綜采工作面智能化開采技術研究

曹哲哲

(陜西黃陵二號煤礦有限公司，陜西 延安 727307)

0 引言

智能化煤礦的基本構架按層次劃分可以分為感知層、傳輸層、平臺層與決策應用層4個階段。

感知層主要由感知層網絡構成，感知層主要實現感知、采集功能，通過RFD讀寫器、傳感器、監測監控等相關通信技術對礦井主要設備的運行情況、重大生產隱患、礦井生產系統與輔助系統是否正常運行進行實時監控[1]。傳輸層主要由有線接口和無線接口這2個重要架構組成，主要實現數據的傳輸與反饋功能，將來自感知層的采集數據傳輸至運行終端，形成可讀性較強的數據資料。目前，有線接口主要通過千兆以太網處理運行，無線接口主要以WiFi、ZigBee、WSN等自組網通信技術為核心進行數據的傳輸工作。傳輸層能夠編譯、處理多種制式信號并完成對數據的傳輸與反饋，是智能化礦井實現高效信息傳輸通道的重要環節。智能化煤礦平臺層是提供礦井基礎設施與通用軟件連接的服務平臺接口，平臺層擁有多種類型的數據采集、處理、存儲與檢索功能，能夠高效地完成數據挖掘與數據融合，實現對資料數據的交互控制與統一管理維護，是決策應用層的技術核心與服務接口[2]。決策應用層是基于智能化煤礦生產、運輸等工藝開發出的應用系統，具有危險源辨識、災害預警、事故分析、方案擬定等綜合功能，決策應用層是實現礦井生產管理人員與信息采集數據直接接觸的關鍵層，該層能夠將各種數據資料整合處理，形成可讀性較強、便于生產管理人員閱讀、分析的電子類資料[3]，決策應用層系統的關鍵組成部分主要包括人員定位系統、專家決策系統、網絡管理系統、智能生產系統、GIS定位系統等。

1 智能化開采技術特征

1.1 液壓支架跟機自動化技術

液壓支架跟機自動化技術是指以采煤機的位置為基準，結合礦井開采工藝，依據工作面頂板壓力、傾角、液壓支架姿態、采煤機運行狀態等信息，將整個生產過程劃分為不同的階段，確定合適的割煤工藝，自動決策并控制液壓支架中部跟機、端頭清浮煤、轉載機自動推進等動作，液壓支架跟機自動化工藝能夠有效保證工作面生產的銜接性，實現安全高效的生產[4]。

液壓支架跟機自動化工藝實現的主要條件包括：①采煤機位置的確定；②智能工作面設備處于正常運行狀態；③正確配置液壓支架電液控制系統的參數；④合理控制采煤機推進速度，保證工作面平穩推進。

1.2 采煤機記憶截割技術

采煤機記憶截割技術是指在實現液壓支架跟機自動化的基礎上，結合支架跟機階段和象限轉換點，將采煤機記憶割煤象限分割，按照示范刀所記錄的工作參數、姿態參數、滾筒高度軌跡，進行智能化運算，形成記憶截割模板，在自動截割過程中不斷修正誤差，確保工作面液壓支架全工作面自動化控制與采煤機記憶割煤切換的準確匹配[5]，實現自動調高、臥底、加速和減速等功能，降低人工干預的頻率，提高工作面自動化跟機生產效率。

1.3 工作面視頻監控技術

工作面視頻監控技術能夠將人的視聽感官延伸到工作面，通過在工作面安裝攝像儀，實時跟蹤采煤機，自動完成視頻跟機推送、視頻拼接等功能，為工作面可視化遠程監控提供“身臨其境”的視覺感受，指導遠程生產。

1.4 遠程集中監控技術

遠程集中監控系統用于在控制中心對三機、泵站和液壓支架等設備進行集中監測和控制，匯總三機、泵站、開關、電液控主機和采煤機主機的監控數據，再將這些數據分發給各個主機。遠程集中監控技術系統原理，如圖1所示。

