不同煤層地質條件下智能化無人綜采技術

白瑩

【摘 要】煤礦綜采是一項智能化程度較高的大型煤炭開采技術，需要多種智能設備配合完成，綜采技術已經向智能化、少人化甚至無人化方向發展。本文分析了目前國內外智能化無人開采技術應用現狀及推廣制約因素，并結合人工智能及新一代工業革命發展方向對煤炭智能開采技術進行了展望。

引言

隨著智能化、互聯網、大數據、人工智能、智能制造等技術日趨成熟，國家安全生產及科技管理等部門，在煤炭行業大力推進智能開采技術。2015年國家安全生產監督管理總局在煤礦等重點行業領域開展“機械化換人、自動化減人”科技強安專項行動，重點是以機械化生產替換人工作業、以自動化控制減少人為操作，大力提高企業安全生產科技保障能力。2016年國家發展改革委和國家能源局發布的《能源技術革命創新行動計劃（2016—2030年）》，明確了能源技術創新的15個重點任務，其中首要一條，就是要實現煤炭無害化開采技術創新，2030年實現智能化開采，重點煤礦區基本實現工作面無人化，全國采煤機械化程度達到95%以上。2017年，科技部牽頭相關部委制定了“十三五”國家重點研發計劃“公共安全風險防控與應急技術裝備”重點專項，如目前由20家產學研單位承擔的“煤礦智能開采安全技術與裝備研發”項目，分課題重點研究煤層智能開采基于煤巖界面識別的工作面智能調高技術、煤礦智能開采透明工作面的構建技術、巡檢機器人、智能開采大數據采集分析處理平臺、智能開采安全技術和裝備集成與示范等，精準攻關煤炭開采新技術，科學引領煤炭行業科技發展方向，實現智能化無人綜采技術水平的不斷提升。

1綜采自動化發展概況與技術特征

1.1綜采自動化發展概況

美國和澳大利亞煤礦開采自動化水平普遍較高，自20世紀80年代起，就建立了“一井一面”高效集約化的長壁開采模式，在工作面采用了計算機技術、大功率變頻牽引采煤機控制技術、液壓支架電液控制技術、刮板輸送機軟啟動和變頻技術，逐步實現了工作面少人操作自動化采煤，每個生產班工作面全員僅有6-8人。

1.2綜采自動化概念和技術特征

1）自動化綜采工作面，是指綜采工作面采用了具有自動化控制功能的液壓支架、采煤機、刮板輸送機等機電一體化成套裝備，實現了工作面少人操作、安全高效開采。自動化綜采工作面主要技術特征是：①液壓支架電液控制，可實現鄰架、成組、程序控制和跟機移架等功能;②采煤機電牽引、自動調高控制、自定位、故障自診斷，可實現與液壓支架及工作面控制系統的通信和自動控制功能;③工作面運輸設備具有電氣軟啟動、機尾自動張緊、故障診斷及與工作面控制系統的通信和自動控制功能;④工作面自動控制系統能實現工作面設備間的信息通信、工作面人工干預協調控制等。

2）智能化綜采工作面，是指綜采工作面采用了具有充分全面的感知、自學習和決策、自動執行功能的液壓支架、采煤機、刮板輸送機等機電一體化成套裝備，實現了工作面的高度自動化少人遠程監控、安全高效開采。智能化綜采工作面主要技術特征是：①液壓支架智能控制，液壓支架以電液控制系統為基礎，同時，具有支架與圍巖耦合監測控制、超前壓力預報、初撐和移架狀態自決策控制、姿態監測與智能決策控制、煤幫智能決策控制、記憶時序控制放煤、智能噴霧降塵控制等功能;②采煤機智能控制，采煤機具有位置監測精確定位、自學習智能軌跡規劃、基于智能決策或煤巖識別的滾筒自動調高、自動記憶割煤、防碰撞安全避險、故障自診斷等功能，并具有基于產量需求、輸送機設備負荷、工作面環境等信息的智能決策調速、采高自動控制、遠程可視化控制等功能。

