煤矿综采工作面智能化技术与设备分析

煤矿综采工作面智能化技术与设备分析

席可峰

义煤集团宜阳义络煤业有限责任公司   河南省洛阳市

摘要：在我国能源生产与消费中，煤炭扮演着重要角色。近几年，我国煤炭综采工作面日益复杂，隐含突水、瓦斯、火灾以及顶板垮塌等诸多安全风险，给生命安全带来了较大威胁。智能化开采技术可以促进煤矿无人化开采，在提高煤矿综采工作面开采效率的同时，可降低安全事故发生率。基于此，本文主要就煤矿综采工作面智能化技术与设备进行分析。

关键词：煤矿；综采工作面；智能化技术；设备

1煤矿综采工作面智能化的重要意义

1.1提升煤炭开采效率

煤矿综采工作面的智能化通过引入自动化控制技术和智能化设备，实现了机械设备的远程操作和精准控制。这不仅减少了人工干预，还大大提高了煤炭开采的效率。例如，智能化采煤机可以根据煤层厚度和硬度自动调整采煤速度，智能化输送机则能根据煤炭的运输需求自动调整输送速度，确保煤炭的及时运输。这种高效、精准的开采方式，使得煤炭产量和开采效率都得到了显著提升。

1.2降低工人劳动强度

在传统的煤炭开采中，工人需要承受高强度的体力劳动，工作环境恶劣，安全风险较高。而煤矿综采工作面的智能化，通过智能化控制系统和辅助功能模块，将工人从高强度的体力劳动中解放出来。例如，智能化集控中心可以集成语音识别唤醒、一键开关机、控制台智能升降等功能模块，为工作人员提供一个更加舒适的工作环境。这不仅降低了工人的劳动强度，还提高了工作舒适度，有利于保障工人的身心健康。

1.3提高煤矿安全生产水平

煤矿行业属于典型的高危行业，生产过程中始终伴随着水害、火灾、瓦斯、粉尘等灾害隐患。煤矿综采工作面的智能化，通过实时监测和自动化控制等技术手段，大幅提高了煤矿的安全生产水平。例如，智能化瓦斯监测系统可以实时监测工作面内的瓦斯浓度和气体成分，预防瓦斯事故的发生；智能化紧急制动系统则能在紧急情况下自动停机并报警，避免事故的扩大。这些智能化设备和系统的应用，有效降低了煤矿事故的发生率，保障了工人的生命安全。

2综采工作面智能化技术与设备分析

2.1采煤全景姿态监测与控制

采煤全景姿态监测与控制是煤矿综采工作面智能化开采的关键。为实现采煤全景姿态监测与控制，可在煤矿综采工作面布置牵引部轴编码器、机身倾角传感器以及摇臂倾角传感器，分别用于采煤机粗略定位、机身倾角监测（含俯仰角、横滚角）以及左右摇臂倾角监测。机身倾角传感器需适应综采工作面地形，自动在记忆截割期间对截割高度进行补偿，并与左右摇臂倾角联合，控制左、右摇臂与机身铰接点的绝对转动角度。在传感器安装后，以直接固定连接的方式将惯性测量元件（三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁偏计）设置在采煤机机身中心。随后，经导航解算对采煤机进行精准定位，实时输送采煤机偏航角、横滚角以及俯仰角度信息。

2.2液压自适应跟机精准推移

液压自适应跟机精准推移是依据预先设定程序，自动完成液压支架下降、移动以及上升。在液压支架自动完成动作过程中，传感器为优先判断条件，时间动作保护值为辅助判断条件，经双参数冗余判断动作是否完成到位。若动作达到设定阈值，自动结束动作；若动作未达到阈值，则判断动作执行时长，在动作执行达到最长时间后结束动作。液压自适应跟机精准推移过程中，预先设定正常跟机范围后，自动执行跟机推溜和跟机自动移架动作。而在煤壁被采煤机前滚筒割除后，自动划定补充移架范围和蛇形弯曲段范围，并跟机修正自动移架动作和蛇形弯曲段推溜动作。同时，在采煤机返刀截割工作面端头底煤后，划定三角煤补充移架区域，自动执行液压支架移动。在推溜区域液压支架后，划定端头补充范围，及时完成巷道顶部支护。

