綜采工作面智能化開采關鍵技術研究

成文福 孫志平

（國家能源集團國源電力有限公司，北京 100033）

煤炭作為我國當前階段市場經濟發展過程中最為基礎的能源之一，在我國能源資源消費總量中所占比例高達94%，為我國國民經濟的發展提供了堅實的能源保證。根據開采方式的不同，目前國內煤炭開采方式一般可以分為露天開采和井工開采2種。井工開采模式在我國的應用最為普遍，所占比例＞90%。作為井工開采過程中至關重要的生產空間，采掘工作面對于煤炭開采的整體效率具有決定性的影響。通常情況下，采掘工作面包括掘進工作面和回采工作面2種。兩者的比例一般為3∶1左右。現階段，回采工作面的機械化程度普遍較高，通常在90%以上[1]。事實上，隨著當前階段綜采工作面智能化技術、自動化技術以及信息化技術的不斷發展和完善，綜采工作面的整體生產效率得到了極大的提升，但是在客觀上加劇了礦井采掘銜接矛盾，給井下生產作業的安全性帶來了較大的負面影響。除此之外，煤礦災害事故多集中于采掘工作面。從相關部門提供的統計數據來看，掘進事故在近年來我國煤礦安全事故中所占比例高達40%以上，是目前國內煤礦重大事故的多發點。在當前的市場經濟環境下，我國井下作業煤炭綜掘工作面的工作人員，仍然面臨著高濕度、高粉塵以及高噪聲的操作環境，同時存在瓦斯爆炸、地壓沖擊以及底板突水在內的多種高風險因素。從該角度來說，采掘工作面不僅是當前階段煤炭開采過程中工作環境最為惡劣、安全性最低的工作場所，而且是自動化水平最低的作業環境。因此，對采掘工作面自動化技術進行研究，具有重要的現實意義和理論價值。

1 智能化開采技術的應用現狀分析

與國外發達國家相比，我國煤礦綜采工作面智能化開采技術相對落后。但是，經過多年的發展，國內煤礦綜采工作面智能化開采技術已經逐漸被應用到煤礦生產工作中[2]。借助煤礦綜采工作面智能化開采技術，煤礦企業的日產量大幅提升，開采效率提高，同時智能化監測方式的使用也進一步延長了煤礦的開采時間[2]。隨著我國煤礦開采技術的發展，煤礦自動化開采效率與可靠性大幅提升，煤礦開采技術逐漸向智能化方向發展，煤礦開采設備利用率大大提高，傷亡事故率大幅降低[3]。當前國內煤礦綜采工作面智能化技術主要包括遠程管控采煤技術和智能無人采煤技術。

煤礦綜采工作面工作環境通常比較復雜，工作空間較小，周圍環境的溫度和濕度較高，同時還有大量的煤塵。技術人員在操作時如果遇到瓦斯爆炸、透水等事故時就會產生傷亡事故。煤礦綜采工作面設備系統復雜，依靠人工操作不可避免地會出現一些操作不當的情況，使設備安全性得不到保證。因為不同設備的運行狀態是獨立的，相互之間不能有效融合，也不能集中控制和處理，所以加強時煤礦綜采工作面智能化開采技術的研究具有非常重要的意義。

當前國內煤礦綜采工作面智能化開采技術中存在以下3個方面的問題：1） 綜采自動化與智能化設備的可靠性較低，尤其是一些高精度儀器的關鍵元器件、部位可靠性仍存在差距。2） 綜采過程中精準定位、煤巖界面區分、三維地質模型模擬等發展還存在很大的不足。3） 煤礦生產系統的布局與優化、自動化開采配套設施上線使用和綜采智能化技術發展之間還存在差距，甚至在一定程度上制約了綜采智能化技術的應用。

2 綜采工作面智能化開采技術體系設計

2.1 綜采工作面智能化開采工序

煤礦綜采工作面智能化開采體系以煤炭為輸入對象，以煤炭、支護巷道為輸出對象，以傳感器、控制器和視頻等為基礎，通過電液控制模式實現智能化開采[3]。因為煤礦綜采工作面的信號較多，并且有些信號之間存在一定的交叉，所以信號繁雜。綜采工作面智能化開采包括探測工序、生產作業工序和視頻工序。其中，探測主要對巖層、地質和瓦斯含量等進行測量；生產作業分為煤炭切割、巷道支護以及輸送等；視頻包括瓦斯檢測和供電排水等。

