煤礦綜合機械化掘進系統智能化建設研究

劉向鵬 王祥劍 孫明磊

摘要：在煤礦的現代化生產中，掘進配套設施逐步發展為智能化方向，以往的掘進模式難以適應當前時期煤炭快速增長的需求。為此，應實現煤礦綜合機械化掘進系統的智能化建設和創新，以提升配套裝備的運行效率，確保煤礦企業的可持續發展。為此，本文主要分析了煤礦綜合機械化掘進系統智能化建設措施以及實際應用，并闡述了煤礦綜合機械化掘進系統智能化建設的完善建議。

關鍵詞：機械化掘進智能化建設應用

黨的十九大會議上倡導發展煤礦事業需要注重智能化示范煤礦的建設、強化地質保障、改進煤礦開拓設計，以及確保運行的自動化、傳輸的數字化、決策的智能化。發展到2025年，煤礦企業能夠實現智能化水平的大大提升，建設智能化和多信息系統，以及升級煤礦智能系統技術設備，確保系統的協同運行實現，以及推廣應用安控以及作業機器人等。鑒于此，探究煤礦綜合機械化掘進系統智能化建設顯得非常迫切和有必要。

1煤礦綜合機械化掘進工作面智能化技術的類別

煤礦綜合機械化掘進工作面智能化控制系統應有效應用各種技術進行完善，探究系統運行能力、生產性能、地質狀況等，其中重點結合下面幾點探究掘進設備智能化控制系統的核心技術。一是無線遙感、數據采集、電氣控制、電液比例控制、人機交互、無線通信等系統構成了單機控制技術系統。結合上述技術系統，能夠實現設備間的一致協作，在智能控制系統當中，能夠結合設計的程序控制設備。基于掘進設備系統的一致協同下，能夠結合設計的系統流程進行遠程遙控、電磁閥監控、數據采集等工作。二是智能截割、自動截割、自動定位等技術屬于智能結構技術的范疇[1]。其中，自動定位技術能夠通過機組導航系統監控監控設備機身姿態以及掘進方位，確保監控運行狀態，結合工作需要發送指令，從而確保在既定的路線中運行設備，從而提升掘進效率和精準控制掘進方向。而自動截割技術重點是結合高度傳感器取得截割滾筒的部位，結合參數設計截割滾筒的結構高度、切槽前景參數、滾筒終止以及起始部位、截割高度等[2]，即結合設備具備的記憶功能實現截割的智能化和自動化。三是多機協同控制技術重點在掘進裝備配套控制系統中中應用，能夠協同控制邁步自移機尾運輸系統以及輸送系統。其中，協同控制的智能化技術設備有膠帶運輸機、破碎機、梭車、掘錨機等。

2煤礦綜合機械化掘進系統智能化建設措施

2.1煤礦綜合機械化掘進工作面智能化開采流程

綜合機械化掘進工作面智能化開采重點以煤壁充當輸入對象，其輸出對象是原煤和支護成型巷道，確保有效控制視頻、生產、探測，從而協同控制工作面電液控制系統，最終實現智能化開采模式。工作面信號狀態是交叉存在的，且具備較為復雜的來源。工作面探測流程涵蓋瓦斯抽采、超前地質勘探、巖層移動、水源探測等，而生產流程涵蓋輸送、支護、割煤等，視頻流程則涵蓋瓦斯和頂板監測、排水、供電、通風等[3]。

2.2煤礦綜合機械化掘進工作面智能化控制系統

結合工作面智能化開采流程，工作面智能化控制系統涵蓋視頻監控、生產控制、圍巖探測等一些系統。

2.3煤礦綜合機械化掘進智能化開采的重要技術

智能化開采的重要技術有視頻監控智能化技術、錨桿支護智能化技術、巷道變形智能化控制技術、輸送系統智能化技術、掘進機智能化開采技術等。

2.4煤礦綜合機械化掘進系統智能化建設

2.4.1建設背景

隨著煤礦綜采智能化技術的不斷發展和進步，掘進工作面智能化技術的發展較慢，長時間處在機械化時期。在進行改進時應根據無人化、智能化、自動化、機械化的發展方向[4]，以智能掘進為發展目標，實施涵蓋破碎機、梭車、掘錨機、錨桿鉆車的設施的智能化處理規劃，可以奠定智慧煤礦建設的良好基礎。

