、英國、德國、澳大利亞等發達國家在綜采系統自動化、智能化等方面進行了卓有成效的探索和研究［3］，綜采設備的可靠性、安全性不斷提升，不僅大大提高了煤炭產量，更重要的是解放了生產力，保證了一線工人的生命安全。

近年來，實現少人甚至無人的自動化采煤是國際采礦界的熱點。美國和澳大利亞的煤炭企業在綜采工作面采用計算機技術、大功率電牽引采煤機、電液控制的液壓支架和具有軟啟動功能的刮板輸送機，實現了綜采工作面自動化及井下環境信息實時監測。在以刨煤機為核心的綜采工作面中，德國DBT公司研制的自動化刨煤機系統先后在俄羅斯、波蘭、墨西哥等國推廣應用。

我國煤礦地質條件復雜，智能化采煤技術發展相對落后。一些高校和科研單位相繼成功引進、消化、研發了采煤機數字控制與記憶截割系統、液壓支架數字控制系統、刮板輸送機和皮帶輸送機變頻調速系統、采礦機器人等先進的煤礦機電設備，對推進綜采工作面自動化奠定了一定的技術基礎。西安煤礦機械公司與中國礦業大學等單位，共同承擔了“煤礦井下采掘裝備遙控關鍵技術”863重點項目，取得了重要進展，為實現綜采工作面自動化進行了有益的探索［4］。西安科技大學與西安煤礦機械公司在綜采工作面記憶截割、自動調高等方面進行了深入研究。西安科技大學在自動化綜采工作面研究的基礎上，首次提出了智能工作面的概念，為實現少人甚至無人煤炭開采奠定了理論基礎。2007年3月，中國首個具有自主知識產權的自動化、信息化采煤工作面在山東東灘煤礦正式投產。2008年6月，神東煤炭公司榆家梁礦以進口設備為主，應用了采煤機記憶截割、支架跟機聯動、視頻監控、遠程干預的綜合自動化成套技術，建成了綜采工作面自動化系統，實現了無人跟機、遠程操作等功能。2009年2月，平煤股份六礦借助于國產設備，構建了綜采工作面自動化系統，具有可根據采煤機位置及方向自動控制支架、遠程記憶監控、采煤工作面“三機”聯動等功能。這些成績的取得，為推進我國綜采工作面的智能化奠定了良好的基礎。

薄煤層交流電牽引采煤機由于受機面高度、工作面條件等各種因素的影響，在功率、破巖能力以及可靠性方面急需改善［5］。西安煤礦機械有限公司研制大功率薄煤層智能工作面電牽引采煤機，提高薄煤層工作面采煤機自動化、智能化水平，發展在線監測與故障診斷技術，實現薄煤層采煤機工況檢測和預測維護，以適應薄煤層甚至極薄煤層復雜地質條件下的生產。

2 大功率薄煤層電牽引采煤機總體方案

西安煤礦機械有限公司在現有煤礦綜采工作面機電設備的基礎上，借助于計算機技術、傳感檢測與監測技術、智能檢測與控制技術、信號分析與處理技術、通信技術、機電一體化技術、系統集成技術等，構建智能綜采工作面，實現工作面少人化或無人化、設備運行智能化。

根據智能綜采工作面的系統模型，分析要實現智能綜采工作面各個子系統所需要的技術支撐，包括采煤機自主定位與自動導航技術、采煤機自動調高技術、煤巖自動識別技術、液壓支架電液控制技術、刮板輸送機自動推移技術、三機工況檢測和故障診斷技術、井下高速雙向通訊技術、組件式礦山軟件與模型技術，數據庫技術以及井下多傳感器技術，其技術框架如圖1所示。

圖1 薄煤層智能工作面電牽引采煤機技術框架Fig.1 Framework of electric haulage shearer for thin seam intelligent coal face

適合薄煤層開采的采煤機面臨的諸多難題，如薄煤層交流變頻電牽引采煤機總體方案、薄煤層電控箱設計與制造、大功率小尺寸截割部設計與制造、滾筒結構設計與制造等，其中降低機面高度，保證臥底量和過煤高度，減小機身尺寸，保證靈活性和整機穩定性，合理設計截割部和行走部，滿足大功率和小尺寸要求是方案設計的核心。

