煤礦綜采裝備智能化技術研究現狀概述

路艷萍，周 展

(1.西安重工裝備制造集團有限公司，陜西 西安 710000；2.西安煤礦機械有限公司，陜西 西安 710200)

0 引言

煤炭作為我國能源經濟的“工業糧食”，一直以來占據一次能源消費的主導地位[1]。煤炭開采中有90%左右為井工方式，井工環境復雜、開采條件惡劣、存在瓦斯透水等多種安全隱患。多年來，井工開采經歷了從單機機械化、綜合機械化到自動化的跨越，并逐步向智能化邁進[2]。當前，我國正大力推進建設智慧礦井、智能化工作面，與之對應的綜采技術與裝備也處于迅猛發展階段，綜采技術與裝備的智能化水平也成為衡量智能化工作面的重要指標。近年來，一些學者和機構在煤礦井下智能裝備的研發與應用過程中起到了積極推進作用，基于此，論述了智能化綜采系統的基本架構，并針對綜采工作面核心裝備的智能化關鍵技術進行分解詳述。

1 智能化綜采系統架構

智能化綜采工作面是指綜采工作面采用了具有充分全面的感知、自主學習和決策、自動執行功能的液壓支架、采煤機、刮板運輸機等機電一體化成套裝備，實現了工作面的高度自動化少人遠程監控，能夠安全高效開采[3]。智能化綜采系統則是將多種技術，如電氣、液壓、控制、網絡通信、語音視頻等進行全面融合。智能化綜采系統主要由3部分組成：工作面部分、順槽部分、地面部分，智能化綜采系統框架，如圖1所示。其中，工作面部分位于井下采場，工作面核心裝備采煤機、液壓支架、刮板運輸機等，通過不同單機智能化裝備之間的協同配合，實現采場煤的采、支、運等工作。井下順槽部分通過布設供電系統、供液系統以及集控系統等作為輔助設備，為工作面裝備提供電液及裝備運行的遠程監控功能。地面部分建設中心調度室，通過礦井環網實現井下巷道、工作面、設備、人員、車輛等的全方位動態監測及相關設備的遠程控制。

圖1 智能化綜采系統框架Fig.1 Framework of intelligent fully mechanized mining system

2 綜采核心裝備智能化技術

2.1 綜采三機裝備技術功能圖譜

綜采工作面裝備主要以采煤機、液壓支架、刮板運輸機組為主的三機設備為核心作為底層行為執行單元，三機智能化是整個綜采工作面智能化的基礎。采煤機主要為適應煤層變化，調節滾筒采高及運行速度實現功能“采”；液壓支架主要為適應巖層壓力變化，調節支護幫板實現功能“支”；刮板運輸機組主要為適應煤流變化，調節運輸、破碎速度等實現功能“運”[4]。綜采三機裝備技術功能圖譜如圖2所示。

圖2 綜采三機裝備技術功能圖譜Fig.2 Technical function of fully mechanized mining equipment

2.2 采煤機智能化技術

當前無鏈電牽引采煤機作為主流產品，以艾柯夫、久益、卡特彼勒為代表的國外采煤機制造企業，從20世紀90年代開始逐步開展采煤機智能化方面的技術攻關[5]。國內智能化采煤機的研制起步較晚，2007年，太重煤機自主研發了我國第1臺智能化電牽引采煤機，并在潞安集團漳村煤礦進行了實踐應用[6]；此后以西安煤礦機械有限公司、中煤上海天地煤機有限公司為主，相繼展開采煤機遠程通訊、記憶截割、智能診斷等方面的研究，并根據市場需要逐步研制出功率范圍238～3 050 kW，采高范圍1.5～8.8 m的全系列采煤機設備[7]。發展至今，采煤機智能化技術主要體現在以下3方面。

多傳感器融合感知技術：采煤機配置4大類型傳感設備，其功能分別是運行環境監測、運行狀態感知、位姿監測和電機動態管理。采煤機運行環境監測主要指綜采工作面通風、瓦斯、人員定位等，外部監測用于反映采煤機所處工作環境，決定采煤機是否具備啟動運行條件。運行狀態感知主要指采煤機電控箱溫濕度、液壓系統壓力、傳動系統振動、冷卻、噴霧流量及壓力等指標，運動狀態反映采煤機在運行過程中各組成機構的健康狀態。位姿監測是實現采煤機自動化運行的基礎，通過編碼器及傾角儀，分別獲取采煤機在工作面的相對位置及機身俯仰角度和搖臂滾筒采高數據。電機動態管理單元，通過各電機內部的PT100及PTC監測電機運行過程中的溫度信息，此外通過電流傳感器獲取電機三相電流，控制單元通過對電機溫度及三相電流進行數據分析，得出電機過溫、過流、缺相等信息，同時根據牽引電機電流等負載信息實現采煤機的智能調速控制。各類型傳感單元通過數據采集、清洗、融合、分析等技術手段，實現采煤機全過程的智能感知。

自主截割技術：傳統的采煤機自主截割基于采煤機記憶截割系統，通過示范刀學習采煤機在割煤工藝過程中，搖臂滾筒及煤機速度等動態變化，并存儲相關記憶數據；而后采煤機根據記憶數據控制采煤機實現自主割煤。當前，實現采煤機自主截割還可以由采煤機規劃截割系統實現。通過采煤機規劃截割系統，實時接收上位機發送的截割曲線，系統將截割曲線分解為不同工藝段的對應采高、速度、折返標志位等數據，并傳輸給采煤機相應機構執行動作。自主截割技術是實現綜采工作面無人化的關鍵。