2.2 綜采工作面智能化開采控制系統

煤礦綜采工作面智能化開采控制系統主要包括視頻監控系統、圍巖探測系統與生產控制系統塊3個子系統，具體如圖1所示。

視頻監控系統借助虛擬現實基礎建立三維采礦環境，實現對采礦工作的模擬。通過視頻監控技術可以實現與操作人員的互動，了解不同模擬空間的運行情況。視頻監控可以對空間的狀態、物體運行情況以及周圍事物進行了解，實現相關運行設備的動態化圖像監控。

圖1 采掘工作面智能化開采控制系統圖

生產控制系統以采煤技術需求為基礎，可以設計多種運行方式，實現對聯動管控刮板運輸機與支架的協調。通過先進的傳感技術實現采煤機支架運行狀態信息采集工作，對采煤機具體位置和運動軌跡進行預測，使閉鎖采煤機和其他設備可以有效聯動。通過應用智能采煤機設備可以對煤炭分界進行自動探測，以采煤技術為基礎形成系統化的煤炭開采體系。監控中心的采煤機遠程操控平臺可以對采煤機的位置進行監測，并且對采煤機的運行情況進行了解。然后，煤礦機器人與智能化裝置可以替代原有的人工運輸方式，促進運輸系統的智能化。煤炭、材料與補給的智能化控制會受到綜采工作面的空間、搬運等的影響。

圍巖探測系統主要對采煤機周邊的圍巖情況進行自動探測。隨著智能化控制技術的發展，新型煤炭開采設備逐漸被應用到生產中，煤炭產量大幅提升，由于瓦斯隨之大量涌出，因此對回采巷道斷面提出了更高的要求。大斷面巷道與普通斷面巷道破壞規律相同，在巷道開挖后需要采取有效的支護措施，避免巷道破壞區與塑性區變大。破壞區和塑性區的擴散也需要時間，如果能及時對煤炭巷道采取高預緊力錨桿支護措施，就可以提升煤炭的峰值和強度，保證巷道穩定。所以，采用高預緊力錨桿支護是圍巖變形控制的關鍵。在進行綜采面智能化開采時需要對巷道變形進行探測與智能控制，對大斷面巷道圍巖穩定機理與變形進行分析，實現對圍巖變形的及時預測，達到智能化控制煤炭開采的目的。

2.3 綜采工作面智能化的實現

2.3.1 全自動控制啟停技術

以一鍵啟停為核心的全自動啟停技術，在實際應用過程中能夠有效控制掘進面的相關功能，例如泵站啟停、刮板輸送機啟停等。通過對工作面綜采設備的整體運行工況的實時監控，相關操作人員在發現問題后可以快速切換到手動操作模式，對設備的運行模式加以干預和控制。

2.3.2 自動化高效協同技術

在實際的應用過程中，行走編碼器和行程傳感器的有效配合，為采煤機智能控制系統的正常運行提供了基礎性的支持，是記憶割煤、遠程干預等功能順利實現的基礎。根據存儲系統中的記憶曲線，結合調高系統的反饋信息，調整滾筒的位置參數，然后借助編碼器的記憶運算能力，對采煤機的整體運行距離進行計算，最終完成煤炭的自動切割、開采。按照工作視頻以及主機系統所提供的信息，操作人員可對其進行遠程控制。同時，增加了多個傳感器，例如護幫板傳感器、傾角傳感器和測高傳感器等。其中，護幫板傳感器主要用于判斷護幫收起的位置是否符合要求，避免液壓支架影響煤炭采割。在單個支架移動時間為15 s 的情況下，可支持采煤機以0.1 m/s的速度前進。采煤機按照記憶曲線的“象限”分割，精確整合支架全工作面和采煤機階段點，為煤炭開采自動化水平的有效提升提供了極大的支持。

2.3.3 三控融合技術

在實際操作中，需要串聯控制系統、CST控制系統以及自動化控制系統。在實際的應用過程中，CST自行控制CST離合器流量、輸出比例、輸出溫度、比例閥輸出以及輸出壓力等相關參數，并且在出現故障信號后可自行停車。監控系統在這里主要負責皮帶的帶速、張力以及煙霧等相關保護參數的控制。綜采SAM系統將多種信號進行有機融合后，實現對操縱指令的收發。從整體上來說，系統負責開停機信號、執行語音；自動化控制系統提供指令；CST根據命令按照“三控”邏輯方式運行，從而提供一鍵啟停功能。

