煤礦井下綜采面智能化綜采體系的應用研究

張 鴻

（晉能控股煤業集團晉圣公司億欣煤業）

煤礦井下的綜采作業模式直接決定了井下綜采作業的效率和安全性，一個完整的綜采作業過程主要包括采煤機的截割作業、液壓支架的支護作業、刮板輸送機的物料運輸作業、破碎機的破碎作業、轉載作業等多個流程。大量自動化機械設備的應用極大提升了煤礦井下綜采作業效率，但也普遍存在著各設備的智能程度低、設備間的關聯控制缺失以及監測難的問題，已經成為制約井下綜采作業效率進一步提升的關鍵。

實現井下各設備的智能化作業及設備間的遠程協同控制，是解決以上難題的有效方式和煤炭開采產業升級的必然需求。目前國內外的多位學者對井下智能綜采的應用進行了研究，雷照源等［1］提出了“少人和智能復雜作業”技術，為實現井下智能綜采提出了破解對策；康紅普等［2］則針對性地提出了基于數據信息融合的液壓支架組跟機自適應控制技術，為實現采煤機、液壓支架的聯動運行控制提出了一種解決思路。

本項目在以上研究的基礎上，提出了基于5G高速網絡的聯動控制技術，實現對井下關鍵設備的聯動運行控制方案。

1 智能化綜采體系構架

隨著煤礦井下綜采作業設備機械化水平的不斷提升，目前再通過增加自動化綜采設備的方案已經很難大幅度提升井下綜采作業的經濟性。而通過對井下綜采作業狀況的分析，井下最大的問題在于各類機械設備智能化程度低且運行缺乏統一的控制，不僅需要人工輔助運行，而且設備之間的上下游聯系需要通過人工來協調，導致無法充分發揮各設備的實際作業優勢。因此，實現綜采面綜采作業效率、經濟性、安全性提升的關鍵在于建立起各設備的智能化及集中控制體系，實現綜采的“一個流”連續作業。本項目所提出的智能化綜采體系架構如圖1所示。

由圖1可知，該智能化綜采體系主要是以5G高速通信網絡為依托，將采煤機、液壓支架、刮板輸送機、乳化液泵站等綜采設備進行聯網控制，一方面對其智能化改造，提高設備的自主決策、自主運行能力，另一方面對各設備的運行情況進行動態監測和預警，提高設備運行的可靠性，最后再通過聯合運行控制邏輯，實現對各設備的聯動運行控制。

該智能綜采體系構架的核心主要包括5G高速數據通信網絡、采煤機的記憶截割智能控制、液壓支架的自主跟機運行控制、井下視頻監控4個部分，這4個部分在智能綜采體系架構下相互輔助運行，實現井下綜采作業面的“一個流”連續運行控制，極大地提升了井下作業的智能化和自動化水平。

2 5G高速數據通信系統

為了滿足對煤礦井下綜采面各類設備運行狀態和生產的實時監測和控制，在瞬間產生的數字通信量極大，同時為了保證整個智能化控制系統的運行可靠性，各類數據信息需要進行實時交互傳輸，加上井下作業環境復雜，各類干擾源干擾能力強，因此對井下數據通信提出了極高的要求。現有的井下數據通信系統主要采用了電纜有線傳輸方案，由于傳輸條件的限制，數據傳輸能力差，極易出現數字信號不同步、數據傳輸衰減大的異常，而且有線傳輸方案存在著較大的局限性，需要鋪設較長的電纜，而采煤機、液壓支架運行過程中電纜極易折彎、破壞，難以滿足安全、可靠的數據傳輸需求［3］。

因此，為了滿足高度集成化的數據傳輸可靠性需求，本項目提出了一種基于5G高速傳輸的無線數據通信網絡，該數據通信系統包括了地面數據傳輸平臺和井下數據傳輸平臺。地面傳輸平臺各設備之間采用了高速光纖網絡連接，提高數據通信的可靠性。井下數據傳輸平臺在各監測設備上布置無線信號發射裝置，在井下布置多個5G數據通信基站，用于對監測數據信號的增強處理，在井下控制中心處同步設置隔爆電源箱，確保供電的穩定性和靈活性，能夠根據井下的監測需求進行隨意的組合，此外，各數據傳輸系統均進行了數據冗余設計，確保在特殊情況下系統數據傳輸的可靠性。根據實際應用，該數據傳輸系統能夠將數據傳輸效率提升17.6倍，將數據瞬時傳輸容量擴大9.4倍，有效保證了數據傳輸的效率和安全性。該高速數據通信網絡結構如圖2所示。

3 采煤機的記憶截割智能控制

采煤機是煤礦井下綜采作業的核心，其運行的穩定性和可靠性直接決定了井下綜采作業的安全性，由于井下地質條件復雜，在綜采作業過程中，主要是依靠人工控制的模式進行截割作業，嚴重依賴于控制人員的操作經驗，不僅難以實現塊煤率、截割比能耗的平衡性，而且也容易因為人工操作失誤而導致采煤機發生觸頂事故，影響綜采作業的效率和安全性。

因此，本項目提出了一種采煤機記憶截割智能控制系統［4］，通過對井下綜采面巖層數據的分析，快速判斷出巖層的硬度信息，然后傳輸到采煤機控制系統，根據硬度信息及地質條件信息，控制采煤機的截割轉速、截割高度、進給速度等信息，實現對采煤機截割作業狀態的智能控制，該采煤機記憶截割智能控制系統整體結構如圖3所示。

