综采工作面采煤机与液压支架的智能化协同控制

综采工作面采煤机与液压支架的智能化协同控制

张兴宇

内蒙古北联电高头窑矿业有限责任公司 内蒙古 鄂尔多斯市014323

摘要：矿井智能化协同开采技术是未来我国煤矿高效开采的发展趋势。回采工作面由采煤机割煤、液压支架维护顶板并创造安全生产空间、刮板输送机实现煤炭外运并为采煤机往返移动提供轨道，现阶段采煤机、液压支架操作相互独立。煤炭开采需相关人员相互配合，由于噪声大需要通过扩音电话进行通信，从而在一定程度降低煤炭生产效率。综合自动化、智能化控制是采煤工作面煤炭开采设备主要发展方向，实现采煤机、液压支架协调自动控制，可减少采煤工作面人员数量，提高煤炭生产效率及安全保障水平。本文主要分析综采工作面采煤机与液压支架的智能化协同控制。

关键词：综采工作面；采煤机；液压支架；协同控制技术

引言

采煤机、刮板输送机和液压支架为面向综采工作面的核心设备，其中采煤机负责对工作面煤层的截割、落煤等任务；刮板输送机承担煤炭的运输任务；液压支架承担对工作面的支护，保证工作面的安全生产。目前，上述“三机”单机的自动化、智能化水平已经达到一定程度，制约工作面生产效率主要因素为“三机”的协同控制水平较低，其定位跟踪、参数匹配等方面还需进一步研究，导致工作面生产效率偏低。

1、综采工作面采煤机与液压支架的技术原理

综采工作面采煤机和液压支架是煤炭综合采煤工艺中的关键设备，其合理协同作业对煤矿的生产效率和安全性至关重要。典型的综采工作面采煤机通常由底盘、截割部、传动系统、液压系统、控制系统等部件组成。采煤机通过截割部上的截齿或切割盘对煤层进行切割或挖掘，然后将煤块送入输送设备进行运输。采煤机的传动系统通常采用电动机或液压驱动，通过控制系统实现对采煤机的远程控制和操作。现代采煤机普遍具备智能化功能，包括自动化控制、故障诊断、作业参数监测等，提高了操作便捷性和采煤效率。液压支架通常由立柱、护顶架、油缸、液压阀组成，整体结构强度高、稳定性强。液压支架通过液压油控制油缸伸缩，调整支架高度和倾斜角度，实现对煤层的支撑和推进。液压支架具有良好的自适应性，能够根据不同煤层的情况调整工作参数，保证安全高效的开采作业。

2、煤矿开采过程中的关键问题

煤矿开采过程中瓦斯爆炸、煤尘爆炸、火灾等安全事故时有发生，严重威胁矿工的生命安全和矿山的生产秩序。如何有效预防和控制矿井安全事故是煤矿开采过程中的首要问题。不同地质条件下煤矿的开采难度差异较大，需要根据具体情况设计合理的采煤方式和支护措施。地质灾害如冒顶、冒落、冲击地压等也是影响矿井安全和生产的重要问题。煤矿资源的有限性和非可再生性使得煤矿开采需要在提高资源利用率的同时保护煤矿环境，实现资源的可持续利用。如何实现绿色、低耗的煤矿开采成为矿业的发展趋势。煤矿开采的自动化、智能化水平直接关系到煤矿的生产效率和安全性。如何充分应用数字化技术、人工智能、大数据等技术，实现煤炭开采全流程的智能化成为当前煤矿行业的重要课题。

3、综采工作面采煤机与液压支架的智能化协同控制设计

3.1系统架构设计

在设计综采工作面采煤机与液压支架的智能化协同控制系统架构时，需要考虑系统的整体性、稳定性和可靠性，以实现设备之间的协同工作和信息交换。系统架构涵盖了采煤机和液压支架两大关键设备，并将它们连接起来，形成一个整体控制网络。在这个网络中，采煤机被设计为主控节点，负责监控煤层情况、煤炭开采效率，以及与液压支架的协同动作；而液压支架则是从节点，通过与采煤机之间的数据传输和响应，调整支撑高度、倾斜角度等参数，以优化煤层支护。系统架构还包括了数据传输网络部分。通过搭建高效可靠的数据传输通道，确保采煤机和液压支架之间的数据及时、准确地传递。这就要求系统能够支持实时数据传输和信息共享，保证整个智能化协同控制过程的流畅进行。系统架构还考虑到了系统的可扩展性和灵活性。在设计中留有充足的接口和适配器，使得系统可以方便地应对未来可能出现的新需求和新技术，具备良好的扩展性和更新性。这样的系统架构设计将为综采工作面采煤机与液压支架的智能化协同控制奠定基础，实现设备之间的高效协同作业，全面提升煤矿生产的效率和安全性。

