試析煤礦綜采工作面智能化技術(shù)與裝備發(fā)展

孫明磊 劉向鵬 王祥劍

（兗煤菏澤能化有限公司趙樓煤礦 山東巨野 274700）

當(dāng)今，在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不斷發(fā)展和進(jìn)步的同時(shí)，各個(gè)領(lǐng)域也將面對(duì)新的挑戰(zhàn)與發(fā)展機(jī)遇。傳統(tǒng)工業(yè)與社會(huì)發(fā)展聯(lián)系密切，力爭(zhēng)有效統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，即向網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域轉(zhuǎn)型發(fā)展。我國(guó)目前正處在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和升級(jí)的關(guān)鍵時(shí)期，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與傳統(tǒng)行業(yè)的有效結(jié)合勢(shì)必推動(dòng)企業(yè)的轉(zhuǎn)型發(fā)展。煤炭企業(yè)受到環(huán)境、安全等要素的影響顯著，為此，探究煤礦企業(yè)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的契合點(diǎn)，應(yīng)用綜采工作面的智能化技術(shù)與裝備，確保煤礦開(kāi)采的智能化和無(wú)人化具備非常重大的意義。

1 煤礦綜采工作面智能化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

煤礦綜采智能化屬于煤礦領(lǐng)域較為復(fù)雜的一種系統(tǒng)，其根本所在是井下控制，這一般要使用三機(jī)自動(dòng)控制，從而使智能化開(kāi)采實(shí)現(xiàn)。當(dāng)今，工作面智能化技術(shù)具備非常多的類別和非常廣的分布，然而，其中的關(guān)鍵技術(shù)是工作面自動(dòng)取值技術(shù)，這樣可以確保巷道裝備一直處在正常的受力狀態(tài)。其中，地理信息系統(tǒng)顯得至關(guān)重要，其可以及時(shí)定位和明確采煤機(jī)的位置、參數(shù)［1］，實(shí)現(xiàn)不間斷的導(dǎo)航功能。再者，應(yīng)用截割模型有利于系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)，從而結(jié)合支架電液控制系統(tǒng)進(jìn)行三機(jī)聯(lián)動(dòng)控制。當(dāng)今，陀螺儀和加速度計(jì)是應(yīng)用非常廣泛的系統(tǒng)導(dǎo)航及定位技術(shù)。在時(shí)間的作業(yè)中，會(huì)通過(guò)閉合路徑算法將設(shè)備累計(jì)誤差盡量消除，且盡量降低測(cè)量和取值誤差，確保誤差在可控的范圍之內(nèi)。煤炭采出率受到截割區(qū)部位的影響。盡管當(dāng)今綜采技術(shù)的進(jìn)步非常迅速，也普遍地應(yīng)用煤巖界面識(shí)別技術(shù)，從而可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)煤層動(dòng)態(tài)傾角，這非常有利于工作面管理能力的提升。可是，國(guó)內(nèi)的技術(shù)依舊缺少先進(jìn)性，以記憶截割技術(shù)作為支持的裝備高度優(yōu)化方案常常隨著煤層走向的改變形成一些缺陷或問(wèn)題。其他國(guó)家往往借助熱紅外攝像儀進(jìn)行有關(guān)工作，且以此優(yōu)化工作面，可是，此項(xiàng)研究的應(yīng)用依舊處在試驗(yàn)期或初級(jí)階段。回采過(guò)程中，往往需要工作面跟走向一直維持良好的垂直角度［2］。當(dāng)今，較為普遍地應(yīng)用溜坡控制技術(shù)，結(jié)合液壓支架在煤巷中作業(yè)，對(duì)刀具推進(jìn)距離進(jìn)行測(cè)算時(shí)常常應(yīng)用激光掃描儀，在此過(guò)程中，能夠全面地掃描巷道。先進(jìn)的特殊濾波算法應(yīng)用于工作面位置確定中，這樣可以采集裝備整體部位的姿態(tài)信息。液壓支架控制閥也屬于一種重要的設(shè)備，電液控制技術(shù)屬于當(dāng)今應(yīng)用最為普遍和先進(jìn)的一種技術(shù)。此外，為了確保煤礦生產(chǎn)的不間斷性，往往應(yīng)用連續(xù)生產(chǎn)保障技術(shù)等智能化方式，例如，平衡控制技術(shù)常常在計(jì)算采煤系統(tǒng)負(fù)荷數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地開(kāi)展割煤速度，以及雷達(dá)探測(cè)與三維掃描等技術(shù)的應(yīng)用也能夠防范設(shè)備碰撞問(wèn)題。