由圖3可知，該記憶截割控制系統主要包括了機械結構、控制系統、反饋監測系統等，在開始工作時采煤機首先在人工的控制下進行截割作業，反饋檢測系統則實時記錄采煤機的截割狀態信息，然后將截割路徑信息和截割參數信息儲存在采煤機內，作為自動截割控制階段的調控依據。當采煤機進入到自動截割作業中時，系統調取記憶截割參數信息，然后通過控制采煤機按既定的截割參數進行自動截割作業。

為了進一步提升截割作業的可靠性，在系統中設置了截割電機監控模塊，對截割電機的輸出電流進行監測，通過電流的波動來對煤壁的硬度信息進行判斷［5］，采煤機記憶截割控制系統則根據煤壁的硬度情況和記憶截割參數信息，自動確定最佳的截割轉速、進給速度，從而在保證截割安全的情況下保證采煤機的塊煤率、截割比能耗等。

4 液壓支架的自主跟機運行控制

在井下綜采作業過程中，采煤機的位置不斷變化，綜采面上液壓支架的支護狀態不斷進行調整，滿足支護安全性的需求，防止截割滾筒和液壓支架護幫板出現片幫或者支護不及時現象。受井下復雜綜采作業條件影響，采煤機和液壓支架的相對位置難以實現精確判斷，因此多數煤礦主要采用人工監測調整的方案，滿足液壓支架的跟機控制需求，不僅效率低下，而且經常出現調節不到位、采煤機片幫等異常，嚴重影響了煤礦井下綜采作業的進行。

因此，本項目首先對液壓支架在跟機運行時的控制邏輯進行了分析，支架在整個運行過程中的支護狀態主要包括調節支護高度、調節頂梁支護角度、控制支架護幫板的收放等，為了滿足采煤機安全割煤的需求，在采煤機綜采作業方向上，需要不斷收起液壓支架的護幫板，避免采煤機截割滾筒和護幫板干涉，而在采煤機后側的液壓支架需要根據采煤機的截割作業情況不斷地完成降架—移架—升架—支護，保證對截割后煤層的可靠支撐。

為了保證對液壓支架、采煤機相互位置的精確監測，本項目采用了編碼器+紅外線定位雙結合的定位判斷系統［6］，在液壓支架上安裝紅外線發射裝置，在采煤機上安裝紅外線接收裝置，紅外線發射裝置不斷地發出紅外線定位信號，液壓支架上的接收裝置接收到紅外線定位信號后會對接收角度進行判斷，從而解析處理采煤機和液壓支架的相對位置關系，進而實現定位。同時在采煤機上設置編碼器對采煤機的運行速度、運行距離進行記錄，再根據各支架和采煤機的位置關系進行判斷。當2種定位方式的定位結果一致時，系統控制液壓支架執行相關動作，當2種定位方式的定位結果出現偏差后，系統自動進行二次定位分析，若依舊存在偏差，則系統暫停執行并發出報警，由人工判斷后執行。通過2種定位相結合的方式來實現采煤機、液壓支架位置的精確判斷，解決了單一定位方式定位不精確的難題，而且組合式定位的精度達到了±0.15 m，完全滿足井下采煤機、液壓支架的精確定位需求。

在液壓支架執行自動跟機運行控制時，為了保證控制的精確性，對液壓支架的移架流程進行了劃分，液壓支架的移架主要包括移架開始時間、移架暫停范圍、移架暫停時間、到達移架時間、支架抬底開始時間、支架抬底到達時間6個部分，對各個部分的動作配合順序進行了優化。液壓支架的移架開始時間與達到移架時間的循環與支架抬底開始時間、支架抬底到達時間要形成邏輯順序，在達到移架時間范圍內，要包括支架的暫停時間、支架暫停范圍2組循環。為了保證跟機的穩定性，在移架過程中可以暫停多次，而且每個支架可以多次調整支護姿態，滿足支護安全性的需求。液壓支架的自主跟機調節流程如圖4所示。

5 井下視頻監控

井下視頻監控主要目的是為了對井下各設備的運行狀態和協同運行情況進行直觀監測，便于地面控制中心人員及時調整井下設備的運行情況，滿足綜采作業安全性需求。為了保證視頻監控的準確性，在采煤機及井下巷道位置處均設置高清攝像裝置，同時攝像裝置具有360°全面監控能力，能夠根據實際需求切換，保證了對井下綜采作業流程監測的準確性和可靠性，監測數據通過5G高速網絡傳輸到地面控制中心，保證數據傳輸的效率和精確性。該視頻監測系統畫面如圖5所示。

6 結論

（1）5G高速數據通信系統能夠將數據傳輸效率提升17.6倍，將數據瞬時傳輸容量擴大9.4倍，有效保證了數據傳輸的效率和安全性。

（2）采煤機自動截割控制系統，能夠根據記憶截割參數信息，自動確定最佳的截割轉速、進給速度，從而有效提升綜采作業的效率。

（3）紅外線定位+編碼器組合式定位的精度達到了±0.15 m，保證了液壓支架跟機運行時的控制精度和可靠性。

（4）該智能綜采控制體系能夠將井下作業人員數量降低39.7%，將綜采作業效率提升27.3%，為實現井下智能綜采控制和煤炭產業技術升級奠定了基礎。