井下綜采面智慧綜采技術方案的研究

李國強

（山西寧武大運華盛老窯溝煤業有限公司， 山西 寧武 036700）

引言

煤炭是我國的基礎性能源資源，占據了我國一次性能源消耗總量的55%以上[1]，煤炭的開采主要包括了回采作業面開采以及掘進作業面開采，掘進作業面開采的機械化和自動化程度均不足，主要是依靠人工進行綜采。由于井下高濕、高塵、高噪聲的作業環境再加上冒頂片幫、瓦斯突出、底板突水等異常，給井下綜采作業帶來了極大的危險，嚴重限制了井下綜采作業效率和安全性的進一步提升。

結合煤礦井下綜采作業的實際情況，提出了一種新的井下綜采面智慧綜采技術方案，首先對井下綜采面的綜采作業流程進行優化，使其滿足機械化自動綜采需求，然后建立機械化自動綜采聯動控制系統，實現對整個綜采面作業流程的“一個流”控制，能夠根據井下地質情況自動調整綜采作業狀態。根據驗證，該智慧化綜采作業系統能夠將井下綜采作業效率提升24.3%，將綜采面作業人員數量降低44.7%，初步實現了井下智能化控制作業，具有較大的應用推廣價值。

1 綜采面作業工序優化

煤礦井下綜采面的綜采作業主要是利用采煤機將煤炭從煤壁上截割下來，然后通過刮板輸送機運輸到指定地點的過程，在綜采作業時還需要根據綜采的實際進度支護巷道，保持巷道在綜采作業過程中的穩定性。目前由于采用以人工為主的綜采作業方案，因此截割、支護、運輸、環境監測等均為獨立運行模式，相互之間存在著較大非關聯性。為了滿足智慧綜采作業的需求，首先對井下綜采作業及監測需求進行分類，在綜采作業方面嚴格規定作業按照煤巖狀態探測→綜采→支護→運輸的順序進行，在綜采安全監測方面則根據監測對象的不同分別采用視頻監測及傳感器探測控制的方式，確保了對井下各監測結果的準

確性，綜采面各開采工序分配如圖1 所示[2]。

圖1 作業面綜采工序分布圖

由圖1 可知，通過對作業工序和綜采作業環境狀態的分類優化，能夠為實現對井下綜采及工作環境的可靠監測和預警，為進一步實現智慧化控制奠定了基礎。

2 智慧化綜采控制系統

煤礦井下智慧化綜采的核心，是建立一套聯動控制系統，實現對井下綜采、環境監測、排水、供電、通風系統的一體化運行控制，為了適應不同礦井的需求，該智慧化綜采控制系統采用了模塊化的控制邏輯，包括圍巖探測系統、生產控制系統及視頻監控系統三個部分，滿足從井下圍巖狀態探測、智能掘進、智能支護、智能運輸及井下綜采作業狀態安全監控和調整的需求，該智慧化綜采控制系統整體結構如下頁圖2 所示[3]。

由圖2 可知，該綜采控制系統中，圍巖探測系統主要是對井下圍巖的狀態進行探測，提供圍巖的硬度分布、圍巖穩定性信息，作為采煤機智能化掘進控制調整的依據，其關鍵難點在于實現對井下圍巖的快速判斷和分析，滿足智能化綜采控制中隨探、隨掘的連續綜采作業需求。

圖2 智慧化綜采控制系統結構示意圖

生產控制系統主要是實現井下采煤機、液壓支架、刮板輸送機的“一個流”連續運行控制，包括采煤機的自動截割控制、液壓支架的跟機自動支護控制及刮板輸送機、采煤機的運量- 綜采速度聯動運行控制技術，保證在綜采作業過程中綜采- 支護- 運輸的動態平衡性。

