煤礦采煤機(jī)智能化關(guān)鍵技術(shù)探析

張 迪

（運(yùn)城職業(yè)技術(shù)大學(xué)， 山西 運(yùn)城 044000）

0 引言

進(jìn)行煤礦開(kāi)采作業(yè)的過(guò)程中， 運(yùn)用采煤機(jī)可促進(jìn)綜合開(kāi)采質(zhì)量的提高。 同時(shí)，智能化關(guān)鍵技術(shù)的運(yùn)用，屬于保證煤礦采煤機(jī)應(yīng)用時(shí)各項(xiàng)操作均可以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。 由此可見(jiàn)， 增強(qiáng)對(duì)煤礦采煤機(jī)智能化關(guān)鍵技術(shù)的研究，意義重大。

1 采煤機(jī)概述

當(dāng)前， 我國(guó)大功率采煤機(jī)裝備在年采煤量方面已經(jīng)到達(dá)千萬(wàn)噸， 并且采煤機(jī)智能化技術(shù)也處在國(guó)際前列[1]。采煤機(jī)屬于綜采成套裝備中的重要設(shè)備之一， 主要由截煤機(jī)發(fā)展而來(lái)。 同時(shí)，采煤機(jī)還是一種大型的復(fù)雜系統(tǒng)，其主要集機(jī)械、液壓和電氣等為一體，通常在環(huán)境惡劣的情況下開(kāi)展工作，若應(yīng)用過(guò)程中產(chǎn)生故障，那么就會(huì)使得煤礦開(kāi)采作業(yè)出現(xiàn)中斷的情況，并引起巨大經(jīng)濟(jì)損失，若情況嚴(yán)重還有可能造成人員傷亡。另外，作為煤礦開(kāi)采現(xiàn)代化與機(jī)械化的主要設(shè)備，通過(guò)對(duì)采煤機(jī)的正確運(yùn)用，可讓采煤作業(yè)人員勞動(dòng)量得到降低， 促進(jìn)作業(yè)安全性的提高，并提高采煤效率，降低各類(lèi)能源消耗量。

2 煤礦采煤機(jī)智能化關(guān)鍵技術(shù)手段分析

2.1 采煤機(jī)狀態(tài)感知技術(shù)

（1）采煤機(jī)定位技術(shù)。 對(duì)于采煤機(jī)而言，主要根據(jù)刮板輸送機(jī)導(dǎo)軌走向?qū)π凶哕壽E進(jìn)行明確， 會(huì)直接影響液壓支架自動(dòng)調(diào)直， 并且還直接決定了作業(yè)面煤壁截割筆直程度，進(jìn)而為截割滾筒自動(dòng)調(diào)高提供參考。 因此，采煤機(jī)綜采作業(yè)智能化中， 地址空間三維定位是一種極為重要的技術(shù)。 現(xiàn)階段，在采煤機(jī)定位原理方面主要為無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)定位、地理信息系統(tǒng)定位、紅外線(xiàn)定位、超聲波定位等[2]。 本文主要以地理信息系統(tǒng)定位為對(duì)象，展開(kāi)了相關(guān)探討。

立足于地理信息系統(tǒng)， 對(duì)采煤機(jī)開(kāi)展定位定姿的技術(shù)原理如圖1 所示。 將慣性導(dǎo)航裝置安裝到采煤機(jī)中，能夠明確其姿態(tài)與行走方位； 在機(jī)身的搖臂和鉸接軸上對(duì)軸編碼器進(jìn)行安裝，可測(cè)量搖臂旋轉(zhuǎn)角；將軸編碼器安裝在采煤機(jī)行走部位，可測(cè)量行走速度與距離。

圖1 采煤機(jī)定位定姿技術(shù)原理Fig.1 Shearer positioning and attitude technology principle

（2） 煤巖界面感知。 自然成藏的煤層邊界缺乏規(guī)則性，且煤層夾巖石、底板巖石上升和頂板巖石下陷的狀況十分普遍，若無(wú)法自動(dòng)識(shí)別煤巖界面，那么就達(dá)不到無(wú)人化綜采的效果。 現(xiàn)階段，煤巖界面識(shí)別技術(shù)主要包括三類(lèi)，即r 射線(xiàn)探測(cè)、激光探測(cè)、雷達(dá)探測(cè)。 最近幾年，在綜采作業(yè)中，多參數(shù)協(xié)同感知法十分常用，同時(shí)獲得了較為顯著的效果[3]。 這種方式主要對(duì)采煤機(jī)搖臂震動(dòng)、截割噪聲、滾筒轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)電流等進(jìn)行了檢測(cè)，借助徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有效整合各傳感器檢測(cè)結(jié)果，以便于準(zhǔn)確識(shí)別煤巖。

