綜放工作面智能化開采關(guān)鍵技術(shù)研究

徐東飛

(大同煤礦集團(tuán) 塔山煤礦，山西 大同 037003)

煤炭的智能化開采一直是煤礦人多年的夢(mèng)想，隨著《中國(guó)制造2025》的提出，國(guó)內(nèi)裝備制造技術(shù)的進(jìn)步使得煤礦智能開采成為可能，智能開采勢(shì)必會(huì)成為未來煤炭開采的主流。煤礦智能開采的原理是將傳統(tǒng)的煤炭生產(chǎn)工藝通過自動(dòng)化程序記錄下來，在生產(chǎn)過程中輔以多類傳感器進(jìn)行生產(chǎn)信息感知反饋，再通過控制器來將反饋信息處理并生成指令，從而實(shí)現(xiàn)工作面生產(chǎn)自動(dòng)化和智能化。國(guó)內(nèi)已在一次采全高綜采工作面進(jìn)行了自動(dòng)化開采嘗試，并取得了一定的成果[1-3]。本文在汲取前人經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)特厚煤層綜放工作面實(shí)現(xiàn)智能開采所遇技術(shù)難題提出了五項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，從而為特厚煤層智能化開采提供了解決思路。

1 智能開采關(guān)鍵技術(shù)

1.1 采煤機(jī)記憶截割關(guān)鍵技術(shù)

采煤機(jī)記憶割煤技術(shù)包括：采煤機(jī)精準(zhǔn)定位技術(shù)、記憶割煤技術(shù)、對(duì)環(huán)境的安全感知技術(shù)等，其中實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)記憶割煤的基礎(chǔ)是采煤機(jī)精準(zhǔn)定位。采集工作面兩端頭坐標(biāo)參數(shù)建立三維坐標(biāo)系，其中：工作面傾向投影設(shè)為X軸，沿工作面走向設(shè)為Y軸，鉛垂方向設(shè)為Z軸。考慮到在生產(chǎn)過程中，采煤機(jī)移動(dòng)速度最快，因此要建立以采煤機(jī)為坐標(biāo)原點(diǎn)的載體坐標(biāo)系：第一步要確定采煤機(jī)初始位置，第二步采用傾角傳感器來采集機(jī)身偏轉(zhuǎn)角和俯仰角，第三步采用慣性導(dǎo)航推算方法計(jì)算采煤機(jī)位置和姿態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)定位。

由于綜采放頂煤工作面煤層賦存厚度大，因此煤機(jī)采高基本保持不變。通過前期煤機(jī)運(yùn)行過程收集的煤層底板參數(shù)，再結(jié)合地質(zhì)資料來確定采煤機(jī)運(yùn)行在不同位置的下切深度，通過采煤機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)采高、牽引速度的實(shí)時(shí)控制。通過紅外感知傳感器感知定位液壓支架頂梁，確保頂梁不被采煤機(jī)割到。當(dāng)工作面地質(zhì)條件變化較大，原有程序不能較好地控制生產(chǎn)時(shí)，通過啟用人工干預(yù)的方法，來確保工作面正常推進(jìn)，如圖1所示。

圖1 采煤機(jī)記憶截割技術(shù)

1.2 液壓支架自動(dòng)追機(jī)移架關(guān)鍵技術(shù)

液壓支架自動(dòng)追機(jī)移架技術(shù)使液壓支架、采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)聯(lián)動(dòng)配合，協(xié)同運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)采煤工作面智能化。該程序的實(shí)現(xiàn)基于對(duì)放頂煤開采工藝流程、支架電液控制系統(tǒng)、采煤機(jī)實(shí)施精準(zhǔn)定位等多項(xiàng)技術(shù)的整合，并用編程語言表述。液壓支架通過電液控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)升降支架、推移刮板輸送機(jī)、伸縮護(hù)幫板等動(dòng)作。通過安設(shè)在支架上的紅外位置檢測(cè)裝置，實(shí)時(shí)將采煤機(jī)的位置信息傳送至支架控制器，當(dāng)采煤機(jī)運(yùn)行時(shí)，超前采煤機(jī)三架開始收支架護(hù)幫板，對(duì)應(yīng)采煤機(jī)支架實(shí)現(xiàn)自動(dòng)噴霧降塵，滯后采煤機(jī)三架位置進(jìn)行即時(shí)移架與護(hù)幫操作，隨后再推移刮板輸送機(jī)。液壓支架自動(dòng)追機(jī)移架工藝流程如圖2所示。

圖2 液壓支架自動(dòng)追機(jī)移架流程

1.3 智能放頂煤關(guān)鍵技術(shù)