2 煤礦綜采工作面智能化裝備發(fā)展現(xiàn)狀

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的探索，煤礦綜采工作面智能控制領(lǐng)域業(yè)已采用可有效地解決設(shè)備控制效率低、不統(tǒng)一問(wèn)題的智能化裝備，其可以有效統(tǒng)一環(huán)境監(jiān)測(cè)與故障診斷功能及實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)集成，從而能夠使煤礦綜采的智能化控制目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)今，應(yīng)用非常廣泛的液壓支架控制方式是電液控制系統(tǒng)，其傳感器與控制器常常較難進(jìn)行集成。然而，智能液壓支架存在不同之處，可實(shí)現(xiàn)一系列設(shè)備之間的有效集成，從而使支架的自動(dòng)化水平顯著提高。該裝備有效地應(yīng)用了機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，可以對(duì)裝備的相對(duì)位移進(jìn)行精準(zhǔn)地控制，從而使工作面的“三平兩直”實(shí)現(xiàn)［3］。此外，作為一種迅速發(fā)展、應(yīng)用廣泛的綜采智能裝備，智能采煤機(jī)可以在立足于對(duì)各種工藝標(biāo)準(zhǔn)的考量，設(shè)置相符合的工種模式，且使采煤過(guò)程中一系列設(shè)備的聯(lián)動(dòng)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)。此裝備還可以結(jié)合傳感器獲得一系列設(shè)備（采煤機(jī)等）的動(dòng)態(tài)信息，并且可以融合位置關(guān)系數(shù)據(jù)，以預(yù)測(cè)裝備軌跡，從而可以使系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)閉鎖控制目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。隨著煤礦開(kāi)采技術(shù)和方式的改進(jìn)，煤礦掘進(jìn)技術(shù)也在持續(xù)進(jìn)步。在煤礦生產(chǎn)中，煤礦掘進(jìn)流程涵蓋了主導(dǎo)流程和輔助流程，其中，在工作面直接完成的是主導(dǎo)流程，而確保主導(dǎo)流程順利開(kāi)展的是輔助流程。煤礦生產(chǎn)中的掘進(jìn)裝備對(duì)開(kāi)采數(shù)量和質(zhì)量有著決定影響。當(dāng)今，煤礦掘進(jìn)重點(diǎn)應(yīng)用兩種方式，即機(jī)械掘進(jìn)和一體式掘進(jìn)方式。其中，機(jī)械掘進(jìn)方式主要應(yīng)用自動(dòng)化控制技術(shù)和綜合性掘進(jìn)機(jī)械，如PLC 控制裝備和懸臂式掘進(jìn)機(jī)［4］。而一體化掘進(jìn)方式有著掘錨一體化的特性，能夠使協(xié)同控制、同時(shí)支護(hù)、迅速掘進(jìn)、不間斷輸送的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。在工作實(shí)踐中，煤礦掘進(jìn)中會(huì)應(yīng)用信息化技術(shù)手段，從而大大提升了掘進(jìn)設(shè)備的智能化與自動(dòng)化水平，具備非常強(qiáng)的穩(wěn)定性和優(yōu)勢(shì)。總而言之，煤礦企業(yè)中逐步廣泛地應(yīng)用迅速掘進(jìn)系統(tǒng)，這不但降低了掘進(jìn)工作負(fù)荷及人工掘進(jìn)作業(yè)量，而且顯著提高了巷道掘進(jìn)效率和質(zhì)量。對(duì)煤礦開(kāi)采而言，智能掘進(jìn)裝備的發(fā)展和創(chuàng)新非常有利于一體化掘進(jìn)系統(tǒng)的進(jìn)步。