2.2 記憶截割技術(shù)

現(xiàn)階段，主要涉及20 多種煤巖分解方式，其中記憶截割技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛。 對(duì)于采煤機(jī)記憶截割流程而言，主要涉及三個(gè)階段，即路徑記憶、自適應(yīng)調(diào)高、人工修正。其中，第一階段指的是對(duì)記憶、收集、處理等需要進(jìn)行截割路徑的相關(guān)參數(shù)； 第二階段表現(xiàn)為通過(guò)采煤機(jī)截割滾筒自動(dòng)調(diào)高煤巖層地質(zhì)變化形成的數(shù)據(jù)誤差； 第三階段則為煤層地質(zhì)條件出現(xiàn)強(qiáng)烈變化后， 為了保證生產(chǎn)安全，在截割滾筒難以自動(dòng)調(diào)高的狀況下，對(duì)采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行人工修正，同時(shí)修正結(jié)果會(huì)被記錄，若出現(xiàn)類(lèi)似狀況，采煤機(jī)能夠結(jié)合極易調(diào)高。 要想提高記憶精度，自動(dòng)截割時(shí)， 采煤機(jī)一般運(yùn)用關(guān)鍵記憶點(diǎn)以及常規(guī)記憶點(diǎn)結(jié)合的方法，需進(jìn)行人工調(diào)節(jié)的點(diǎn)為關(guān)鍵記憶點(diǎn)，采煤機(jī)能夠自動(dòng)調(diào)高的點(diǎn)則為常規(guī)記憶點(diǎn)， 此方式可以夯實(shí)采煤機(jī)后續(xù)調(diào)高與自動(dòng)截割的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。 圖2 為采煤機(jī)記憶截割單元邏輯傳感器的構(gòu)成。 開(kāi)采智能化采煤機(jī)作業(yè)的過(guò)程中，應(yīng)先運(yùn)用破碎部將大塊煤層破碎，再通過(guò)截割部截割煤壁， 對(duì)截割狀態(tài)進(jìn)行控制的電動(dòng)機(jī)能夠識(shí)別停機(jī)與啟動(dòng)狀態(tài)信號(hào)。聯(lián)動(dòng)控制截割與破碎電動(dòng)機(jī)，應(yīng)在邏輯傳感器中設(shè)置啟動(dòng)保護(hù)、 連鎖停機(jī)以及連鎖啟動(dòng)等相關(guān)控制形態(tài)，整體設(shè)置截割部和破碎部運(yùn)行狀態(tài)后，采煤機(jī)方可進(jìn)行自動(dòng)化作業(yè)。

圖2 采煤機(jī)截割單元邏輯傳感器狀態(tài)遷移Fig.2 Logical sensor state migration of shearer cutting unit

2.3 故障感知技術(shù)

煤礦開(kāi)采和井下工作環(huán)境條件惡劣， 超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)讓采煤機(jī)產(chǎn)生各類(lèi)故障。 對(duì)于傳統(tǒng)采煤機(jī)故障診斷方式而言，主要通過(guò)作業(yè)人員現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，亦或是結(jié)合經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行推測(cè)，科學(xué)性不強(qiáng)[4]。 故障感知技術(shù)表現(xiàn)為采煤機(jī)傳感器發(fā)展故障后，通過(guò)統(tǒng)一收集的方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)整，同時(shí)和全部機(jī)器的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較， 進(jìn)而診斷出問(wèn)題的基礎(chǔ)。借助現(xiàn)代智能感知技術(shù)，對(duì)采煤機(jī)故障感知模型進(jìn)行構(gòu)建，見(jiàn)圖3。

圖3 采煤機(jī)故障診斷模型Fig.3 Shearer fault diagnosis model

2.4 遠(yuǎn)程可視化監(jiān)控技術(shù)