圖1 遠程集中監控技術系統原理Fig.1 Principle of remote centralized monitoring technology

2 智能化放頂煤關鍵技術

2.1 振動法自動放煤

振動法自動放煤工藝是以振動傳感器為核心元件，通過感知識別不同硬度物體相互撞擊產生的信號差異，實現對煤矸的自動放落識別，尤其適用于礦井放頂煤開采工藝中煤矸硬度差異較大的情況。振動法自動放煤工藝分析感知流程主要包括：前端濾波平滑處理、電信號去降噪處理以及功率譜分析處理三大板塊。智能化工作面安設有多處傳感器，需借助信息融合算法對來自感知層采集的數據信號進行編譯處理，并將解析處理結果以信號指令的形式傳輸至液壓支架傳感器，從而實現對放煤口的開閉控制，完成液壓支架的智能放煤工序[6]。

在智能化工作面開采過程中，一般將振動傳感器安裝在綜放工作面液壓支架的尾梁處，通過連接裝置與液壓支架傳感器相連，實現數據資料的傳輸與交換，在放頂煤工藝中，振動傳感器通過感知識別煤矸放落時煤矸撞擊尾梁的振動信號，對煤矸的狀態進行分析識別，待識別完成后，通過連接裝置將識別結果傳輸至液壓支架傳感板塊，判斷煤矸放落的情況，當煤矸放落程度滿足系統定義的放落閾值時，由支架控制器執行放煤口的關閉程序，實現智能化自動放煤。

2.2 記憶模式自動放煤

記憶模式自動放煤是區分于振動法自動放煤工藝的另一種智能化放頂煤工藝，主要適用于地質條件穩定、區域構造良好、采煤工藝變化不大的生產礦井，放頂煤工藝具有一定的機械重復性與單調性，實現智能煤礦記憶模式的自動放煤，需利用采煤機的記憶截割功能，將采煤機記憶割煤象限分割，按照示范刀所記錄的工作參數、姿態參數、滾筒高度軌跡等基礎信息，進行智能化運算，形成記憶截割模板與完整的自動放煤程序，進行記憶放煤[7]。

在智能化工作面開采過程中，一般需將自動放煤控制器安裝在液壓支架上，利用放煤控制器的采集信息功能，將采煤機在現場示范進刀的工序、時序以及工作參數等關鍵信息進行記憶存儲，最后通過智能化處理運算，形成記憶截割模板與完整的自動放煤程序，實現智能化自動放煤。

3 智能化開采技術難題及應對措施

3.1 采煤機智能調高

采煤機智能調高是指采煤機根據不同煤層賦存情況自動調整搖臂高度，從而實現對煤層的精確截割，目前，智能化采煤系統主要通過記憶截割模板實現對采煤機搖臂高度的精確調節，該工序主要通過固定模式的截割曲線進行自動截割，無法適應煤層賦存情況復雜、變化趨勢較大的礦井生產。

從控制邏輯的層面分析，要想提高采煤機截割的精確度，需要實時感知煤巖體的分界面，實現對煤巖的精準區分與識別，由于煤巖體的賦存情況、物理特性具有極大的不確定性，加之雷達探測、紅外線探測等探測技術的影響難以實現精確的控制，因此，單一基于煤巖體分界面識別的采煤機智能調高技術并不能有效地適應煤礦智能化生產，要想實現對采煤機截割的精確智能化控制，應探索基于煤層地質信息精準預測、智能模擬模型推演、截割參數動態分析以及最佳截割曲線智能擬合方面的技術工藝，從而完成對礦井生產的精確化控制[8]。

3.2 液壓支架群組與圍巖自適應

液壓支架群組是煤礦進行機械化開采的關鍵性生產設備，目前，礦井基本實現了對液壓支架群組動作調整的自動化，但是針對支架動作準確度、一致性的控制，還存在著諸多不足，因此，對液壓支架群組與圍巖的智能耦合自適應的研究是必要的。