3 綜采工作面智能化管理體系構建

3.1 頂底板生產工藝體系構建

3.1.1 數據處理

采區煤層數據中增加生產實測數據，提高頂底板數據的精準性，同時通過一定的算法對采區煤層進行剖切，獲得頂底板剖面數據。

3.1.2 頂底板模型環境建立

結合綜采面邊界數據，建立綜采面頂底板模型環境，達到不同條件下頂底板數據轉化的效果，為頂底板模型環境建立提供基礎。在一定條件下，通過計算機算法將頂底板數據以工作面推進的順序進行排列，產生相應數據鏈，促進頂底板模型的建立，方便后期數據獲取。

3.1.3 頂底板生產工藝模型構建

在對頂底板數據進行處理之后，采用科學的模型構建方

法直接決定了綜采面生產工藝模型的成敗。在使用AutoCAD進行分析后，可以看出頂底板模型分為直線、多段線和曲線等。該文所采用的頂底板生產工藝模型構建方法具體為，通過數據構建多段線，把多段線擬合成圓弧樣條曲線，在該基礎上建立煤層底板剖面模型。

3.2 采煤機生產工藝體系構建

采煤機生產工藝也是綜采面生產的關鍵環節。

3.2.1 數據來源和處理

采煤機生產工藝模型中的數據包括2個部分，即一刀煤頂底板剖面模型數據（主要指一刀割煤頂部的實際截割線和割煤底部實際截割線數據）和采煤機模型參數，這2類數據對采煤機是否可以正常運行有直接影響。按照數據的來源把采煤機生產工藝數據劃分為2類，把不同數據按組進行編號，得到采煤機生產過程數據鏈，為后期數據的獲取提供方便。

3.2.2 采煤機生產過程環境構建

采煤機進道完成以后，開始進行正常割煤時，采煤機應在1個平面內進行作業。建立采煤機生產過程環境，為采煤機模型構建提供方便。在過程環境構建時，以采煤機推進方向作為X軸正方向，頂板方向作為Y軸正方向，建立采煤機生產過程環境。

3.2.3 模型構建

頂底板模型通過單位圓弧來建立，采煤機三維模型包括前后滾筒、搖臂和截齒等部分。在對采煤機割煤工藝進行分析后，按照單位圓弧半徑大小建立相應的采煤機滾筒模型。如果采煤機滾筒半徑小于單位圓弧半徑，那么可以通過單位直線模型來代替單位圓弧模型，如圖2所示。

采煤機滾筒割底煤模型和割頂煤模型類似，也包括上述幾個部分，可以將滾筒模型設置在底板模型上。以一刀煤頂底板剖面模型為基礎進行采煤機滾筒割煤模型誤差分析。在該文的研究模型中，誤差來源包括2種，1種是用直線模型代替圓弧模型產生的誤差，還有1種是頂底板單位圓弧用單位直線模型進行替代時所產生的誤差。

圖2 滾筒割煤模型

3.3 液壓支架生產工藝體系構建

3.3.1 液壓支架生產工藝數據來源

該生產模型數據來源包括液壓支架三維模型數據、頂底板模型數據和刮板輸送機單元模型數據。

根據液壓支架移動原理，按照液壓支架生產工藝過程確定液壓支架升架和降架為同一模型，具體幾何關系如圖3所示。

3.3.2 液壓支架生產工藝體系模型構建

液壓支架生產主要分為降架、移架、升架和支架微調等。以液壓支架生產工藝為基礎，通過支架移動原理分析把支架升架和降架構造為同一模型。

采煤機割煤作業開始以后，要做好支護，調整液壓支架位置，確保工作面支護有效。

圖3 液壓支架升降模型

3.4 刮板機生產工藝體系構建

3.4.1 刮板機生產工藝體系構建數據來源

因為刮板輸送機和液壓支架互為支點，所以刮板輸送機的數據來源包括液壓支架推溜數據與自身輸送數據2個部分。

3.4.2 刮板機生產工藝體系模型構建

刮板機液壓支架推溜工作主要通過液壓支架和刮板輸送機共同作業完成，推移步距和采煤機的截深相等。

4 結語

智能化技術是我國煤炭生產無人化趨勢的必然要求。隨著煤炭自動化開采水平的不斷提升，現階段對采掘工作面智能化控制系統的性能提出了更高的要求。巷道監控中心引入網絡數據傳輸視頻信號，極大地提高了實時監控的效率；而采掘裝備自動化水平的全面提升，也提高了采掘效率，降低了人工成本，進一步推動了煤炭開采技術的安全、智能化發展。煤礦推進智能化開采是保證安全生產，降低作業人員勞動輕度，提升煤炭產業工人幸福指數的重大變革和歷史性轉變，是國家的要求，也是企業的需求，更是廣大煤炭產業工人的需求，一定要大力推動5G、智能裝備和精密監測監控等設施的升級，早日全面實現智能化開采。