2.3液压支架协同自适应控制

为实现液压支架与采煤机的协同自适应控制，可以将采煤机作为基准点，设定液压支架跟机场景。在液压支架跟机场景中，液压支架的动作受采煤工艺和采煤机位置姿态的直接影响。可以将采煤机前方特定编号的液压支架作为对象，依据采煤机运行方向和当前位置进行收护帮板动作控制；而对于采煤机后方特定编号的液压支架，可以根据采煤机运行方向，结合液压直接特定位置，执行移动液压支架、伸护帮板或推溜等动作。在整个过程中，采煤机的机身长度是固定的，液压支架移动宽度为采煤机前、后滚筒外侧距离的整数比。考虑液压支架机械单元结构限制，其跟机移架动作存在极限时长。在综采工作面进行采煤时，液压支架的移架动作时长遵循正态分布，基于此，可以设定液压支架移动动作时长的单侧置信度。结合综采工作面液压支架个数，可确定分布系数。根据分布系数，剔除非有效数据，对剩余数据进行准确度和精密度的计算，并判定有效性，避免意外因素形成无效数据干扰液压支架移架动作时长。同时，需要设置液压支架与采煤机移动过程相适应的跟随关系，从而促使液压支架自动感知采煤机运行，并自适应执行跟随动作。

2.4数字孪生系统技术的应用

分析数字孪生系统将实体物体或系统物理和行为特征数字化，构建虚拟模型，并通过实时数据更新，模拟实体物体或系统在真实环境中的运行状态。在煤矿生产管理中，数字孪生系统可以模拟制造设备的运行状态，帮助优化生产流程，提高效率，并通过模拟施工过程，提前发现问题。例如，在数字管理系统中，界面左侧呈现当前工作面的开采进度，绿色区域表示已进入采空区，黑色区域表示待采区域。在“CT”截割曲线中，展示当前切眼位置下一刀的规划采煤曲线。在界面中央的地质模型区域显示当前时间。相邻的采煤机相对位置展示采煤机在一段时间内在工作面切眼的相对位置，该曲线主要用于展示采煤机在工作时随着时间推移走过的路径。通过综合考虑多个技术要点，煤矿综采管理可以设计出具有高度可靠性、实时性和用户友好性的数字孪生系统，更好地支持实体系统的监测、分析和优化。

2.5自适应割煤调高与调速技术应用

自适应割煤调高技术是确保系统能够智能、实时地调整采煤机滚筒高度，以适应地质条件、煤层变化以及其他环境因素，从而提高采煤效率，并保证采煤安全性。在设计原则上，调高系统与调速系统需要完善实时数据感知与采集、规划开采模型与叠置分析、自适应算法与智能决策等功能单元，以确保自适应割煤调高技术更加可靠和高效，提高采煤作业的自动化水平。在调高系统的功能设定上，自适应割煤调高系统首先基于叠置分析结果启动自适应算法，智能计算出滚筒的调整值，通过算法考虑滚筒的平滑性和稳定性，避免频繁大幅度调整，在此基础上，将计算得到的滚筒调整值下发至采煤机控制器，控制器接收调整值后对滚筒进行高度调整。而在调速系统使用功能设定上，系统连接的传感器能够采集采煤机的运行数据，包括速度、载荷以及电流等参数，主机单元基于实时采集的数据和工作面环境监测结果启动调速算法，计算出采煤机应该调整的速度，开关单元将计算得到的速度调整值下发至采煤机控制器，并不断优化调速算法，以适应不同工作面的特殊情况。
结束语

总的来说，煤矿综采工作面智能化技术与设备的不断发展，标志着煤矿行业正朝着更加智能、高效和安全的未来迈进。煤矿综采工作面智能化技术的快速推广与应用需要实现创新，即通过自动化控制、智能化采掘以及数据分析等关键技术不断升级，提高生产效率和安全性。
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