西安煤礦機械有限公司在長期采煤機設計經驗和大量現場調研的基礎上，承擔了2010年中煤集團重點項目“薄煤層少人或無人工作面MG2×200/925-AWD系列交流電牽引采煤機”的研制，該采煤機具有智能化、信息化、自動化能力，適應復雜地質條件下工作，可實現工作面少人或無人。系統主要技術參數如下:

裝機功率 2×2×200 kW+2×55 kW+2×7.5 kW

最大生產能力 1 200 t/h

牽引力 525～315 kN

供電電壓 3 300 V

牽引速度 0～11.3～19 m/min

煤質硬度 f≤4

主機重量 ～35 t

割巖硬度 f≤7

最大不可拆卸重量 ≤5 t

工作面傾角 ≤40°

配套運輸機 SGZ800(薄煤層用)

走向傾角 ±10°

機面高度 930 mm

過煤高度 330 mm。

2.1 采煤機控制系統

采用高可靠性、高性能的工業PCC做為控制核心，搭配先進的分布式I/O。PCC綜合了PLC和工業PC兩者的技術優勢，如PLC的高可靠性和定時時鐘，PC的多任務運行、高速運算力、良好的擴展性和開放通信等。PCC控制器能夠實現采煤機自動化所需的強大的數據處理能力及豐富的通訊能力，分布式I/O的選用減少了采煤機電控箱內的布線，系統具有良好的抗干擾能力，大大提高了采煤機電氣系統的可靠性。

2.2 采煤機機械結構設計

設計中大量應用現代設計方法，采煤機結構運動學、動力學分析及三維動態模擬，實現結構優化;開展基于虛擬現實的采煤機截煤理論與方法研究等，另外對薄煤層或極薄煤層采煤機機載或非機載、模塊化機構進行論證分析。

3 大功率薄煤層電牽引采煤機關鍵技術

3.1 采煤機與外圍設備雙向高速通訊技術

無人或少人智能工作面首先要求工作面各設備之間，工作面各設備與井下井上監控設備之間能夠高速可靠的通訊。

CAN總線技術在汽車行業已經應用多年，具有實時性強、傳輸距離較遠、抗電磁干擾能力強等特點［6］。采煤機內部裝有的大功率的變頻器相當于大功率電磁干擾源，再加上工作面條件復雜，以往工作面大多采用的Modbus通訊無法滿足采煤機的高速可靠與外圍設備之間的信息交換。因此，MG2×200/925-AWD采煤機上采用CAN總線技術來實現采煤機與外圍的信息交換。

3.2 采煤機記憶截割及采高數據遠程修正

國外采煤機制造廠家 (如美國JOY公司和德國Eickhoff公司)也一直把記憶截割作為他們最大的賣點，而國內還沒有成型產品［7］。

記憶截割是指由司機操縱采煤機沿工作面煤層高低起伏條件先割一刀，控制系統將行程位置等信息存入控制器，以后的截割高度均由控制器根據存儲器記憶的工作參數自動控制滾筒調高。若有煤層條件發生變化，則由司機手動操作割煤(作為位置高度的微調)，也可以遠程進行對位置的修正，并自動記憶調整過的工作參數，作為下一刀滾筒調高的工作程序。

MG2×200/925-AWD型采煤機在設計之初就把實現少人或無人工作面做為目標。為了實現記憶截割硬件方面做了以下工作:

(1)搖臂高度檢測。在采煤機左右搖臂上加裝了傾角傳感器用于測量采煤機的搖臂傾角，在搖臂油缸里加裝位移傳感器用來準確測量油缸位移，這兩個傳感器都是用來計算搖臂的采高的，以便準確記錄和控制采高。

