以采煤機為核心的自動化煤礦綜采工作面的實現方法

王朝

摘 要：煤炭作為一種重要的能源和戰略物資，在國民經濟和社會發展中起著關鍵作用。煤炭井下開采環境惡劣，效率低，同時伴隨著一定的人員傷亡。建國以后，尤其是近十幾年的技術發展和設備更新，使得煤礦綜采效率有了巨大飛躍。為了進一步提升工作面的開采效率和安全可控性，煤炭企業和煤機技術人員，以高水平的自動化和智能化開采作為目標，進行了大量的嘗試，并取得了一定成效。

關鍵詞：煤礦綜采；智能化；自動化；仿形截割

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.12.053

0 前言

井下綜采工作面，是我國目前井下煤炭機械化開采最為普遍的形式。其高效性、安全性和自動化程度被廣泛認同為煤礦企業生產最高水平的標識。隨著控制技術和通訊技術的不斷發展，越來越多的技術人員和煤炭企業將構建自動化、智能化、無人化綜采工作面視為工作的方向。

1 采煤機仿形截割的發展過程和現狀

（1）基礎仿形截割。初期的采煤機仿形截割的實現有很多不利因素——以PLC為核心的控制中心，存儲和通訊能力有限，僅能夠進行單一割煤工藝段的仿形。其實現途徑是記錄前一次的人工往返割煤過程的采煤機位置及對應的左右搖臂高度（示范刀），并在后一次自動割煤時回放，對應往返兩次割煤的采煤機位置來調整滾筒高度。支架則需要人工干預，及時調整。這個階段的仿形截割有以下缺點：1）缺乏人工干預調整和修正示范刀的功能設定；2）位置確定需要靠預設在電機軸一側的接近開關計數實現，精確性差；3）搖臂調高的精度低；4）通訊能力差導致三機協同不理想 。

（2）引入設備聯動的半自動仿形截割。這個階段的采煤機控制系統經過升級，具有較強的數據處理和存儲能力。并且很多煤礦企業在采煤機機身上加裝本質安全型紅外發射裝置，在支架上安置接收裝置，用來確定采煤機對于支架系統的相對位置，與采煤機原有的絕對位置相佐證，并連鎖支架電液控系統，進行支架控制，配合采煤機仿形截割。這種方法一定程度上實現了自動化的三機聯動，并解決了人工干預打斷問題，具備示范刀修正的功能，但頻繁的人工干預，仍然使其使用效果大打折扣。

（3）建立在集控平臺之下的自動化三機聯動仿形截割。隨著技術的進一步發展，更多經過實際驗證了穩定性的設備和技術應用于煤礦綜采。以太重煤機的方案為例：在這個階段，采煤機具有完善的數據處理和記錄能力，可以實現多工藝段（包括斜切進刀、割三角煤刀、掃煤等），同一位置對應不同采高記憶；搖臂采用PID比例調高，確保了控制精度，控制器處理速度<10ns，保證控制的及時性；使用旋轉編碼器對采煤機進行精確定位，控制精度±5cm；內部使用CANBUS，總線通訊速率>250Kpbs。采煤機的工藝段設定及采高、位置、自動程序割煤都會上傳至順槽集控平臺，集控平臺再將數據邏輯處理，將控制指令發送給支架電液控系統，進行統一調度。采煤機、支架、刮板運輸機任何一方有故障或者特殊情況發生，都有應急的處理和調整方案。也可以通過以井下環網，將工作面情況上傳至煤礦管理上位機，以加入注入煤倉管理、煤流平衡之類的其他聯動關系。構成一個通訊及時，管理統一的邏輯控制平臺。一線人員人數降低，效率大大提升。目前我國煤礦綜采工作面的技術水平就處于本階段。

2 以采煤機為核心的自動化綜采的實現方法

（1）采煤機的位置確定。區別于以往電機軸側的計數和支架紅外校準的方法，采用旋轉編碼器采樣程序，確定采煤機的絕對位置，其定位精度更高，再配合變頻設備與控制中心的CANBUS通訊，可以及時準確的對采煤機實際位置進行校正，控制精度±5cm。

（2）搖臂高度的控制。放棄原有開關閥組，采用比例閥PID的小閉環控制方案，程序控制搖臂逼近目標值，采高控制誤差<±5cm。

（3）多工藝段的仿形截割和程序截割。細分綜采工作面割煤工藝段，每個工藝段分別進行仿形記憶，建立自更新數據庫，也可程序編輯各工藝段切割流程。（見圖1）

（4）人工干預和修正技術。在程序割煤過程中，如果不同工藝段的原仿形數據設定與當前情況發生出入，可以使用遙控設備轉為手動操作，對工藝段的現有數據進行局部修改——并可選則更新或者保持原數據設定。

（5）三機協同聯動。首次示范全工藝段割煤，支架系統可以根據采煤機位置和搖臂高度實現被動跟隨。在形成完整的數據庫備份之后，支架系統就可以綜合原有數據設定和目前采煤機實際工況，對于各種不同故障和臨時狀況做出及時反應，實現比較復雜的邏輯和動作。

（6）通訊與集控平臺管理。采煤機和支架系統到順槽集控平臺的通訊可有多種選擇：4G、wifi或者加強型RS485等方式。集控平臺配置防爆工控機和相應的視頻監視設備，集中處理、記錄、修改各工藝段的數據，并在保證安全的前提下，逐步推進程序控制。敷設環網的煤礦企業可以將工作面全部設備的狀態數據，經由順槽集控平臺傳至煤礦企業調度中心，實現統一管理。

3 結語

在本階段技術成熟的基礎上，可以利用諸如煤層巖石層的識別和透視，等地質識別的方法。在整個煤層開采之前或者部分開采之后，將煤層模型輸入和應用到集中控制平臺，通過平臺已有的數據庫，制定整個煤層的開采方法并預計三機聯動的各個工藝段模式。實現真正意義上的智能化、無人化煤礦綜采。

參考文獻：

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