要實現液壓支架群組與圍巖的耦合自適應，要求液壓支架具有自主感知、智能調整支護參數以及隨工作面采動情況實時改變支護狀態的功能，液壓支架群組協同控制邏輯，如圖2所示。

圖2 液壓支架群組協同控制邏輯關系Fig.2 Logic relationship of hydraulic support group cooperative control

當前，為更好地實現液壓支架群組與圍巖智能自適應功能，需在以下幾方面進行研究創新。

液壓支架群組智能控制：目前，大多研究工作都以單個液壓支架為研究對象展開，而對液壓支架群組的支護特性鮮有研究，由于工作面礦壓具有一定的不確定性與非均勻性，因此，要實現對整個回采工作面的合理支護，必須將液壓支架群組作為重點進行深入研究，其研究方向可歸納為①研究液壓支架群組支護參數與支護應力場分布特性的關系；②研究液壓支架群組支護阻力變化規律；③建立液壓支架群組與圍巖的智能耦合條件[9]。

支架狀態自主感知功能控制：當前液壓支架的自主感知控制功能主要依據立柱壓力感知，對工作環境、巖層破壞程度的探測以及支架頂板破斷情況感知功能方面尚有很大的提升空間，優化支架狀態的自主感知控制功能，還應在提高工作面仰/俯角自動監測、健全液壓支架關鍵位置受力情況分析以及對工作面超前壓力的提前感知預報等方面展開深入研究。

支架結構自主調控控制：要實現對支架的智能化控制，優化支架的初撐力、工作阻力、護幫力以及推移速度是最重要、最關鍵的，在當前階段，礦井應加強對傳統支架結構的創新性調整，增強液壓支架的可調節范圍，以便適應特殊地質環境下對不同采高煤層的開采工藝。

3.3 工作面直線推進控制

液壓支架群組在推移的過程中受到工作面地質構造、工作面仰、俯采及浮煤對刮板輸送機推移行程以及推移耳軸的配合間隙等諸多因素的影響，每次推進距離都存在一定的偏差，累計的偏差往往會造成各液壓支架推移進度不一，刮板輸送機呈錯落不齊的狀態，影響工作面沿直線推進的現象，產生液壓支架“咬架”、刮板輸送機彎曲、啞鈴銷損壞等破壞，嚴重影響工作面安全生產的效率。當前，多數礦井主要通過拉線和紅外光束確定工作面直線推進的尺度，根據實際測量情況利用人工對刮板輸送機進行調直，該技術工藝效率較低，難以適應工作面智能化開采的需求。

針對此類難題，引入激光對位技術和慣導定位技術對工作面進行直線度智能化控制，其中，利用慣導定位技術應用效果良好，基本實現了對工作面直線推進的智能化控制，該技術在采煤機上安裝陀螺儀，實現對采煤機的精確定位，在采煤機的推進過程中，實時記錄采煤機的截割情況并繪制截割軌跡，液壓支架根據繪制的截割軌跡對推移行程進行修正，通過三方聯動實現工作面的直線推進。慣導調直采煤機軌跡曲線示意，如圖3所示。

A-修正后采煤軌跡線；C-實際采煤機軌跡線；B、D-理想軌跡線圖3 慣導調直采煤機軌跡曲線Fig.3 Track curve of inertial navigation straightening shearer

4 結語

隨著計算機技術的發展，生產的智能化已被應用于各個領域，近年來，隨著科學技術的進一步發展，使智能化走向煤礦開采工作面得以實現，文中著眼于智能化工作面的建設，詳細闡述了智能化煤礦開采關鍵技術，以液壓支架電液控制系統為基礎，形成了以液壓支架跟機自動化技術、采煤機記憶截割技術、工作面視頻監控技術、遠程集中監控技術、自動放頂煤技術為核心的五大綜放工作面智能化開采技術。對當前智能化開采存在的技術難題進行分析與思考，提出采煤機智能調高、液壓支架群組與圍巖自適應以及工作面直線推進控制等相關技術手段，旨在為智能化礦井的建設與推廣應用提供一定借鑒與參考。