(2)工作面端頭檢測。在采煤機左右行走箱加裝復位傳感器，在采煤機行走到機頭機尾時給煤機一個復位信號，防止采煤機掉道。

(3)采煤機位置檢測。加裝采煤機定位裝置，準確定位采煤機在工作面的位置。

MG2×200/925-AWD采煤機上的采高遠程修正系統實現方法:采煤機核心控制器PCC通過CAN總線與放置在順槽控制臺的采煤機遠程監控系統實現雙向高速通訊，在順槽控制臺可以實現采高遠程修正。

3.3 采煤機自主定位系統

采煤機實現少人或無人工作面的技術基礎是高速地下通訊系統和高精度地下定位、定向系統，中國目前這方面的研究尚處于空白，中國研制成功的首臺采礦機器人 (MR)也未很好地解決地下定位問題，而與GIS技術相結合的無人采礦定位技術更是在國內外處于空白階段，研究具有自主定位系統的采煤機是實現無人工作面的突破。

MG2×200/925－AWD型采煤機首次采用雙重自主定位。正常工作時利用安裝在采煤機行走輪上的定位傳感器通過計算行走距離來精確定位采煤機的位置，采煤機在行走到機頭機尾時通過復位開關同步確定機頭機尾;另外通過支架的紅外發射裝置來粗略定位采煤機的位置，這個位置信號只是用來輔助采煤機實現定位。

3.4 工作面組件式軟件與模型

災害智能預測預報系統、“采煤-環境”安全專家分析系統、無人采礦的模擬與決策系統的仿真、三機自動控制系統以及工況檢測與診斷技術，均以各類應用軟件與相關模型為工具，必須針對采煤工藝，研究建立相應的模型，開發多功能組件式軟件，實現薄煤層采煤機智能控制。

3.5 多傳感器融合技術

無人智能化采煤工作面采集各種信息需要大量的傳感器，多傳感器的配合使用、準確信息采集以及多傳感器融合處理技術等都需要進一步的研究。

3.6 無人工作面數據庫技術

根據數據庫的相關理論，結合煤礦無人工作面的生產情況，建立起相應的數據庫，實現對數據的增加、刪減、修改、查詢、報表打印等功能，同時為可視化技術提供三維數據，從而實現工作面信息的拓撲空間查詢、分析與應用及許多采礦安全問題的模擬、分析與預測。

4 薄煤層采煤機的應用前景

通過智能工作面薄煤層交流電牽引采煤機的研制和應用，為我國煤炭生產企業提供一種適應范圍廣、功率大、機身矮的多電機橫向布置機載交流變頻電牽引采煤機，從而提高我國采煤機械化水平，實現集成化控制，人機界面、數據采集、全過程運行參數顯示，故障診斷，遠程監控，基于記憶截割的自適應調高等功能，為我國今后實現全自動化控制回采工藝提供技術支持和發展方向，技術達到國內領先水平。

MG2×200/925-AWD無人化工作面薄煤層交流電牽引采煤機通過在陜煤集團韓城象山煤礦的井下工業性試驗，進一步提高采煤機機械設計方面的技術，完善采煤機自動控制系統，逐步取代進口同類產品。這種大功率、矮機身、機載較薄煤層交流電牽引采煤機補充了我國采煤機制造行業缺少的新品種，適應了市場發展的需求，將有良好的推廣應用前景。

［1］國家發展與改革委員會.煤炭工業發展“十二五”規劃［OL］.http://www.sdpc.gov.cn/zcfb/zcfbtz/2012tz/t20120322_468769.htm

［2］國家自然科學基金委.機械工程學科發展戰略研究報告 (2011～2020)［M］.北京:科學出版社，2011.6.

［3］張世洪，我國綜采采煤機技術的創新研究 ［J］.煤礦學報，2010，35(11):1898－1902.

［4］吳海雁.大功率、大采高電牽引采煤機的研制與應用 ［J］.重型機械，2010(6):9－13.

［5］李建平，杜長龍.我國薄與極薄煤層開采設備的現狀和發展趨勢［J］.煤炭科學技術，2005(6).

［6］侯勇濤，邱錦波，秦亮.CAN總線在采煤機監控系統中的應用 ［J］.煤礦機電，2006(6).

［7］姚美琴.采煤機滾筒高度記憶控制系統研究［J］.山西煤炭，2006(7).