采煤機煤巖截割智能識別系統構建與流程設計

劉東升

（內蒙古黃陶勒蓋煤炭公司巴彥高勒煤礦，內蒙古 鄂爾多斯 017312）

關鍵字：采煤機；煤巖截割；智能識別；系統構建；流程設計

0 引言

長期以來，煤炭一直是支撐國民經濟快速發展的基礎能源之一，煤礦安全高效生產關系到國家的經濟發展和社會穩定[1-2]。有關資料顯示，煤礦機械設備自動化、智能化水平低是導致煤炭行業死亡事故頻發的根本原因，雖然我國是最大的煤礦機械設備制造國家，但創新能力和先進技術有所欠缺，整體智能化水平或關鍵設備技術相對落后[3-4]。

采煤機是綜采工作面的主要設備，如何提高或保障采煤機連續、安全以及智能化運行是目前面臨的主要技術難題[5-6]，其中如何煤巖識別是實現智能化工作面的關鍵技術之一[7-9]。在采煤截割煤巖過程中，截割煤層和巖層時產生的聲音具有明顯的差異性，經驗豐富的采煤機司機根據截割聲音，可以判斷是否截割巖層，人為調整截割高度和行走速度，這種根據聲音判斷采煤機煤巖截割狀態為煤巖截割智能識別提供了一種新的思路或方法，基于此，本文分析了采煤機基本結構和原理，構建了采煤機煤巖截割智能識別系統，設計了采煤機煤巖截割智能識別流程，為完善智能化工作面提供一種新技術或新思路。

1 采煤機基本結構和原理分析

采煤機、液壓支架和刮板輸送機是綜采面的關鍵設備，采煤機沿工作面方向截割煤層，破碎后的原煤掉落至刮板輸送機被輸送至后續的運輸系統；液壓支架主要完成采煤機和刮板輸送機工作時的支護作用，圖1給出了綜采面主要設備布置示意圖。

采煤機按照其行走機構的牽引方式不同可分為機械、液壓以及電牽引式，其中電牽引式應用最為廣泛。電牽引式采煤機主要由截割機構、行走機構、破碎機構、液壓系統、電氣系統以及其他輔助機構組成，圖2為常見的電牽引式采煤機基本結構示意圖。

圖2 電牽引式采煤機基本結構示意圖

1）截割機構主要用于完成破煤和落煤，能耗相對最大，占采煤機功率的四分之三以上，由電機通過傳動系統帶動截割滾筒旋轉，滾筒上的截齒呈螺旋分布，在滾筒旋轉過程中，實現破煤工序，破碎的原煤掉落至采煤機下方的刮板輸送機，實現裝煤工序。

2）行走機構主要用于牽引采煤機行走，通過嚙合方式傳遞驅動，配合截割機構實現連續割煤，目前行走機構主要采用電牽引式變頻驅動，可實現無極調速。

3）破碎機構主要用于大尺寸煤體破碎，由于截割機構破碎煤體形成的原煤塊體大小、形狀隨機，破碎機構可防止煤塊卡堵刮板輸送機。

4）液壓系統主要用于調節截割機構、破碎機構以及機身防護板相對位置和結構，一般來說，破碎機構和機身防護板位置相對穩定，而由于煤巖賦存不穩定導致截割機構高度需動態調整。

5）電氣系統主要用于調節行走機構和滾筒高度，通過P LC控制器和數據傳感器，輸出和接受本地或地面調度中心的指令。

6）輔助機構主要用于實現采煤機長時安全運行，同時實現噴霧降塵、機構潤滑等作用。

2 煤巖截割智能識別系統構建與流程設計

智能識別煤巖截割狀況，基于采煤機運行工況，實現截割機構和行走機構的自動調節，以適應現有煤層地質條件，本章利用截割機構的截齒破碎煤層、巖層、含矸煤層產生的不同聲音信號，在線處理以實現煤巖截割智能識別，從而實現采煤機的智能控制。

2.1 采煤機煤巖截割智能識別系統構建

煤巖截割智能識別系統主要由信號識別前端、數據交換傳輸基站以及遠程監測控制中心構成。

1）信號識別前端。前端主要包括截割機構聲音采集裝置、前端接收處理和傳輸模塊、網絡交換模塊以及采煤機P LC控制模塊，其中，截割機構聲音采集裝置分別設置于兩側滾筒處，用于采集兩側截齒截割煤巖產生的聲音信號，前端接收處理和傳輸模塊將采集的聲音信號進行傳輸、預處理、提取關鍵信息等，并通過網絡交換模塊將處理后的信號傳輸至采煤機P LC控制模塊，該信號作為實現采煤機煤巖截割智能調控的基礎。

圖3 信號識別前端部件構成

2）數據無線交換傳輸基站。采煤機截割行走，處于持續運動狀態，需采用無線方式進行數據傳輸，因此采用無線MES H技術的無線交換機，分別設置在采煤機機身和液壓支架上，交換機可實現自動網絡配置，得到最優傳輸路徑，信號識別前端中的網絡交換模塊、P LC控制模塊可實現網絡實時傳輸。

圖4 數據無線交換傳輸基站

3）遠程監測控制中心。控制中心實時監測采煤機截割機構截割狀態，顯示采煤機工況條件，實現采煤機運行3D再現，并可完成必要的數據儲存功能。

2.2 采煤機煤巖截割智能識別流程設計

由于采煤機截割機構破煤時，往往與多臺部件或設備同時工作，存在多個聲源，造成聲音信號雜亂，截割煤巖產生的聲音信號信噪比較低，無法有效識別該信號，造成煤巖識別難度較大，因此，需采用必要的去噪方法提取關鍵信號。

采煤機煤巖截割智能識別大概分為4個流程，包括：信號增強、信號去噪、模式識別、智能控制。首先，根據采集原始聲音信號，利用隨機共振模型進行信號增強，以提高信噪比，具體流程包括：原始信號預處理、時頻特征分析、增強算法參數確定；原始聲音信號增強后，進行信號去噪，消除其他聲源信號對截割聲音信號的干擾，提高關鍵信號的精準性，具體流程包括：選擇去噪方法、改進優化去噪方法、分析閾值影響、確定最優去噪閾值；信號去噪后，進行模式識別，基于提取的自適應特征，進行機器學習和煤巖識別，確定煤巖截割模式；最終利用采煤機P LC控制模塊實現采煤機行走速度和截割高度的智能調控，圖5給出了采煤機煤巖截割智能識別流程圖。

圖5 采煤機煤巖截割智能識別流程圖

3 結論

采煤機如何煤巖識別是實現煤礦智能化工作面的關鍵技術之一，利用截齒截割煤、巖層產生的差異性聲音信號，通過分析電牽引式采煤機基本結構和原理，構建了采煤機煤巖截割智能識別三大系統：信號識別前端、數據交換傳輸基站以及遠程監測控制中心，設計了采煤機煤巖截割智能識別四大流程：信號增強、信號去噪、模式識別、智能控制，為智能化工作面建設提供一種新技術或思路。