綜采工作面三機智能化應用研究

白新華

(呂梁學院 礦業工程系，山西 離石 033001)

能源是社會文明進步的基礎和動力源泉，煤炭資源仍然是我國的主要能源，在長久一段時期仍將占主導地位。煤炭能源智能、安全、高效開發與低碳清潔利用是實現我國煤炭工業高質量發展的核心技術支撐。近年來，隨著信息化、工業化技術的快速發展，以云計算、大數據、人工智能等為代表的的物聯網和大數據分析技術在采礦領域中獲得了長足的應用和發展；推動了煤炭產業向技術密集型轉變，煤礦井下智能5G工作面，智能化無人工作面等先進技術在煤礦開采工程領域逐步得到推廣和應用。在煤炭生產的各環節中，綜采工作面是所有生產環節中關鍵，對上承接災害治理、工作面準備等上游環節，其本身承載煤炭采落和運輸環節，對下銜接采空區、礦井后期管理等環節。綜采工作面生產中存在采煤機、液壓支架及刮板輸送機三種主要采煤機械，即通常綜采工作面“三機”配套、銜接、運行是保證煤礦綠色、安全和高效發展的重要因素之一。王國法等從政策層面上對智能工作面規劃做出了頂層設計，張建國等從綜采工作面智能化應用層面上作出了有益地探索，廣大科研工作者在一定程度上為智能化綜采工作面發展提供了理論支撐和技術支持[1-7]，也是響應“自動化減人，智能化無人，少人則安，無人則安”生產理念，為實現煤礦安全生產提供了有力保證[8-11]。為此，本文基于典型綜采工作面采煤機、刮板輸送機及液壓支架，“三機”配套、銜接和運行，進行智能化應用，希望對智能化綜采工作面建設進行有益地嘗試。

表1 工作面回采參數

1 試驗工作面概況

試驗礦井位于山西省西部呂梁煤炭區內，高瓦斯礦井，瓦斯絕對涌出量為8.94 m3/min，相對涌出量為4.72 m3/t，瓦斯含量小、瓦斯壓力低，井田內主采煤層煤塵有爆炸性和無自然發火傾向性；水文地質條件簡單，試驗工作面開采+830 m水平，工作面地表+1 085～+1 155 m，平均埋深300 m，無沖擊地壓傾向性。試驗工作面采用走向長壁式采煤方法，綜合機械化采煤工藝，全部垮落法管理頂板，較好的瓦斯地質條件為礦井綜采工作面提供了條件，綜采工作面基本情況如表1所示。

圖1 綜采工作面煤層柱狀圖

試驗工作面主采5#煤層，位于山西組下部，條痕為黑色，玻璃光澤，硬度為1.2，有一定韌性，參差狀、階梯狀斷口。工作面范圍內煤體結構較穩定，局部含有夾矸，夾矸總厚度為0.25 m，煤層厚度較穩定，平均厚度3.3 m；由試驗工作面巷道掘進期間揭露的地質情況推測可知，該工作面整體為一東高西低的單斜構造，煤層產狀變化較小，斷層較少，推測無陷落柱，無沖刷、風氧化等現象，不受巖漿巖等影響，工作面地質構造條件簡單。試驗工作面頂底板情況，直接頂為砂質泥巖，厚6.8 m左右，灰色砂巖長石分化成褐色斑點；老頂為中粒砂巖，厚3.6 m，深灰色砂質泥巖含大量的根化石；直接底為砂質泥巖，厚2.6 m，灰色砂質泥巖，含大量粘土質和根化石；老底為灰褐色細砂巖，厚2.8 m；6#煤層不穩定，局部出現在煤層底部，如圖1所示。

2 綜采工作面三機配套

表2 綜采工作面設備

圖3 采煤工作面慣導測量系統

綜采工作面三機裝備配套大系統方面要遵循一定的原則來實現相互配合、協同，主要包括系統生產能力、工作性能、幾何尺寸、系統壽命等方面的配套要求，主要內容由采煤機破落煤能力要大于工作面的設計要求生產能力，即要求采煤機能力有富余；同樣刮板輸送機能力要有富余，以免破落的煤炭堆積，即能運得出。兩兩之間的子系統同樣需要相互配合，采煤機與刮板輸送機子系統：刮板輸送機中部運輸槽要與采煤機底托架、滑靴等結構配套，輸送機機頭、機尾結構應保證采煤機割透、處理好機頭機尾特殊區域的三角煤。刮板輸送機與液壓支架子系統：液壓支架每節溜槽的長度應等于液壓支架中心距。采煤機與液壓支架子系統：采煤機的最大采高應小于液壓支架的最大支撐高度，采煤機的牽引速度應小于液壓支架的移架速度；截深應小于液壓支架的移架步距?！叭龣C”相互配合、相互制約、相互協調，最終實現系統最優性能。依據基本原則進行設備的選型配套，試驗工作面設備如表2所示，整體系統連接如圖2所示。

支架電液控控制系統實現包含控制器、驅動器、電源、耦合器、紅外接收器等控制；視頻和支架姿態監控系統實現綜采工作面視頻和關鍵設備的視頻監控；井下集控中心實現綜采工作面各設備的控制與信號傳輸，與地面集控中心進行連接，承上啟下；web端和手機終端App智能礦山軟件實現可視化、遠程信息快速、便捷獲取。

