采煤機智能化控制技術優化

（山西焦煤集團嵐縣正利煤業有限公司，山西 嵐縣 033500）

我國煤炭資源儲量豐富，年開采量多年位居世界第一。隨著科學技術的發展，煤礦的智能化開采已經成為了現階段的主流方向。采煤機作為礦井開采的重要機械設備，其智能化開采是煤礦智能化的關鍵。只有實現采煤機的智能化開采，才能實現綜采工作面的智能化。智能化開采對采煤機要求是可以隨著煤層的賦存條件及開采的狀態達到自動調節的目的。在采煤機智能開采的技術中，狀態感知及智能控制是其核心的技術。此前眾多學者對采煤機的智能化開采做出過一定的研究。劉文科[1]對采煤機的智能化控制系統做出一定的介紹，分析了采煤機智能化控制系統可實現的功能，以此為基礎對采煤機的智能化控制進行了研究。為實現綜采面智能化做出一定的貢獻。符如康[2]在結合前人的研究基礎上分析了采煤機的智能化感知及控制技術的核心問題，給出了智能化感知及控制技術突破方向。同時引入實時三維的GIS導航技術對其進行優化研究。葛世榮[3]研究了采煤機的智能感知、控制、截割、可視化監控等，實現了采煤機無人操作及遠程監控。為建設智能化綜采工作面打下重要基礎。邱錦波[4]對比國內采煤機的智能化技術和國外技術之間的差距，給出了采煤機的自動化智能化發展的方向。為我國礦井智能化提供了一定的方向。本文在采煤機智能化的需求基礎上，對采煤機的智能化控制、智能化截割及智能化感知進行了深層次的研究，實現了山西焦煤正利礦14-1106綜采工作面的無人化。

1 采煤機智能控制系統設計

山西焦煤集團嵐縣正利煤業有限公司14-1106工作面所采用的采煤機為雞西MG300/730BWD型采煤機，其是通過KTC101Z型順槽控制臺來控制組合開關進行上電和斷電控制，其它的控制通過本地控制或者采煤機專用遙控器控制，采煤機機身上有一個監測計算機，用于監測采煤機的運行狀態和查詢信息。但不具備記憶截割、狀態監測和無線通訊等自動化的要求，且采煤機定位精度不高，要實現采煤機自主割煤技術，需要對現有采煤機進行智能控制改造。根據智能化工作面建設的實際需要，對采煤機主控系統進行改造，使慣導系統、智能互感單元、溫度檢測單元、智能傳感器檢測單元及智能遙控接收器采集的數據通過CAN總線，傳輸至主控模塊，并通過機載無線WiFi將CAN總線數據及機載視頻數據傳輸至采煤機集控中心，經集控中心采煤機記憶割煤軟件、視頻監控系統與操作人員協調配合完成采煤機智能化控制，并實現采煤機牽引速度智能控制和采煤機滾筒高度智能控制[5]。采煤機主控系統數據傳輸見圖1，慣導裝置及主要智能傳感器在采煤機上的位置分布見圖2。

圖1 采煤機主控系統數據傳輸

圖2 智能傳感器位置布置

圖1中采煤機主控系統進行改造過程中所涉及的主要單元及模塊的功能如下：

慣導系統(INS)是一種不依賴于任何外部信息、也不向外部輻射能量的自主式導航系統，具有隱蔽性好，可在空中、地面、水下等各種復雜環境下工作的特點。它是一種無框架系統，由三個速率陀螺、三個線加速度計和微型計算機組成，通過測量采煤機在慣性參考系的加速度，將它對時間進行積分，之后將其變換到導航坐標系，得到在導航坐標系中的速度、偏航角和位置信息等，從而實現井下煤礦采煤機的航向變化及姿態測量。在回采過程中，通過不斷的與初始航向角進行比較，實時調整采煤機的運行姿態，并配合液壓支架精細推拉管理系統，實現綜采工作面三直兩平的管理，同時防止刮板運輸機發生大的竄頭竄尾現象[6]。

智能互感單元主要是用于檢測左右截割電機、左右牽引變壓器、油泵電機的三相電流，通過CAN總線送到主控模塊，實現電機的短路、過載、超溫、缺相等保護。

溫度檢測模塊主要是用于檢測左右截割電機溫度、左右牽引電機溫度、牽引變壓器溫度、油泵電機溫度、左右牽引電機高速軸溫度，并將其傳輸至主控模塊，用于溫度顯示及保護。

智能傳感器模塊用于采集采煤機內/外部開關量、模擬量及高速脈沖信號，通過CAN總線送至主控模塊，并接受集控中心輸出的指令，實現與之相接設備的控制，對其進行保護。例如慣導系統、振動傳感器、傾角傳感器、D齒輪傳感器、油壓傳感器、油位傳感器、機載瓦檢儀等。

智能遙控接收器為無線遙控系統，可實現對采煤機的滾筒升降、牽引啟停、系統急停、啟停油泵電機及啟停截割電機、顯示屏翻頁、參數設置、故障屏蔽等操作[7]。

2 采煤機智能控制系統改造效果

通過對采煤機主控系統進行改造后，實現采煤機記憶割煤。記憶截割有兩個過程，第一個過程先進行學習方式，即由采煤機司機根據工作面煤層高低起伏條件，割示范刀，控制系統將采煤機截割過程的采煤機位置、姿態、滾筒位置、牽引方向，牽引速度、電流、運行等信息存入計算機。第二個過程進入記憶截割模式后，采煤機運行動作和指令再現示范模式存入的運行信息，根據記憶的信息自動調節采煤機割煤高度和運行速度等。如煤層條件發生較大的變化，則由采煤機司機手動操作割煤（作為采煤機位置程序的微調）并自動記憶調整過的工作參數，作為以后采煤機切割時滾筒調高的參數。采煤機將在司機最小限度的干預下自動運行。記憶截割軟件模塊將液壓支架姿態、刮板運輸機姿態、采煤機姿態、當前工藝段區間設定值聯合運算，將計算所得目標值通過順槽終端下發到采煤機，配合視頻監控及人工手動干預手段，進行采煤機滾筒高度、牽引速度、方向的智能調節控制。

3 效果分析及建議

經多次現場試驗，改造后的智能化采煤機系統將14-1106綜采工作面的工作人員由17人減少至8人，人工效率提高190.7%，單循環操作時間縮短62.96%，并可穩定實現牽引速度為3 m/s以下的采煤機、刮板運輸機和液壓支架的協調聯動及全自動無人工干涉連續割4 刀煤的成績，但距離綜采工作面實現無人操作還相距甚遠。其主要原因是對未采煤層區域內的地質構造不清楚，又沒有可以替代采煤機司機的人工智能對煤礦井下復雜的現場作業環境進行準確研判。所以，智能化采煤的下一步方向就是研發一種技術，該技術能夠即時“看到”未開采煤層的斷層、富水層、頂板來壓等地質情況，從而可以提前擬建采煤工作面的回采路徑，調整采煤裝備的姿態及回采速度，并部署最佳回采方案，實現地質可控、工作面無人的本質安全的采煤方案。

4 結語

采煤機智能化控制技術研究的目的就是為了實現礦井智能化，礦井采煤機智能化控制技術是在礦山地質條件透明化的前提下，應用人工智能，實現井下綜采工作面的無人開采及煤機裝備的少人化檢修。通過對雞西MG300/730BWD型采煤機的主控系統進行改造做到少人則安、無人則安，實現了采煤機的智能化控制，并取得了一定的成績，具有借鑒和指導意義。