煤礦采煤機智能化技術要點

苗 鑫

（陜煤集團神木檸條塔礦業有限公司，陜西榆林 719300）

0 引言

采煤機是煤礦生產中的關鍵設備，在目前我國對煤炭資源的需求量長時間處于較高水平的常態下，增加了采煤機的開采任務量。科技快速進步，推進了煤礦開采技術的發展，表現出逐漸向無人化綜采方向發展的趨勢。在此發展過程中，也對智能化的采煤技術提出了較高要求。這就需要結合具體的煤層條件和自身狀態自動調整的要求，應用智能控制、智能截割以及智能感知等先進技術，在實現采煤機生產作業中的自動調高、自動定位和自適應牽引等智能化操作的同時，最終實現無人化綜采作業。

1 采煤機狀態感知技術

1.1 采煤機定位技術

采煤機行走軌跡是根據刮板輸送機的導軌走向來確定的，而且此方向還會直接影響液壓支架的自動調直、作業面煤壁的截割筆直程度、截割滾筒自動調高等不同的生產環節。為實現綜采智能化，就需要合理應用地質空間三維定位技術。目前的智能化采煤機中，比較常用的定位原理主要是無限傳感網定位、紅外線定位、地理信息系統定位以及超聲波定位等。以地理信息系統（GIS）為例，是將慣性導航裝置安裝在采煤機上來確定采煤機的姿態和行走方向；將軸編碼器安裝在機鉸接軸和搖臂上測量搖臂的旋轉角度；將軸編碼器安裝在行走部位來測量行走速度和距離。

1.2 煤巖截面感知

由于目前的煤層通常具有不規則的煤層邊界，而且其中普遍存在底板巖石上升、下限以及煤層夾巖石等情況。要實現無人化綜采，就需要自動識別上述煤巖界面，常用的探測技術主要有雷達探測、γ 射線探測、激光探測等。目前比較先進的探測方式主要是檢測采煤機的搖臂振動、滾筒轉矩、驅動電流、支撐油缸壓力以及截割噪聲等狀態參數，然后將多個傳感器探測的數據通過徑向基函數神經網絡融合起來，對煤巖界面進行識別。

2 采煤機智能控制技術

2.1 截割控制狀態

在開展煤壁截割作業中，將截割下來的大塊煤進行破碎。要對此破碎部的電機和截割電機進行聯動控制，就需要將電機的連鎖啟動、停機以及啟動保護等控制形態增加到邏輯傳感器中。便于電機識別啟動和停機等狀態信號，同時也實現對破碎部和截割部兩個部門的運行狀態進行整體設置。

2.2 姿態控制

目前常用的滾筒調高方式主要是應用記憶截割的方式來實現，即調節牽引速度。由于牽引速度受到牽引調節能力和調節余量的控制，并且決定采煤機的行程狀態。此外，液壓支架的移動速度也會對其造成限制和影響，為此應使用單獨的行程姿態邏輯傳感器來開展采煤機的姿態控制。即建立函數、狀態空間、附加約束與附加特征的同時，采取牽引變頻控制以及截割路徑調節接口等方式來實現。基于上述原理的姿態轉移邏輯如圖1 所示。

在上述姿態控制過程中，需要準確獲取煤巖變化參數。然后在上述采煤機姿態數學模型基礎上實現姿態控制，即采用記憶截割的方式，結合記憶位置和速度來準確感知和識別煤巖界面。

2.3 牽引控制

圖1 采煤機姿態控制邏輯

目前使用的牽引控制系統主要是采取現場總線的方式與機載控制器進行連接，采用的控制方式主要有主從形式、驅動主變頻器轉動、帶動從變頻器運轉等方式。上述控制系統中應用的變頻牽引控制器，在運行中主要應用截割路徑規劃連續調節牽引和恒功率截割牽引兩種工作方式。上述控制系統應用的變頻器，為了發揮其運行控制的作用，主要是通過外部I/U 端子在牽引變頻單元的I/U 控制模式下實現。在此控制系統中，主要是通過變頻牽引控制單元采用PPO Types 消息模式來控制其中的主變頻器，同時通過上述協議設定來查詢變頻器參數狀態，并實現狀態轉換、參數設置以及控制電機轉速等，通過牽引電機溫度和電流傳感器識別牽引電機運行狀態，牽引控制狀態遷移過程如圖2 所示。

圖2 采煤機變頻牽引狀態遷移過程

2.4 截割滾筒調高控制

調節控制采煤機截割滾筒過程中，主要是結合機身位置、截割路徑曲線、截割電機電流以及牽引速度來確定調節量和調節時間。為滿足上述截割滾筒調高控制要求，需要感知和識別上述內容，最終實現通過對高度的方向、位置、時間以及調節能力等相關值函數的設置來表示調節單元邏輯狀態。上述邏輯傳感器的狀態遷移如圖3 所示。

3 采煤機智能截割技術

3.1 規劃記憶截割路徑

圖3 采煤機截割滾筒高度調節邏輯傳感器狀態遷移

為實現自動控制，需要保證采煤機運行中結合煤層變化自動調節截割滾筒高度，而想要實現上述滾筒的自動調高，就需要準確識別煤巖界面或頂板煤層厚度。目前對煤巖分界進行識別的方法較多，其中最常用的是記憶截割技術。該技術的應用，首先需要收集、記憶以及處理截割路徑的參數，其次是在所記憶工作路徑的基礎上開展采煤機的自動行走和截割，結合出現煤層地質變化時記憶參數和實際參數之間的偏差，以及應用人工免疫理論來自動調高。尤其是在發生較為強烈變化的煤層地質條件下，需要采取遠程控制方式操作采煤機實現截割運動，并且對運動軌跡進行人工修正，最后再記憶此人工修正之后的結果，當再次出現上述情況時即可實現自動調高。也就是說，在第一次進行截割時需要通過人工操作的方式來記憶行走路徑和截割位置，然后就可以結合上述記憶的內容開展截割操作。而且在上述第一次人工操作過程中需要區分常規點和關鍵點的記憶點，其中，常規點的間隔為1 m，需要在每次采樣完成之后記憶相關信息。但是這樣會導致所需要記憶的數據信息量比較龐大。因此需要每隔一段距離，操作一次數據采集和記憶，也就是對關鍵點進行記憶，例如，遇到巖石時對滾筒進行調節的關鍵點。通過上述兩種常規點和關鍵點結合的方式來提升記憶精度，將上述數據作為后續自動截割和調高的主要依據。

3.2 自適應調高控制技術

開展采煤機自動截割過程中遇到煤層地質條件大幅度變化情況時，會出現夾巖、截割頂板巖石、斷層問題，甚至會對截割部造成嚴重破壞而引發安全事故。針對這些問題，可以通過應用人工免疫理論的方式，創建和應用采煤機截割滾筒自適應模型，結合記憶截割，可以隨著地質條件的改變來實現截割作業時的自動調高。

4 結語

目前不斷推進和實現煤礦無人化綜采作業過程中，為實現采煤機智能化控制和運行，需要結合狀態感知技術、智能控制技術以及智能截割技術等智能化技術的應用，不斷提升煤礦井下開采作業的智能化和自動化水平。