无人采煤机的定量采煤系统

无人采煤机的定量采煤系统

梅笑瑞  ,李沐 ,刘斌  ,阮清宇  ,张利嘉  ,齐晶薇

（哈尔滨远东理工学院，黑龙江，哈尔滨）

摘要

无人工作面是一项综合性很强的系统工程。随着煤炭行业的稳步发展,生产安全问题和可持续开发问题越来越受到人们的重视,推动了无人工作面开采技术的发展。智能无人采煤工作面技术是对各领域科学技术的综合创新利用。文章就智能无人采煤工作面开采的关键技术问题进行分析。

关键词：无人工作面;智能采煤;关键技术

一、 课题研究背景及意义

在矿山采煤的过程中，由于工作环境复杂，人力危险，传统的人工采煤方式已经无法适应现代化高效、安全、绿色的采煤需求。而采煤机器化技术以及相关技术的研究和应用则在一定程度上改变了这种情况。然而，在无人化采煤方面，国内外研究仍相对落后，无人采煤机的相关研究和应用也有待进一步加强。因此，本文旨在对无人采煤机的定量采煤系统进行深入研究，以期为采煤行业的发展和环境保护做出贡献。

二、采煤机定量采煤系统的功能需求分析

主要包括两个方面：采煤能力和定量化采煤需求。具体来说，需要满足以下三项功能需求。第一，采煤能力。无人采煤机的采煤能力是确定工作效率的重要因素，同时也关系到采煤机的尺寸、重量、功率和生产效率。因此，在设计采煤机时需要充分考虑生产环境的实际情况和采煤煤层的物理特性，确定采煤机的采煤能力和相应的技术指标。第二，定量化采煤需求。随着煤炭资源的逐步减少，矿井对煤炭采取“节约型”和“效益型”的管理理念，对生产效率和资源利用效率的要求越来越高。定量化采煤是提高采煤效率和优化煤炭资源利用方式的一种重要手段。因此，在设计采煤机时，需要具备相应的定量化采煤技术，确保煤炭的准确采集和计量。第三，适应性和智能化。由于煤炭采矿生产环境的复杂性和多变性，无人采煤机的应对能力也需要具备相应的适应性和智能化。采煤机需要通过对采煤场地、煤炭煤层、采煤工艺等方面的实时监测和判断，快速做出应对策略，确保采煤效率和工作安全。基于以上三点功能需求，本文将结合采煤机定量采煤系统总体方案设计，详细探讨和阐述无人采煤机定量采煤系统的设计特点和技术指标。

三、采煤机定量采煤系统的总体方案设计

采煤机定量采煤系统是无人采煤机的核心部分，其功能是将采煤机在工作过程中采集到的煤炭进行定量统计并记录。针对该系统的功能需求，我们设计出了该系统的总体方案，包括硬件设备和软件系统。硬件设备方面，该系统采用了高精度的称重传感器和数据采集器。称重传感器可以精确地测量煤炭重量，并将数据传输给数据采集器，数据采集器将采集到的各项数据进行整合，并将结果传输给软件系统。软件系统方面，该系统主要包括数据处理和管理两个部分。数据处理部分主要负责将采集得到的数据进行处理，完成对采煤机采集的煤炭数据的定量统计，计算出各个时间段内的采煤量等指标，并输出分析结果。管理部分则负责对数据进行存储和管理，保证数据的安全和完整。该系统的技术指标包括精度和稳定性两方面。

四、采煤机定量采煤系统的总体方案

本文针对无人采煤机实现定量采煤的需求，提出了采煤机定量采煤系统的总体方案。该系统包括硬件和软件两部分，其中硬件主要包括传感器，执行器，控制器等部件，软件则包括数据采集、处理与分析算法等。系统的总体设计思路是，通过对采煤机进行多传感器数据实时采集和分析，了解采煤机的运行状态和采煤量情况，通过执行器对采煤机的采煤过程进行控制，从而实现对采煤的定量控制。其中，硬件设计是实现整个系统的基础，包括选用合适的传感器、执行器和控制器，建立传感器与控制器之间的信息传输通路，保证采煤机的运行数据可以实时传输到控制器。技术选型方面，采用多元传感器监测煤层采深和行走速度，通过工作电压在负载的自动调节控制操作，实现对采煤机的自动化控制，并利用无线通讯技术对采集的数据进行传输和处理。软件设计方面，研究基于机器学习的采煤机动态分析算法，优化煤层采深动态计算模型，提高系统对采煤工作实时数据处理和决策的能力。同时，为了进一步提高系统的鲁棒性和稳定性，系统还具备了故障检测和报警功能。