數據遠程傳輸及監測技術：實現綜采工作面至順槽集控中心的遠程數據傳輸，需依賴于穩定可靠的遠程通信技術。數據遠程傳輸可通過載波通信技術、有線通信技術、無線通信技術。其中載波通訊的傳輸距離一般小于500 m，其主要通過主電纜控制線的頻分復用技術，其傳輸速率在15 ms，延時抖動小于1 ms，可支持CAN、TCP/IP、485等通信協議。有線通信主要有動力電纜及光纖2種方式，動力電纜通過電纜內的通信芯線實現數據遠程傳輸，其穩定傳輸距離一般不大于1 500 m，傳輸速率小于20 ms；光纖通信適用于傳輸距離大于1 500 m的環境，其優點是高帶寬、低延時。此外，無線通信技術以4G、Wi-Fi、Mesh以及5G技術為代表，采用無線通信方式進行遠程數據傳輸，需要在工作面及順槽巷道布設相應的無線基站，成本相對較高，但可以避免遠程布線，且傳輸速率亦有較大提升。

2.3 液壓支架智能化技術

液壓支架智能化是以電液控制系統技術成熟為重要標志。其主要功能是實現工作面自動移架、自動推移刮板輸送機、自動放煤、自動噴霧等成組或單架控制功能，工作面成組排列數百臺液壓支架用以實現頂板支撐和設備安全空間構建。經過多年科研攻關，液壓支架智能化技術體現在以下3方面。

自適應控制技術：液壓支架自適應控制技術主要包括自適應護幫、自適應調斜等功能。通過安裝在設備上的壓力傳感器、行程傳感器、傾角傳感器等，實時監測液壓支架在跟機移架過程中的狀態，經監測數據與控制器預設參數比較，控制相應護幫板或千斤頂動作。

液壓系統智能控制技術：傳統液壓支架的自動移架、自動跟機是通過人為控制電液閥實現相應規律性動作。人為操作存在靈活性低、操作滯后等缺點。液壓系統智能控制技術則是通過對不同支架動作、支架用液量、支架動作時間等數據搜集，針對不同自動化跟機動作程序預判用液量，傳遞給泵站控制系統，自動調節泵站壓力，從而實現液壓支架的自動移架及跟機動作。

自動調直技術：液壓支架在多次推移行程中會產生累計誤差，導致煤壁平直度產生彎曲，嚴重時會造成煤機脫軌。當前，液壓支架調直技術主要通過慣性導航系統輔助完成，慣性導航系統搭載于采煤機身上，跟隨采煤機運行生成刮板運輸機彎曲度曲線，經插值算法，在規定采煤刀數下定量控制液壓支架電液控系統推移量，實現工作面自動調直。

2.4 刮板運輸機組智能化技術

刮板運輸機組俗稱“小三機”，包括刮板運輸機、轉載機、破碎機。其主要作用是裝載煤、轉載煤及破碎大塊煤，此外刮板運輸機還是采煤機的行走軌道和液壓支架的推移支點，其主要智能化技術體現在以下2方面。

智能調速技術:刮板運輸機的智能調速，主要通過運行電機電流反饋的方式確定運輸負載。系統根據負載情況自動調節刮板運輸機鏈速，實現運速與運量的正比關系，從而降低刮板運輸機的能耗。

鏈條張力自動控制技術：刮板運輸機的鏈條張力自動控制主要通過機尾自動伸縮裝置進行調節。通過感應油缸腔內壓力的變化實時控制刮板運輸機在運行過程中的油缸伸縮量，同時設定伸縮量臨界點，保證在啟停過程中的緊鏈與松鏈控制。

3 智能化綜采技術發展歷程

隨著國家發改委、國家能源局等8部委聯合印發的《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》出臺，對智能化礦井的建設提出了三步走的明確規劃[8]，智能化綜采技術的發展隨之進入了快車道。綜采智能化的發展離不開智能化裝備技術的發展，國內業界根據綜采裝備的技術發展，普遍將智能化綜采分為4個技術階段，分別是可視化遠程干預(1.0)、工作面自動找直(2.0)、透明工作面(3.0)以及未來的發展方向即透明礦井(4.0)，每個技術階段其裝備的技術水平有所不同。可視化遠程干預階段起步于2010年，以采煤機記憶截割、液壓支架自動跟機及可視化遠程監控為核心技術手段，協調刮板運輸機組及其輔運設備，實現工作面少人、高效、安全生產。工作面自動找直階段在可視化遠程干預的基礎上，加入以慣性導航為核心的控制技術，實現工作面的自動找直功能，解決了采煤過程中的連續平直推進難題。透明工作面該段主要研究基于透明工作面的高精度三維地質模型、大數據智能分析決策平臺及工作面綜采設備空間導航定位及精準控制技術。該階段極大地依賴透明工作面模型的精確度，在綜采工作面三機裝備智能化及協同配合基礎上，將控制及決策權限下放至大數據決策中心，不同技術組成之間相互配合基本實現工作面的無人化。透明礦井階段是透明工作面的進一步延伸，也是未來智慧礦井建設的必然支撐，其涉及到的技術更為全面系統，這也要求裝備的智能化水平更為高級，于綜采而言亦可成為全智能自適應開采階段。

4 結語

在概述綜采智能化系統的基礎上，明晰了綜采智能化系統整體架構，以綜采工作面智能裝備為主，詳細闡述了采煤機、液壓支架、刮板運輸機現階段的智能化技術。此外，總結了不同裝備智能化技術對應的綜采智能化發展階段。可以看出，綜采智能化是未來煤礦開采的必然發展趨勢，隨著科學技術的不斷進步，裝備的智能化水平也將得到極大提升。裝備技術的革新也必將推動能源產業和生產方式的變革。