視頻監控系統，主要是實現對井下通風除塵、瓦斯狀態監測及巷道變化情況的監控，當出現異常時及時進行報警和調整，確保整個井下綜采作業環境的穩定性。

3 圍巖探測系統

在傳統的井下綜采作業中，對井下圍巖狀態的勘探主要是通過鉆井取樣分析的方案進行，雖然精度較高，但效率低，無法滿足井下隨探隨掘的需求，而且由于采用了人工截割控制，因此對井下地質狀態的判斷主要是由人工識別，要滿足自動綜采的作業需求就需要建立井下地質狀態快速探測及圍巖狀態快速判斷系統，其整體結構如圖3 所示[4]。

圖3 圍巖狀態快速探測系統

由圖3 可知，該系統主要采用了三維激光掃描及地圖構建系統，通過激光掃描點云圖，實現對井下圍巖地質情況及巷道狀態的快速判斷并繪制三維地質模型，通過UWB[5]測煤厚雷達實現對井下煤巖厚度的快速探測。對圍巖狀態的判斷則采用了物探和超聲波探測相結合的模式，解決了物探精度高、速度慢，超聲波探測速度快、精度不足的缺陷。同時系統內加入了視頻增強與識別技術，作為輔助探測工具，實現對井下巷道及綜采面地質狀況的快速確定。

該圍巖探測系統，充分考慮了自動化綜采作業的需求，采用多種判別方式相結合的模式，避免了井下惡劣環境中圍巖狀態識別率不足的問題，保證了對井下圍巖狀態判斷的準確性。

4 采煤機、液壓支架、刮板輸送機聯動運行控制

由于采煤機的普遍投入使用，因此井下的綜采作業效率已經有了顯著的提升，單純依靠對采煤機的改善已經無法進一步提升綜采作業效率和經濟性，通過對井下綜采作業過程的分析，目前影響綜采作業效率進一步提升的瓶頸在于采煤機、刮板輸送機、液壓支架間無法實現聯動運行控制。因此為了滿足智慧化綜采作業的需求，提出建立采煤機、液壓支架、刮板輸送機的“三機”聯動運行控制系統，其整體結構如圖4 所示[6]。

圖4 “三機”聯動運行控制系統結構示意圖

由圖4 可知，在該控制系統中以工況監測中心和“三機”聯動控制器為核心，工況監測中心接收圍巖探測系統的數據信息，為采煤機的記憶截割自動控制提供基礎數據，保證采煤機的自動截割控制系統的運行可靠性。設置在采煤機和液壓支架上的紅外傳感器、圍巖傳感器等對采煤機和液壓支架的相對位置進行判斷，通過支架跟機自動控制邏輯實現各液壓支架的跟機自動運行控制。刮板輸送機則通過電流傳感器對運行電流進行監控，判斷輸送機的負載狀態，跟機負載狀態對采煤機的截割速度進行調整，實現刮板輸送機- 采煤機的動態平衡控制。

5 應用情況分析

為了對該智能綜采控制系統的應用效果進行分析，對優化前后的應用情況進行了匯總，優化后的井下綜采作業效率由最初的4.8 m/d 提升到了目前的5.97 m/d，效率提升了24.3%，井下綜采面同時作業的人員數量由最初的43 人降低到了目前的24 人，人員數量降低了44.2%，表明該綜采系統能夠顯著提升井下綜采作業的效率和安全性，為實現智慧化煤礦及綜采奠定了基礎。

6 結語

為了解決煤礦井下綜采智能化程度不足、效率低、安全性差的不足，提出了一種新的煤礦井下綜采面支智慧綜采技術方案，對智慧化綜采控制系統的整體結構進行了分析，根據實際應用表明：

1）智慧化綜采控制系統采用了模塊化的控制邏輯，包括圍巖探測系統、生產控制系統及視頻監控系統三個部分，滿足井下智慧化聯動運行控制的需求；

2）圍巖探測系統，采用多種判別方式相結合的模式，避免了井下惡劣環境中圍巖狀態識別率不足的問題，保證了對井下圍巖狀態判斷的準確性。

3）“三機”聯動運行控制系統，能夠實現對采煤機、液壓支架、刮板輸送機的聯動運行控制；

4）該智慧化綜采作業系統能夠將井下綜采作業效率提升24.3%，將綜采面作業人員數量降低44.2%，初步實現了井下智能化控制作業。