2.4.2系統設計

在基礎配置中，應用智能化連續采煤機、電液控制錨桿機、自動化梭車、電纜收放車以及通風、輸送、破碎等設施進行統一控制[5];工作面集控中心進行視頻監控和遠程控制等功能;連續采煤機應自動收放水管與電纜、控制頂底板、導航移機、識別煤巖、截割、定姿定位定向等;升級系統時加裝感知與測量元件，升級變頻器與電控箱，確保有效控制一系列機構，以及兼容固有系統，實現遠程、遙控、本機操作;增設智能控制向，對自主生產的智能軟件進行設計;增設熱成像儀器、視頻監控儀器、聲音傳感器、組合慣導設施、角度傳感器、位移傳感器、梭車無線關聯設施[6]。在感知信息時結合連續采煤機檢測環境狀態及其姿態。對于自動化梭車而言，其應具備的功能是緊急停車和安全避障、破碎機和連續采煤機自動對接裝煤、轉向控制、制動控制、軌跡跟蹤控制，以及自主規劃路徑、人工干預、運行速度、環境識別、自動駕駛、遠程監控等。

2.4.3技術規劃

在技術規劃中，重點在升級固有電控系統的基礎上進行遠程控制或遙控，對壓力傳感器、電磁閥進行增加，優化制動和轉向系統，以實現電液控制;設置輪胎轉速傳感器，以精準閉環控制牽引系統，即結合聯巷自動起步、停車[7];應用LSAM技術以及多線激光雷達和精度較高的機載慣導模塊，確保自動規劃路徑;通過激光引導識別技術無線自動對接破碎機和連續采煤機，確保輸送自動啟停的實現;將稱重傳感器增加在梭車料倉當中，對煤量進行監測，實時觀察載重情況，保障實現理想的卸煤和裝煤效果;設置視頻監控系統，確保其跟轉向系統實時隨動，能夠進行遠程監控;設置自主避障以及探測設施，保障運行的安全性。在升級改造電控系統時，應對變頻器箱實施改造，設置自動控制箱，將激光雷達、熱成像儀器、慣導、攝像頭和顯示器等安裝在駕駛室中。在傳感器上，應設置可以閉環控制速度的輪胎編碼器、稱重傳感器、液壓壓力傳感器、行走轉向油缸傳感器。在改進和升級液壓系統時，應優化輸送機升降電磁閥、解制動電磁閥、制動和電磁閥比例等。在梭車的自動駕駛上，需要結合探頭、攝像儀、激光雷達等感知環境，結合學習智能算法與傳感器滲透信息的方式規劃路徑或軌跡，結合行走變頻調速、轉向、制動，在SLAM以及激光雷達掃描上，應設置多線激光雷達與精度較高的慣導;將慣導安裝在車身，將精準的姿態信息提供給激光雷達;車身橫軸屬于激光雷達掃描的方向，其掃描的范圍是±90°;對巷道頂棚以及兩側壁的形貌信息進行獲取。

3煤礦綜合機械化掘進工作面智能化控制系統的實際應用

煤科集團沈陽研究院有限公司研發了一種頂管式煤礦小斷面巷道智能掘進系統，其引入了自主決策控制技術，設備的運行無需人為干預，可以實現無人操作。該系統在排水巷、高抽巷為典型的小斷面巷道，實施全斷面掘進。這樣相關工作者能夠遠離切削面，工作過程中不需要進入，非常穩定和安全[8]。并且，可以自主進行支護，具備較高的掘進效益。其中，該系統應用了一些重要的技術，如多傳感器數據融到磁合、圖像識別、硐室遠程智能控制等技術。

3.1自動導向系統

一是預處理光靶圖像，以圖像銳化、平滑、濾波等方式將無關的圖像信息消除，以使數據簡化;二是對光靶數據進行抽取，實施亞像素定位技術，對圖像中激光光斑的坐標進行檢測，然后通過攝像機標定換算至空間坐標來定位目標;三是在防爆PLC 當中進行算法的通信測試。

3.2自動進水排渣系統

礦用頂管機應用了泥水排渣的理論，其結合泥漿排出刀盤切削渣石，進水排渣泵流量不但對排放渣石的速度形成制約，而且有助于切削掌子面提升穩定性。頂管式煤礦小斷面巷道智能掘進系統可以將流量和壓力傳感器等設計在管路上，從而可以對供排水泵出口壓力信息進行采集和記錄，構建出渣、供水系統的數學模型，且將圖像識別裝備設計在出渣口，這樣可以實時監控排渣速度以及顆粒大小，且通過磁力耦合器實時調節供排水泵的流量，以確保掌子面的可靠性以及排渣的不間斷性。

