無人工作面的采煤機智能控制技術

文/車明浪

煤炭產業的發展對我國工業發展具有重要的推動作用，近年來，無人工作面開采逐漸受到煤炭行業的重視。自動化技術在煤礦開采工作中得到廣泛應用。合理利用多種智能化技術開展煤礦開采操作有利于提升煤礦企業管理實效性。在無人工作面應用采煤機自動控制技術，已成為國內外采礦行業研究的重要課題。

1 無人開采技術研究

1.1 無人工作面自動采煤技術簡介

無人采礦利用目前最先進的技術，包括地下通訊，工藝設計，采礦系統，采礦工藝包括自動鑿巖，自動裝巖，自動卸巖等，技術基礎是高速地下通訊系統與高精度地下定位，無人工作面采煤技術是工作在回采工作面以外的地點操控機電設備，完成工作面的破煤、裝煤、運煤等各項工序。

無人采礦開采范圍廣，包括薄煤層可實現刨煤機無人自動化采煤,利用無人工作面開采高瓦斯煤層實現瓦斯的預先釋放，保證生產安全。利用現代科技豐富改進傳統開采水平，無人工作面在先進完善的頂板監控監測系統下進行。實現資源的合理化配置，生產過程采用先進的自動化技術，生產能力大，效率高。

1.2 無人工作面采煤機智能控制關鍵技術

實現無人工作面子系統所需的技術支撐，包括采煤機自主定位技術，刮板輸送機自動推移技術，井下高速雙向通訊技術，數據庫技術等。

采煤機工作環境條件較差，采煤機智能控制系統分為機載與遠程控制，順槽監控系統連接不同系統，安裝于綜采工作面的運輸通道中，將處理后的數據傳輸至地面操作臺。視頻監控平臺基本職能是將井下傳輸的畫面顯示于順槽監控中心計算機。

采煤機開展智能控制基于滾筒高度智能調節牽引速度智能調節，確保滾筒可以工作面為基礎開展具體運行操作。預測煤層分布點，用于后期滾筒高度調節操作的參考依據。如高度變化值50mm，采煤機對截割高度自動調節。

智能自適應開采技術模式，根據控制系統指令，由智能感知，支配設備任務動作。工作面支護及各環節采煤操作等無工作人員參與。實施具體的采煤過程感知及控制操作，智能自適應開采技術模式僅適用了個別技術。

自動調度控制目前在研究期間，主要是基于煤炭生產實際需求，經發揮智能控制系統時效性的防滲，經對其開展自動控制方式完成相應生產任務。開展采煤機推進操作中，需將需求量作為基本參數，通過開展綜合計算方式獲得最終結果。

自適應調高技術在智能自適應開采技術模式中應用廣泛，可以發揮較高的實效性。在各環節采煤工作中發揮了重要作用，包括為煤巖界面自動識別感知技術及智能化控制技術，煤巖界面自動識別感知技術是確保無人自動化開采有效性的重要技術，在割煤操作實施時科學調控滾筒高度，有助于提升采煤實效性。但利用此技術不確定性較高。智能化控制技術是基于煤層界面識別曲線實時調節滾筒高度，可為滾筒調節留出更多的時間。

1.3 國內外煤礦無人開采技術研究現狀

80年代以來，美國煤炭企業在工作面采用計算機技術，實現工作面三機自動化，90年代后，加拿大，瑞典制定礦山自動化方案，1992年，芬蘭采礦工業采用智能采礦技術。

國內科研單位相繼開展了采礦機器人，礦山GPS定位等方面的技術研究開發，取得了一定的成效。2004年，山東新汶礦業公司引進螺旋鉆機采煤新工藝，可完成在作業面以外的地點破煤，運煤等工序。2005年，大同煤礦集團引進德國自動化刨煤機，實現薄煤層刨煤機綜采無人工作面。2007年，山東兗礦集團投產自動化采煤工作面，標志著中國煤炭行業高產礦井建設進入新階段。

2 無人工作面系統模型

2.1 三機自動控制系統

工作面三機主要包括采煤機，刮板輸送機與液壓支架，無人工作面的關鍵技術研究是適合中國煤層條件的采煤機控制系統。采煤機控制系統包括自主定位與自動調高系統。

液壓支架電液控制系統集機械，電子，通信網等技術于一身，是目前最先進的支架控制方式，可實現拉架，移架，架間噴霧等隨機聯動自動化，實現支架本架控制，隔架控制，工作面礦壓監測遠程控制等。