利用“煤矸自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)”的煤巖識(shí)別技術(shù)可以改變單純依靠人工放煤的現(xiàn)狀，使得割煤、放煤、支護(hù)、運(yùn)輸?shù)日麄€(gè)循環(huán)自動(dòng)完成。之前煤巖識(shí)別技術(shù)主要借助于紅外線、超聲波、無線電波或射線等實(shí)現(xiàn)，但因工作面煤矸實(shí)際賦存條件復(fù)雜，上述技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性較差，下面介紹兩種具有工業(yè)實(shí)用性的煤矸識(shí)別放煤方法。

1) 振動(dòng)法自動(dòng)放煤。振動(dòng)法是依據(jù)不同硬度物體相互撞擊產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)的差異，通過分析和感知振動(dòng)信號(hào)來識(shí)別撞擊物，該方法特別適應(yīng)于開采過程中煤矸硬度差異大的實(shí)際情況。依靠振動(dòng)傳感器，識(shí)別煤炭和巖石撞擊液壓支架尾梁發(fā)出的不同振動(dòng)信號(hào)，并對(duì)傳感器所采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，具體過程為：前端濾波處理與平滑處理；電信號(hào)去噪處理；功率譜分析處理；最終依據(jù)功率譜值的差別對(duì)放煤過程中的煤炭和巖石進(jìn)行識(shí)別。由于現(xiàn)場(chǎng)安設(shè)多傳感器，需采用信息融合算法對(duì)采集信號(hào)數(shù)據(jù)綜合解析處理，然后將處理后的數(shù)據(jù)生成信號(hào)指令發(fā)送至液壓支架控制器，從而使放煤口適時(shí)關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)支架智能放煤。現(xiàn)場(chǎng)具體操作為：將煤矸識(shí)別傳感器安裝在綜放工作面液壓支架的尾梁下，通過連接器與支架控制器進(jìn)行連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。在放煤過程中，煤矸識(shí)別傳感器開始采集煤矸放落過程中煤矸撞擊尾梁的振動(dòng)信號(hào)，并將振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行煤矸放落自動(dòng)識(shí)別，識(shí)別完成后將識(shí)別結(jié)果實(shí)時(shí)傳輸給支架控制器。當(dāng)矸石放落滿足系統(tǒng)設(shè)置的煤矸放落閾值時(shí)，由支架控制器執(zhí)行關(guān)閉放煤口的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)放煤。

2) 記憶模式自動(dòng)放煤。基于現(xiàn)實(shí)工作面地質(zhì)條件較穩(wěn)定，每刀煤生產(chǎn)工藝變化不大，放頂煤是個(gè)單調(diào)重復(fù)工作，利用記憶功能將放煤操作人員對(duì)支架的控制過程記憶下來，在后續(xù)的放煤過程中，可以實(shí)現(xiàn)記憶放煤。現(xiàn)場(chǎng)具體操作為：支架安設(shè)自動(dòng)放煤控制器，控制器具備采集人工操作信息功能，通過先行人工示范，控制器將現(xiàn)場(chǎng)操作人員操作支架的工序和時(shí)序進(jìn)行記憶存儲(chǔ)，然后經(jīng)數(shù)據(jù)處理后形成一套自動(dòng)放煤程序，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)放煤。

1.4 工作面防片幫控制技術(shù)

將壓力傳感器安裝在支架護(hù)幫板處，當(dāng)工作面液壓支架打開護(hù)幫板支護(hù)煤壁時(shí)，壓力傳感器可實(shí)時(shí)將采集到的液壓支架護(hù)幫板對(duì)煤壁的支護(hù)壓力發(fā)送給液壓支架控制器，若壓力數(shù)值沒有達(dá)到規(guī)定值，支架則按照預(yù)先設(shè)定壓力自動(dòng)升緊護(hù)幫板，確保護(hù)幫板支護(hù)煤壁達(dá)標(biāo)，有效防止片幫危害。

1.5 液壓支架的姿態(tài)控制技術(shù)

在支架上安裝傾角傳感器，可進(jìn)行支架姿態(tài)檢測(cè)，并通過控制系統(tǒng)對(duì)支架在運(yùn)動(dòng)過程中的姿態(tài)進(jìn)行控制，當(dāng)支架的相關(guān)部件角度大于規(guī)定值或相鄰支架之間的角度大于限定值時(shí)，對(duì)支架動(dòng)作實(shí)施閉鎖控制，避免咬架和倒架等事故發(fā)生。

2 結(jié) 語

本文詳細(xì)介紹了實(shí)現(xiàn)特厚煤層綜放工作面智能化開采關(guān)鍵技術(shù)，以液壓支架電液控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，形成了以采煤機(jī)記憶割煤技術(shù)、液壓支架自動(dòng)追機(jī)移架技術(shù)、自動(dòng)放頂煤技術(shù)、工作面防片幫控制技術(shù)、液壓支架姿態(tài)控制技術(shù)為核心的五大綜放工作面智能化開采技術(shù)。該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，必將對(duì)促進(jìn)礦井減人、提效、安全生產(chǎn)，以及智慧礦山建設(shè)產(chǎn)生重要影響。