3.3自動頂進系統

自動頂進系統開啟后可以檢測按鍵的狀態，以及確定自動頂進功能互鎖、手動頂進、急停等按鍵狀態。為了確保順利地排出機頭中的渣石，首先將頂進延時時間（5s）流出[9]，在結束延時后開展自動頂進操作（中繼伸出、主頂伸出，在中繼伸出時應對機頭切削流量進行監測，倘若機頭具備較大的切削電流，那么應對頂進速度進行優化，確保機頭切削電流在適度的范圍之內，當中繼頂進行程到位后，自動頂進的流程即完成）。

3.4自動開關機系統

對于自動開機系統而言，當自動開機指令被操作者發出之后，系統自動進行主頂頂進、排渣泵與進水泵開啟、旁通閥開啟、刀盤旋轉、進水排泥閥開啟、故障檢查等工作，在主頂頂至行程滿而操作換管的情況下，自動關機系統被系統啟動，然后可以關閉排泥閥、后退主頂等，防范了開機操作的繁瑣性，顯著降低了人為故障率。

3.5采煤機控制系統

作為智能化采煤工作面的關鍵組成部分，采煤機控制系統也屬于高效回采煤炭資源的中心環節。采煤機控制系統的兩大組成部分是工控平臺和就地控制，其功能是環境和綜采聯動、安全防護、采煤路徑規劃等。采煤機應用雙向傳輸的方式傳輸數據，不但能夠結合本身具備的數據線交換數據，而且可以通過工作面傳輸數據的平臺接收與傳輸數據，其環境適應能力和抗干擾性非常強。采煤機控制系統的主要組成部分是數據交換機、工控平臺、上位機。在順槽控制室當中安裝了控制系統，經由交換機跟工控平臺連接著采煤機，結合工作面傳輸數據的平臺向工控平臺接入生產數據，以實現雙向傳輸數據的通信作用。總之，采煤機控制系統旨在控制和規劃采煤機路徑。當今，針對賦存構造不存在顯著改變和巷道頂底板穩定的條件下，智能化采煤工作面應用記憶截割方式業已實現了相應的效果，然而，針對工作面存在較大改變和結構復雜的巷道頂底板條件，智能化工作面采煤生產依舊面臨相應的缺陷。為了完善這種不足之處，確保采煤生產的穩定進行，采煤機智能控制系統結合工控平臺可以分析和處理數據，從而有效規劃采煤機下六刀的路徑，并且結合順槽控制室采煤機上位機將工作面高度修正值輸入這種手段，確保取得有關的工作面地質結構截割曲線，從而智能化、高效化地截割煤層。與以往的采煤機記憶截割工藝技術相比，此系統顯著提升了適應性與精確度[10]。

4煤礦綜合機械化掘進系統智能化建設的完善建議

煤礦綜合機械化掘進系統需要具備高效掘進的效果，可以在煤巖迅速掘進裝備中應用。其能夠劃分為掘進、輸送、支護等流程，結合新技術手段的應用，可以有效解決支護、輸送、掘進的有關問題，從而實現裝備運行的高效化與一體化。掘進機有著遠程監控和定位切割的功能，可以實現掘進機的程監控以及錨桿機運行參數的優化，然而應將若干檢查人員預留在工作面。掘進機器人領域是掘進機的發展趨勢和方向，為了實現此目標，應使遠程監控、自動截割、遠程遙控等功能實現[11]。其中，遠程監控得益于數據通信鏈路的順暢性以及掘進機動作的可控性。自動截割能夠確保掘進機的控制精度達標、位置檢測可信性得到提升。智能化截割可以確保自動截割的穩定運行，從而實現開采效率的提升和空間的拓展。并且，對掘進工藝適應性進行完善和創新，根據地質條件狀況合理調控掘進機器人的操作安全性以及掘進速度。通常而言，相關操作都無需人工干預。遠程控制的掘進工作面牽涉到礦井掘錨機、破碎轉載機、膠帶轉載機、錨桿鉆車等，并且設置供電和通信控制設備以及通風除塵設施等，從而可以建構高效、快速的掘進系統，以實現輸送、支護、掘進的一體化。總之，新試驗系統的機組可以體現協同控制、自主運行、遠程監控、核心單機裝備的功能，從而可以提高煤礦綜合機械化掘進的自動化、數字化、信息化水平。

5結語

綜上所述，煤炭是我國能源的基石，是可以實現清潔高效利用的最經濟、可靠的能源，煤礦智能化是實現煤炭工業高質量發展的核心技術支撐。換句話說，煤礦綜合機械化掘進系統智能化建設技術和系統不斷完善、發展，煤礦企業應客觀、綜合地分析掘進配套設備及其技術，有效滲透一系列先進技術和系統，從而持續提升掘進的智能化水平，確保煤礦的安全、高效掘進。

參考文獻

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