煤矿综采工作面采煤机智能开采技术应用试验研究

煤矿综采工作面采煤机智能开采技术应用试验研究

刘厚苗

陕西陕煤铜川矿业公司玉华煤矿柴家沟井,陕西省 铜川市 727200

摘要：目前国内煤矿工作面的开采设备均处于机械化开采阶段，并逐步朝着智能化方向迈进。而煤矿综采工作面采煤机的智能开采技术大多是基于对采煤机高精度的轨迹跟踪，包括记忆截割、人工远程干预两个方向。

关键词：煤矿综采；工作面；采煤机智能开采技术；应用

1协同开采技术思路

在回采工作面三维精准地质模型的基础上，以智能监控系统为辅助手段，建立集采煤机精准控制与液压支架精准控制等技术为一体的多源异构数据共享、互馈平台；利用采煤机实际揭露信息、液压支架的姿态信息、采煤机运行学及动力学信息、带式输送机实际轮廓信息等实时动态优化工作面的三维模型，即结合工作面当前截割的顶底板曲线，规划形成下一刀截割顶底板曲线，再转换成采煤机前后滚筒在工作面每个位置的采高、卧底量，下发给采煤机控制系统，使采煤机按照预剖顶底板曲线进行自动割煤，结合刮板输送机自动调直技术，实现智能化透明精准开采，基于三维精准地质模型的透明开采技术体系包含三维精准地质建模技术、采煤机精准控制技术与液压支架精准控制技术。其中，三维精准地质建模技术可对煤层及工作面区域的地质情况进行三维建模，经计算优化后由以太网传输至采煤机，为采煤机提供自动截割路径(后期采煤机自动截割过程中，上一次割煤路径又可由以太网反馈至三维模型，修正优化后指导下一次精准割煤，并重复这一过程直至工作面回采完毕);而采煤机精准控制技术包含感知与监控系统、控制与远程设计系统、自动截割系统、GMP地质模型接口系统，可以与液压支架精准控制技术等融合，从而实现煤炭资源的远程控制采出以及工作面无人化或少人化。

2采煤机智能控制系统

2.1智能调高设计

对采煤机的智能调高机理在于顶底板岩性智能识别技术，目前该项技术包括红外探测技术、伽马射线法、雷达探测技术等。该矿试验过程拟采用记忆截割技术，即事先对采煤机进行一刀手动割煤，根据煤层厚度变化进行高度调整，同时控制器对此次割煤的各阶段进行记录；在进行第二刀煤割采时，则不需要手动操控，可通过记录的数据操控采煤机滚筒进行自主截割，只需在遇到较大偏移及特殊煤质变化时对采煤机进行人工干预调整即可。该系统可通过安装角度传感器对采煤机摇臂机身的姿态进行监测调节，在采煤机的牵引部设置编码器对采煤机运移进行定位识别，以达到控制目的。该技术的重点在于控制器对测量数据的处理，各种参数如机身倾角、摇臂倾角、滚筒运移速度等的整体及时处理才可实现对采煤机摇臂、电机的有效控制，进而实现对滚筒截割高度的正确调整。采用记忆截割进行优化后，后续的割煤过程耗时有所减少，人工操作次数也明显降低。因此采用智能记忆截割进行煤层开采，可以更好地对煤层厚度及煤质进行适应，增大采煤机的开机效率。