其一，采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制的構(gòu)成。煤礦井下作業(yè)復(fù)雜性較強(qiáng)，具有很高的危險(xiǎn)性，所以，運(yùn)用遠(yuǎn)程監(jiān)控可視化技術(shù)可以使井下采煤機(jī)和作業(yè)人員的安全得到保證。 采煤機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控主要的組成部分有參數(shù)化控制、 采煤機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、傳感信息融合、電動(dòng)機(jī)啟?？刂?、本地遠(yuǎn)程控制器等。 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)把遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)和各類(lèi)傳感器整合在一起， 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、傳遞、報(bào)警等相關(guān)工作。 其二，3DVR 在遠(yuǎn)程控制中的運(yùn)用。 要想對(duì)井下作業(yè)與無(wú)人采煤機(jī)工作狀態(tài)進(jìn)行全面掌握，遠(yuǎn)程控制融合了3DVR 技術(shù)，該技術(shù)指的是結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)采煤機(jī)數(shù)據(jù)，對(duì)三維虛擬空間進(jìn)行建立，之后在借助遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)對(duì)無(wú)人采煤機(jī)展開(kāi)操控， 進(jìn)而使采煤機(jī)可視化工作的目標(biāo)順利實(shí)現(xiàn)。

2.5 記憶割煤技術(shù)

在采煤機(jī)中，記憶割煤技術(shù)這種智能化技術(shù)運(yùn)用較為廣泛，包含內(nèi)容多樣。例如，安全措施、設(shè)備定位、記憶割煤應(yīng)用等。 其中，設(shè)備定位屬于確保煤礦開(kāi)采作業(yè)順利進(jìn)行的基礎(chǔ)條件之一，即設(shè)備定位精確度與煤礦開(kāi)采作業(yè)效率之間呈正比關(guān)系。 并且，煤礦開(kāi)采過(guò)程中需要對(duì)回采面端頭數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，以便于構(gòu)建坐標(biāo)體系。 坐標(biāo)體系通常將采煤機(jī)作為原點(diǎn)，可以對(duì)設(shè)備安裝位置進(jìn)行準(zhǔn)確定位。 在了解采煤機(jī)安裝位置后，通過(guò)傾斜角傳感裝置測(cè)量和收集采煤機(jī)偏轉(zhuǎn)角、俯仰角等數(shù)據(jù)信息，再借助慣性導(dǎo)航推算法，便可以將設(shè)備的具體擺放情況和位置充分了解到。

2.6 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)

開(kāi)展煤礦開(kāi)采作業(yè)的過(guò)程中， 需要確保采煤機(jī)智能化技術(shù)的運(yùn)用效果， 促進(jìn)煤礦開(kāi)采效率與質(zhì)量的全面提高[5]。對(duì)此，通過(guò)對(duì)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的運(yùn)用，可滿(mǎn)足采煤機(jī)設(shè)備的使用要求。 同時(shí)，設(shè)置無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程中，相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)以采煤機(jī)裝置的運(yùn)用要求為基礎(chǔ)， 對(duì)使用采煤機(jī)設(shè)備中各類(lèi)參數(shù)數(shù)據(jù)的完整性進(jìn)行分析， 可順利實(shí)現(xiàn)提高數(shù)據(jù)運(yùn)用安全性、可靠性等相關(guān)目標(biāo)。 并且，全面考量無(wú)線(xiàn)交換機(jī)的裝置特點(diǎn)， 對(duì)無(wú)線(xiàn)交換機(jī)配套設(shè)備均可以資源系統(tǒng)設(shè)置展開(kāi)深入分析， 以此使采煤機(jī)裝置控制器設(shè)計(jì)更加科學(xué)合理， 有效提升無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)水平，將監(jiān)督管理煤礦開(kāi)采的作用最大化體現(xiàn)出來(lái)，加強(qiáng)應(yīng)用效果。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在煤礦無(wú)人化綜采作業(yè)中，智能化采煤機(jī)發(fā)揮著極為重要的作用，這種設(shè)備主要以自動(dòng)故障診斷、自動(dòng)定位、自動(dòng)截割調(diào)高、自動(dòng)煤巖感知等先進(jìn)科技為基礎(chǔ)，從智能化上確保了煤礦開(kāi)采工作順利進(jìn)行。 未來(lái)，需繼續(xù)提高煤礦行業(yè)的科技投入，優(yōu)化運(yùn)營(yíng)模式，引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)，推動(dòng)煤礦開(kāi)采現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型，加強(qiáng)煤礦井下開(kāi)采的安全性以及自動(dòng)化、智能化水平。