2煤礦智能化無人開采支撐體系建設

2.1研發機架協同“割三角煤”工藝

原有三角煤截割工藝主要依靠采煤機自動記憶截割來執行割煤任務，液壓支架則根據采煤機的實時位置進行三角煤區域的跟機。但在實際運行過程中，由于兩者動作完成信息不能實現數據交互，容易出現支架與采煤機同步配合不到位，影響三角煤截割效果，為此，開發了“機架協同控制”割三角煤工藝。其技術核心是通過加大兩者數據交互應用范圍，使采煤機和液壓支架在執行當前動作和轉換下一動作時，都能從對方得到“其動作執行是否到位”的信號;當對方上個動作還未完成時，自身則要逐漸減速甚至停機等待對方完成動作后，才觸發執行下一道工序，大幅提升了三角煤自動化截割水平。

2.2綜采工作面智能技術

（1）綜采工作面連續推進影響因素研究。建立完整的數據模型，分析影響工作面連續推進的因素，摸清目前國內外綜采工作面的自動化現狀，對現有的自動化綜采工作面進行調研、數據采集和分析建模，形成綜采工作面連續推進影響因素研究報告。

（2）綜采工作面連續推進方法研究。研究內容包括3個方面：①設計綜采工作面設備運行統計分析程序，建立設備運行時間、開機率、故障率等數據庫，實現設備故障的分析功能;②設計綜采工作面設備運行優化控制程序，提高設備使用壽命，減少維護量和維護時間;③綜采工作面推進精準控制系統，通過高精度定位技術，實現對支架千斤頂推移動作的精確控制。

（3）設備姿態定位及防碰撞實時檢測控制技術。內容包括：綜采工作面坐標系建立的研究，自動化操作連續推進過程中設備的姿態實時檢測、控制技術研究及裝置研制實現設備姿態定位，采煤機、液壓支架、刮板輸送機協調動作過程中的自我防碰撞感知技術研究，例如采煤機滾筒與護幫板之間的碰撞問題，能夠達到智能化工作面裝備姿態定位的精度≤5°。

（4）綜采工作面連續推進實時檢測控制技術研究及裝置研制。研究內容包括自動化操作連續推進運動過程中設備的直線度實時檢測、控制技術研究及裝置研制，實現綜采裝備的直線度控制，在工作面連續推進的過程中，保證工作面的傾斜長度方向上始終處于直線狀態，確保輸送機、支架排列整齊，避免因彎曲度過大導致設備的損壞。進行自動化綜采工作面調偽斜技術研究，解決傾斜工作面自動化操作過程中綜采裝備的防滑防側倒問題。

2.3開發超前支架遠程監控系統

在智能化綜采監控系統及超前支架電液控制系統的基礎上，擴展開發了超前支架遠程監控系統，建立符合實際的仿真界面，利用“視頻 + 模型”的監控方式，實現超前支架的選架、移架等遠程自動化控制。

結語

智能化無人綜采技術的成功實踐，填補了煤炭智能化開采技術空白，是中國煤炭工業開采史上的重大創舉，引領了煤炭行業技術發展方向，推動了我國煤炭工業升級轉型和科技進步。但該技術的成功實踐離不開機械化、自動化、信息化技術的廣泛應用，需要規范化、精細化管理水平的支撐，更要有一支素質高、執行力強的職工隊伍作保障;這些因素的疊加，加大了該項技術的推廣應用難度。同時，目前我國智能化無人開采技術尚處于起步階段，從技術、工藝、管理上還存在許多未解的難題，還需要在傳感、監測、控制等方面繼續加大研發力度，不斷提高綜采裝備的智能控制水平，提升智能化綜采技術的系統性、適用性、穩定性和協調性，全面推動我國采煤技術的持續進步，實現煤炭的安全、高效、綠色開采。

參考文獻：

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（作者單位：河南平寶煤業有限公司）