2.2采煤机精准控制技术

采煤机精准控制技术以天地科技上海分公司二代DSP电控系统采煤机为研究载体，融合煤岩识别技术、采煤机记忆截割技术，根据地测数据构建的煤层三维地理模型，通过煤岩识别技术动态修正工作面煤层三维地质模型，并在煤层三维地理模型的基础上设计采煤机截割路径，采煤机电控系统根据工作面总体设计的截割路径进行精准割煤。1采煤机感知与监测系统。采煤机需要与工作面液压支架、刮板输送机、转载机、带式输送机等综采设备进行智能化协同控制。采煤机感知与监测系统是采煤机的感官系统，负责采煤机所有运行状态的监测，并感知采煤机所处的周边环境状况；采集到的数据与控制指令由采煤机的神经系统机载网络负责传输。采煤机设备监控感知数据点的组成情况见表1。数据量的采集与监控为准确判定采煤机实时运行状态提供基本信息，也为后续采煤机精准控制提供可能。2采煤机控制与远程设计系统。采煤机远程控制主要由采煤机巷道监控站实现采煤机数据上传和上位智能化平台控制指令接收和精准控制执行。智能化工作面的远程控制是一个协同控制过程，需要将采煤机控制系统、液压支架电液控制系统、转载机控制系统、带式输送机控制系统、泵站控制系统等综采工作面子系统进行集中监控，通过智能化平台将各子系统进行融合，并配合工作面视频监视系统，从而实现工作面设备远程控制。目前，采煤机巷道远程监控站与上位机智能化平台通讯主要采用ModbusTCP、ModbusRTU、OPC等，其中OPC是基于微软的OLE(现在的ActiveX)、COM(部件对象模型)和DCOM(分布式部件对象模型)技术，具体包括一整套接口、属性和方法的标准集，且OPC对应用系统环境要求比较严格，应用环境配置繁琐，使用不够灵活，目前在煤矿自动化监控系统中多用于数据监测，不用于设备控制。通常采煤机巷道远程监控站与第三方集控平台通讯采用基于以太网口的ModbusTCP通讯协议，或者基于RS485通讯接口ModbusRTU通讯协议。在实现采煤机巷道远程控制的过程中，采煤机巷道远程监控站作为Modbus从站，而工作面智能化平台作为Modbus主站，它们之间按照约定的通讯参数和数据格式进行通讯，实现采煤机割煤过程实时监视和精准控制。

2.3智能协调控制

在实际工作面生产过程中，采煤机要与刮板输送机及液压支架的运行进行配套调节。因此要确保对采煤机进行智能控制的同时，不会对液压支架及刮板输送机的正常运行造成影响，即对采煤机进行智能协调控制，一是对采煤机的牵引速度进行智能操控，避免其不受控制进行异常运行，可通过控制油缸的伸缩量与牵引速度进行协调；二是对滚筒的调高进行控制，主要是通过控制牵引部来避免对液压支架护帮板造成破坏，可通过监测采煤机牵引电机的电流、截割电机的电流数值进行控制；三是对刮板输送机的电机电流值进行监测，保证其牵引速度的异常情况能够及时感知控制。电牵引采煤机中最庞大的构件在于其机电液控制部，因此整个系统的智能协调控制是否稳定就在于能否对该部件进行有效控制。可将其命令的优先等级进行规划，根据采煤机的左右截割电机、牵引部电机及采煤机的工作状态进行分类。而采煤机的电机电流也可根据异常值分为波动、报警、正常运作三种情况，例如当采煤机的右侧截割部出现电流值波动而牵引电机电流值出现报警时，就应将后者作为优先级指令，保持截割部高度不变，对牵引速度进行调整。当牵引电机恢复正常后优先指令则变为了截割部，此时将摇臂下降即可，基于此操作则可对采煤机的指令优先性进行有效控制。

2.4液压支架控制技术

液压支架精准控制技术的核心为移架调直技术，其关键算法为计算移架目标值，即每台液压支架在自动调直过程中的拉架距离，计算时主要考虑2个参数：最大移架距离和最小移架距离。其中最大移架距离是指支架满量程移架时每个支架所允许的最大移架距离，一般等于采煤机滚筒的截深，对于已确定的工作面，该参数是固定不变的；最小移架距离是人为设定的一个参数，是指调直过程中每一个支架的最小移架距离，该参数的目的是保证工作面的正常推进，防止因为自动调直而严重影响产量。

3结论

(1)基于三维精准地质模型的透明开采技术包含三维精准地质建模技术、采煤机精准控制技术与液压支架精准控制技术等，其中三维精准地质建模技术主要利用钻探、物探、测量、采掘等信息，构建工作面三维地质精准模型。(2)采煤机精准控制技术包含感知与监控系统、控制与远程设计系统、自动截割系统、GMP地质模型接口系统，通过与液压支架精准控制技术等协同工作，可以实现工作面的无人化或少人化远程控制开采。(3)智能采煤工作面协同开采技术实现了截割曲线自动规划、刮板输送机自动调直、采煤机自动割煤等智能化功能，降低了工人劳动强度，提高了采煤作业安全性与生产效率，取得了较高的技术经济及社会效益。

参考文献：

[1]王绍岩.采煤机智能协调控制策略及试验研究[J].机械管理开发，2021,36(9):248-250.

[2]马钰杰.基于嵌入式技术的采煤机调速控制装置研究[J].机械管理开发，2019,34(1):171-172.

[3]冯星.采煤机滚筒智能调高及记忆控制的策略研究[J].机械管理开发，2021,36(5):181-182;185.