3.2控制算法设计及优化

在综采工作面采煤机与液压支架的智能化协同控制设计中，控制算法的设计及优化是非常关键的环节。合理的控制算法可以保证采煤机和液压支架之间的协调运行，优化煤矿生产效率和安全性。在智能化协同控制设计中，需要开发适用于综采工作面的控制算法。这需要深入理解采煤机和液压支架的工作原理和特点，并结合实际工况和开采需求，制定相应的控制策略。例如，可以根据传感器数据和采煤机的工作状态，控制液压支架的支撑高度、倾斜角度等参数，以确保煤层的有效支撑和采煤机的顺利运行。控制算法的设计应考虑到煤层地质条件的变化。不同地质条件下，煤层的稳定性、冒顶风险等存在差异，因此控制算法应能够自适应地响应煤层变化。通过引入自适应控制策略，根据实时采集到的地质信息和传感器数据，实现对液压支架的动态调整，以最佳方式进行煤层支护，提高开采效率和安全性。控制算法的设计及优化是综采工作面采煤机与液压支架智能化协同控制中的核心内容。通过合理设计和优化控制算法，可实现设备的高效协同作业，提高煤矿生产效率和安全性。

3.3自动化控制与人机协同

在综采工作面采煤机与液压支架的智能化协同控制设计中，自动化控制与人机协同起着重要的作用。通过自动化控制，可以提高生产效率、降低人为操作错误的风险；而通过人机协同，可以在需要人工干预的时候保证操作的准确性和安全性。自动化控制是实现智能化协同控制的核心。通过引入自动化控制系统，采煤机和液压支架可以通过传感器和执行机构的反馈信息进行自主运行和协调动作。例如，采煤机可以根据传感器获取的煤层情况和矿井环境变化，自动调整截割参数和推进速度，以最优方式进行煤炭开采；液压支架也可以根据传感器数据和系统指令自动调整支撑高度和倾斜角度，确保煤层的稳定性。人机协同是确保系统安全和灵活性的关键。虽然自动化控制可以实现部分自主操作，但在某些情况下仍需要人工干预。例如，在复杂地质条件下或紧急情况发生时，人员需要及时监控和干预采煤机和液压支架的运行状态，做出相应调整和决策。此外，人机协同还可以通过人机界面实现操作员与系统之间的交互和信息传递，提供实时数据展示、报警提示和操作指导，帮助操作员更好地掌握煤矿开采过程，并进行必要的决策。综采工作面采煤机与液压支架的自动化控制与人机协同是实现智能化协同控制的重要手段。通过自动化控制，实现设备的自主运行和协调；通过人机协同，保证人工干预的准确性和安全性。这将使综采工作面的生产更加高效、安全，并满足煤矿开采的需求。

4 结束语

总而言之，采煤机、液压支架等是回采工作面主要生产设备，提高设备协调控制能力对提高煤炭开采效率及安全保障能力具有显著的促进意义。

参考文献：

[1]王国法,任怀伟.煤矿智能化开采模式与技术路径[J].采矿与岩层控制工程学报,2020,2(1):5-19.

[2]王国法.煤炭智能化综采技术创新实践与发展展望[J].中国矿业大学学报,2018,47(3):459-467.

[3]王国法.煤矿智能化研究与实践[J].煤炭科学技术,2019,47(8):1-36.

[4]徐志强.煤矸智能分选的机器视觉识别方法与优化[J].煤炭学报,2020,45(6):2207-2216.

[5]张锦旺.液体介入提升煤矸识别效率的试验研究[J].煤炭学报,2021,46(3):1-14.