3 綜采工作面三機智能化

3.1 采煤機智能化

將航天慣導系統技術應用于采煤機上，監測數據通過環網傳輸至集控中心，經中央處理器換算為綜采設備能識別的動作指令，實現自動精準推溜、拉移支架及一鍵啟停功能，使“三直一平”管理精度大幅度提高?；谪瀸到y[12]、搖臂傾角傳感器、搖臂震動傳感器和采煤機電控參數所確定的采煤機運行姿態，實現采煤機的記憶截齒割煤[13-14]，并通過瓦斯濃度、采煤機負載、運輸系統負載等環境因素進行實時監控，自行適應調整采煤機的運行、割煤速度，如圖4所示。

圖4 采煤機智能割煤示意

采煤機割煤過程采用記憶截割為主，人工干預為輔的模式，采煤機運行過程中特殊工況下需要進行適度人工干預和調節，取代了以往全程對采煤機盯防、旁站式的工作方式，減輕了采煤機司機等人員的工作強度。

3.2 液壓支架智能化

圖5 智能液壓支架

新型智能化液壓支架配套了多種感應探頭，包括不限于監測頂板壓力、護幫推力、推移刮板輸送機推力等參數的位移傳感器、壓力傳感器和各種紅外接收器，如圖5所示。

液壓支架配備推移專用雙速控制閥，當支架完成自動移架后，使用推移雙速控制閥慢速推移千斤頂，消除銷孔間隙，使推移千斤頂與刮板輸送機溜槽充分接觸，避免了移架距離不統一、不充分，多次支架工作后出現較大的推移誤差，導致工作面彎曲現象。雙速控制閥的使用消除了支撐力不一致形成的推移支架長短不一的情況，保證了工作面的平直度。根據工作面實際運用效果推算，可以將刮板輸送機推移控制精度提高50%以上，提升到了厘米級精度。

根據液壓支架每架紅外傳感器定位采煤機位置，傳輸數據至集控中心分析，再反饋到支架控制模塊，自動跟機、移架、推溜、護幫和噴霧。

自動補壓升架功能根據工作面不同的地質條件，結合綜采工作面實時動態，自動升、降液壓系統的壓力，實現支架的升降和調整，解放支架工，不再需要人工干預，技術上徹底實現采煤工作面少人、無人。

圖6 慣導推移調直模式

3.3 刮板輸送機智能化

輸送機通過聯動采煤機上安裝的探頭和感知設備，通過集控中心大數據分析、判識，判別采煤機的位置狀態，結合液壓支架的狀態，實現智能化推移，做到推溜、拉架精確控制，實現采煤工作面慣導動作[15-16]，完成對綜采工作面的有序、高效調直，如圖6所示。

通過采煤機上安裝的位置編碼器和高精度慣性導裝置，生成刮板運輸機位置曲線，通過支架定點無線基站接收慣導信號，上傳至集控中心后臺分析，集控中心根據刮板運輸機位置曲線與支架當前推移行程值，計算出推移頂驅下一行程，控制推移千斤頂推移工作面刮板輸送機的溜槽，使工作面刮板輸送機達到直線度要求。將回饋信號分析并聯動采面支架動作，在接下來若干次移架推溜循環中，自行調整動作幅度，電液控制系統通過高精度行程傳感器，實現推溜、拉架精確控制，完成對工作面的調直。

調直系統作為當前煤炭行業領先的國產高精度慣性導航與工作面調直技術，相比國外LASC系統而言，一定程度上填補了刮板輸送機整體平直度難調整、難驗收、難定量、難考察的技術空白。

3.4 三機智能化

圖7 Web端監控系統界面

基于采煤機智能化、液壓支架智能化和刮板輸送機智能化的大系統整合，將液壓支架自動跟機移架、智能補壓升架、采煤機記憶割煤、刮板輸送機調直等核心功能有機集成，功能互補，協調優化，實現綜采工作面常規“三機配套”向“三機智能化”邁出了關鍵一步。同時數據Web端、手機移動端APP查看綜采工作面各類設備集控參數，工作人員快速、快捷實現遠程云平臺監測、監控綜采工作面設備，如圖7所示。

4 三機智能化應用實踐與建議

在綜采工作面“三機智能化”運行期間，顯示出了系統有序性、協調性和整體性。試驗綜采工作面由原來人員26人，減員到12人；同時為試驗綜采工作面整體配套人員130人，減員到55人，實現了顯著的減員提效，減員率50%以上；對應回風系統不再需要人員進行巡檢，實現了特殊區域的核心安全；綜采工作面采煤機、液壓支架和刮板輸送機整體系統和單機故障導致的工作面停產時間大幅度減少，單班開機時間穩定在7.5～8 h左右，單班開機率達到93%以上，提高了20%左右，提升了系統可靠性、穩定性，同期煤炭產量也增產20%以上。

煤礦智能化建設，特別是煤礦綜采工作面智能化建設要由點到面、全面擴展，推進過程中不能操之過急，硬件和軟件應同步推進，特別是技術工人的素養提升。綜采工作面智能化需要同時完成核心災害提前治理、設備檢修與故障處理、人員培訓等方面的整體智能化基礎上實現。由單機智能化向系統智能化整合發展，在控制技術方面，由手動干預、人員值守向自動控制、無人值守方向發展；在安全管理方面，由被動的事后響應式向主動的事先預警方向發展；同步推進虛擬現實技術(VR)、增強現實技術(AR)的綜合實施，來實現人員培訓、設備遠程運行和維護的智能化，只有這樣綜采工作面智能化才能行穩致遠。