2.2 三機工況檢測系統

三機工況自動檢測系統為在工作面安全運行提供可靠保障。大柳塔礦引進的DTB等公司的新型電牽引采煤機具智能監控保護系統，安裝有電壓，方向，溫濕度、機身傾斜等傳感器，可檢測19個采煤機的參數，實現遠近控制、數據采集存儲及傳輸，故障診斷及預警等多種功能。

2.3 災害預測系統

工作面災害自動預報系統對井下每層厚度，頂底板巖組合，構造斷層，煤層中的地質異常體巖漿侵入體，地溫，瓦斯爆炸，地熱害及誘發突水等進行監測，利用預測評價軟件系統，為保證工作面的生產效率提供地質數據分析，避免因地址條件復雜性造成井下工作面事故，保護井下傳感器與精密設備安全。

2.4 采煤-環境安全專家系統

采煤-環境專家可靠系統模型保證無人工作面的高產與可靠性，能判斷機電設備與周圍環境的狀態，保證設備自動工作在最優狀態。井下穩定，頂板松軟，斷層，煤層厚度等是靜態地質因素，頂板初次來壓計工作面前方應力分布具有一定的規律，無人工作面最大的特征是自動化程度高。三機配套有自動化程度配套。采煤工藝系統為串聯每個環節發生故障將造成采煤機停止采煤。

2.5 采煤工藝智能化系統

綜采生產高效工作面自動化程度不斷提高，自動化生產系統主要設備為三機，三種設備相互獨立，基本實現自動化高效安全生產。隨著智能控制采煤機與多功能未處理機的發展，增加了采煤機動態控制能力。改變煤機的運行狀態參數，無人工作面采煤工藝智能化成為可能。

2.6 采煤模擬系統

無人工作面采礦模擬系統創造三維采礦現實環境，操作人員可與系統進行人機交互，隨時穿越任何空間進入系統，系統能輸入處理各種信息，模擬自然規律，主要特點是創造與現實開采情況接近的三維環境，獲得生產系統運行狀況平面圖。不同設備動態顯示圖，包括設備間距離等動態信息，通過對不同開采參數下生產系統進行動態模擬。

2.7 決策仿真系統

無人工作面決策仿真系統是智能型的多層次結構，將地質信息，各種控制與監測系統有機結合。根據操作人員參與活動產生動態的反應操作，使計算機模擬與決策系統能隨時根據工作面生產狀況信息改變做出迅速反應。

3 無人工作面技術應用

以大力礦業公司為例介紹數字化無人開采技術的應用，采煤工藝選用綜采，全部挎落管理頂板，根據礦壓參數選取工作面設備，ZY3300/07/13D電液控鄰架操縱，SGZ630/220工作面刮板運輸機運輸能力450t/h,.SPJ-800膠帶輸送機運輸能力350t/h，監控系統采用超低照度，廣角視頻監控系統，采煤機采用遠程監控系統，集中控制室內放置視頻檢測，三級聯動控制系統相關設備。

采煤機遠程控制系統采用嵌入式工控機處理采煤機運行姿態信息，采煤機司機在集控中心室通過安裝探頭提供的采煤機信息實現搖臂傾角，實現采煤機自動化無人干預割煤進刀前，通過采煤機工控機采煤機割煤，程序自動記憶割煤數據，激活技藝割煤功能。采煤機司機確認范刀可用煤機將讀取采煤機歷史運行狀態，通過系統提供的設備運行狀態發現異常時，可通過采煤機遠程控制系統隨時結束記憶割煤功能。

工作面液壓支架采用pm32電液控制系統，由井下主控計算機，紅外線發射器，耦合器，網絡終端器，架間電源電纜，電磁先導閥等組成。電液控制系統具有跟機自動化，領架操作與手動操作等工作方式。

液壓支架跟機自動化功能以采煤機位置為依據，由采煤機機空外線發射器與支架安裝紅外線接收器實現數據采集，紅外接收器將檢測采煤機位置信息傳給主控系統，系統根據采煤機位置信息自動發出命令指揮支架控制器完成操作。

受到采高限制等因素影響時，需采用割頂破底開采，會出現采煤機鎬型截齒消耗快，CΙA面積裝煤效果差等情況，通過加大滾筒螺旋升角，加設采煤機梨煤板可有效解決。

4 結語

采煤機自動控制技術的應用，對實現高效無人化開采提供了有效途徑。對保障生產安全，由勞動密集型向技術密集型轉變，具有重大的現實意義。采煤自動控制技術對煤層地質條件要求較高，較適用于頂板穩定的工作面，否則需改用人工操作。為提高無人開采工作面的生產效率，需進一步研究應用多傳感器智能截割控制技術等新技術，提高對復雜煤層的適應能力。