煤礦井下智能化高效綜采技術的應用研究

張 潔

（山西煤炭運銷集團金山煤業有限公司， 山西 臨汾 041000）

引言

煤炭資源作為一種重要的能源，為人類社會的發展進步提供巨大的助力，特別是隨著以煤炭資源為依托的冶金、電力等行業的迅猛發展，整個社會對煤炭資源依舊保持著旺盛的需求，同時隨著人力、運輸成本的不斷增加也對煤炭生產企業造成了極大的經濟壓力，因此需求不斷提效、降成本的方法[1]。

煤礦井下的綜采主要是由采煤機、刮板輸送機及液壓支架共同協調完成，在綜采作業時由人工根據綜采進度分別對采煤機、刮板輸送機及液壓支架的作業狀況進行調整，受井下惡劣的作業環境影響，在實際調整時經常造成不同步，導致綜采作業停止，不僅對井下作業人員的安全造成了極大的威脅而且極大地影響了煤礦井下的作業效率，因此實現采煤機、刮板輸送機及液壓支架的聯合控制，不僅可以降低井下作業人員的數量而且可以降低因人工調節不同步造成的綜采作業間斷，大幅提升井下作業的安全性和綜采效率。

1 “三機”聯動控制要求

采煤機在執行綜采作業時需要確保落煤量能夠滿足刮板輸送機的安全運量，避免出現空載或者過載運行，因此其在截割時的截割滾筒的轉速和牽引速度需根據刮板輸送機的運輸能力綜合設定，同時采煤機工作時的位置及牽引運動的方向及速度也直接決定著液壓支架的推溜位置和站位，采煤機牽引速度計算可表示為：

式中：vc為采煤機截割作業時的牽引速度；Qm為刮板輸送機的額定輸送能力；Kg為輸送機運量的安全調節系數，常取1.2～1.4；m為綜采面煤壁的厚度；S為截割滾筒截齒的截割深度；C為煤炭的采出率，取0.94；γ為煤炭的容重。

液壓支架在工作時需根據監測到的采煤機的坐標進行相應的調整，在需要移架時，根據與采煤機的相對位置，計算出需移動的方向和行程，由液壓系統控制完成護幫板收放、移架、頂升及支護作業，在移動過程中為了避免出現漏支護導致的煤層頂板塌陷，需確保移位速度大于采煤機的牽引速度[2]，即：

式中：vs為液壓支架的移位速度；ns為同時移位的液壓支架的數量；t為液壓支架的追機速度；L為相鄰液壓支架的中心距。

刮板輸送機在工作時的負載情況可通過對輸送機驅動電機的工作電流的監測來體現，當電機工作電流超過額定工作電流的90%時可向采煤機發出過載信號，降低采煤機的綜采速度，當工作電流低于額定工作電流的70%時，則向采煤機發出指令控制，采煤機加快綜采效率確保刮板輸送機的連續運量，從而確保刮板輸送機工作時的可靠性和使用壽命。

2“三機”聯動控制系統總體方案

煤礦井下采煤機、刮板輸送機及液壓支架聯合控制系統中系統需要通過刮板輸送機的負載狀態信號不斷地調整采煤機的截割速度和牽引速度[3]，根據監測到的采煤機的綜采位置，對相應位置的液壓支架的工作狀態進行調整，聯合控制系統的總體結構如下頁圖1所示。

為簡化系統結構，增加控制的精確性和反應速度，本文將該聯合控制系統分為設備層、監控層及管理層三個部分，設備層是指布置在采煤機、刮板輸送機、液壓支架上的各類傳感器設備及各類的信息傳輸和發送設備，其主要用于將各機械設備的運行狀態實時傳輸到聯合控制中心，完成同步協調。監控層主要由不間斷電源、聯動控制設備及監控系統組成，主要用于對“三機”的位置狀態進行監測，以便實現自動和遠程聯動控制，管理層主要是由設置在地面管理中心的各類儲存、顯示及控制設備組成，用于遠程對井下各設備的運行狀態進行監測和控制。

圖1 “三機”聯動控制系統總體結構示意圖

3 采煤機聯合控制技術

在聯合控制系統中對采煤機的控制主要包括對截割負荷（控制落煤速度）和牽引速度的控制，牽引速度包括在巷道內的左側牽引和右側牽引，在工作時系統監控設備將刮板輸送機的負載信息、采煤機的牽引速度及方向傳遞給控制中心，系統控制器根據預設的分析軟件的分析，發出對采煤機牽引速度調整的信號，同時通過采煤機的變頻調速系統確保采煤機截割負荷滿足調控要求，在聯合控制系統中采煤機的聯動工作過程如圖2所示。

圖2 采煤機的聯動工作邏輯示意圖

4 液壓支架電液控制技術

在聯合控制系統中，系統將監控到的采煤機工作時的位置和位移信息傳遞給邏輯控制系統，邏輯控制系統根據采煤機的工作狀態及下一步的位移情況，控制相應位置的液壓支架進行支護、收撤、移位作業，液壓支架的各種動作的執行主要是通過電液控制系統完成的[4]，其結構如圖3所示。

液壓支架各種動作的執行主要是由支架控制器進行控制的，支架控制器之間利用CAN數據總線實現連接，在工作時通過紅外傳感器進一步確認采煤機的相對站位，通過各種壓力和位移傳感器實現對液壓支架動作執行情況的監控，實現對液壓支架工作狀態的聯合控制，隔離耦合器主要是將不同控制器的電源相互隔離，降低工作過程中對相鄰控制系統的電磁干擾，確保控制系統動作執行的可靠性和靈敏性。

圖3 液壓支架電液控制系統結構示意圖

5 聯合控制系統通信技術

在聯合控制系統中，需要同時控制的機械設備多，動作復雜，在同一時刻需傳遞的各類數據信息量大，對各類數據信息數據的精確性要求較高，因此開發了新的聯合控制通信技術，其結構原理如圖4所示。

圖4 聯合通信系統結構示意圖

該聯合通信系統主要包括井下聯合通信系統和地面管理通信系統，井下系統主要用于對現場監測數據的傳輸及上傳，完成各控制設備之間的數據通信和控制，地面管理通信系統通過ICP通信協議與井下通信系統連接，完成地面和井下的數據信息交互。

6 結語

根據煤礦井下刮板輸送機、采煤機、液壓支架的工作情況以及實際工作經驗提出的采煤機、刮板輸送機及液壓支架聯動的控制要求和聯合控制系統，極大提升了煤礦井下綜采面工作的自動化程度，不僅實現了井下作業少人化、智能化的要求，而且極大地提升了煤礦井下的綜采效率，對煤礦生產企業提升綜采作業經濟性具有巨大的意義。