4.1采煤机定量采煤系统的硬件设计

采煤机定量采煤系统的硬件设计包括控制器、传感器等组成部分。其中，控制器是整个系统的核心，它负责采集和处理传感器信号并控制采煤机的动作。传感器则负责采集煤层厚度、煤岩界面位置等数据，并将这些数据传送给控制器。硬件系统的设计应该满足采煤机定量采煤需求，同时还要注意节约成本、提高可靠性等问题。在硬件设计中，控制器是最关键的部分，它采用了嵌入式系统设计。控制器采用工业级微控制器，能够处理实时数据，并能够实时响应控制指令。同时，采用精密时钟芯片，保证了系统时序的准确性。

4.2采煤机定量采煤系统的软件设计

在无人采煤机的定量采煤系统中，软件设计是关键的一环。系统软件设计需要保证采煤机的准确定位、精确计算、机器视觉以及实时控制等功能。首先，系统需要实现全局定位功能。通过全局定位技术，可以精确得出采煤机的位置信息，同时获取煤层和煤壁的信息。为此，系统采用基于机器视觉的全局定位方法。以机器视觉作为定位核心，实现对采煤机与煤层、煤壁之间的空间关系的判断。

其次，系统需要实现采煤机的精确计算功能。在采煤机的定量采煤过程中，需要精确得出煤层的厚度和煤的重量等参数。为此，系统采用高精度传感器与计算模型相结合的方法，实现对采煤机动态参数数据的采集与处理。系统用户可以通过图形化界面精确控制采煤机刀盘的行驶和煤齿的挖掘，以保证采煤效果。其三，系统需要采用实时控制方法，确保采煤机的安全稳定运行。在定量采煤过程中，采煤机的速度、方向等变化都是实时的，因此需要采用实时控制方法对采煤机进行控制。采煤机的运行状态和采煤工艺参数，将通过控制指令进行实时调整和控制，从而确保采煤机的安全稳定运行。

五、试验方案

在试验过程中，我们对采煤机的各项参数进行了高精度的测量和调整，以使其处于最佳工作状态。其次，为了验证本文提出的无人采煤机定量采煤系统对于煤层厚度、煤质等不同环境的适应性，我们选取了多个具有不同煤层厚度和煤质的采煤工作面进行试验。在试验过程中，我们将根据不同的采煤工作面，合理设置无人采煤机的采煤深度和速度，并进行多次重复实验，以保证试验结果的可靠性。

六、试验结果

试验结果表明，无人采煤机定量采煤系统在实际应用中取得了良好的效果。在试验过程中，该系统成功完成了对煤矿场地的扫描和分析，另外，在试验中我们还发现了系统存在的一些问题。例如，在环境较为恶劣的地方会导致系统的识别精度下降，需要进一步改进系统算法和硬件结构；同时，在系统应用过程中球型摄像头受到影响，如有异物进入作业区域，会对球型摄像头造成损坏，需要进行增强保护。总的来说，无人采煤机定量采煤系统在实际应用中表现出了足够的优势和潜力，可以为煤矿采煤生产带来很大的改变。但同时，我们还需要进一步完善和优化系统，以提高系统的鲁棒性和普适性，使其能够更好地适应各种复杂的采煤环境和作业场景。

参考文献

【1】煤矿智能无人采煤工作面开采关键技术分析宫平;文秀龙;赵鹏飞 - 《南方农机 》- 2019

【2】浅谈复杂地质构造区域瓦斯治理实践-中国期刊网- 《网页 》-

【3】煤矿矿井通风安全管理刘应军 - 《能源与节能 》- 2022

【4】无人工作面的采煤机智能控制技术贺新星[1] - 《今日自动化 》- 2021             

2022年项目  项目编号：202213301054  黑龙江省  国家级一般项目