3 煤礦綜采工作面智能化技術(shù)與裝備的進(jìn)展

3.1 綜采工作面智能技術(shù)進(jìn)展

3.1.1 綜采工作面不間斷推進(jìn)影響因素分析

對(duì)綜采工作面不間斷推進(jìn)的因素進(jìn)行分析，應(yīng)有效統(tǒng)一理論和實(shí)際，根據(jù)綜采工作面的實(shí)際情況建構(gòu)數(shù)據(jù)模型、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，再對(duì)自動(dòng)化綜采工作面的實(shí)際情況進(jìn)行統(tǒng)籌分析，最后對(duì)綜采工作面不間斷推進(jìn)影響因素的匯總分析報(bào)告進(jìn)行編制［5］。

3.1.2 綜采工作面不間斷推進(jìn)技術(shù)

綜采工作面不間斷推進(jìn)具備兩種方式：其一是設(shè)計(jì)設(shè)備工作情況的統(tǒng)計(jì)分析程序，統(tǒng)計(jì)分析綜采工作面設(shè)備應(yīng)用頻率、運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)、故障率等信息，進(jìn)而判斷設(shè)備故障問(wèn)題；其二是應(yīng)用綜采工作面精準(zhǔn)控制系統(tǒng)，在推移和控制支架千斤頂時(shí)應(yīng)用高精度定位技術(shù)。當(dāng)前時(shí)期，一部分業(yè)已取得進(jìn)展或突破的技術(shù)還存在提升的空間，具體如下。

第一，視頻監(jiān)控技術(shù)。綜采工作面采礦模擬系統(tǒng)結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的強(qiáng)化能夠?qū)Σ傻V的真實(shí)三維環(huán)境做出模擬，這樣能夠?qū)崟r(shí)模擬采礦設(shè)備和作業(yè)過(guò)程，且能夠使人機(jī)交互功能實(shí)現(xiàn)，操作者能夠在模擬系統(tǒng)的所有范圍和整個(gè)過(guò)程中實(shí)時(shí)進(jìn)入，此系統(tǒng)可以識(shí)別物體、輸入和處理一系列信息，尤為關(guān)鍵的是能夠模擬真實(shí)的三維采礦環(huán)境，計(jì)算機(jī)能夠呈現(xiàn)煤礦生產(chǎn)的實(shí)際動(dòng)態(tài)，進(jìn)而可以優(yōu)化和評(píng)價(jià)生產(chǎn)系統(tǒng)

第二，支架防碰撞技術(shù)。防碰撞系統(tǒng)不但可以將視聽(tīng)報(bào)警信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)事先發(fā)給采煤機(jī)操作者，而且其還屬于采煤機(jī)的安全防護(hù)系統(tǒng)。其中，雷達(dá)探測(cè)防機(jī)械碰撞的主要作用是結(jié)合雷達(dá)探測(cè)技術(shù)感知采煤機(jī)滾筒周圍的障礙物，若系統(tǒng)檢測(cè)到不明障礙物存在于采煤機(jī)運(yùn)行前方，該機(jī)器就會(huì)暫停運(yùn)行，然后等待相關(guān)工作者進(jìn)行處置。

3.2 綜采工作面智能裝備進(jìn)展

3.2.1 智能液壓支架

綜采液壓支架電液控制系統(tǒng)沒(méi)有切實(shí)統(tǒng)一其液壓支架構(gòu)造，屬于生產(chǎn)支架增添的附屬品。如果將來(lái)有效設(shè)計(jì)液壓支架和電液控制系統(tǒng)為一個(gè)整體，實(shí)現(xiàn)支架機(jī)械構(gòu)造、控制器、傳感器的統(tǒng)一，那么可以減小支架成本，切實(shí)使一體化的液壓支架構(gòu)造實(shí)現(xiàn)，從而提升液壓支架的自動(dòng)化和智能化發(fā)展水平。結(jié)合支架遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程化控制液壓支架，以及將液壓支架遠(yuǎn)程操作臺(tái)設(shè)計(jì)在監(jiān)控中心，能夠結(jié)合電液控制計(jì)算機(jī)主界面和工作面視頻界面進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。

3.2.2 智能采煤機(jī)

智能采煤機(jī)可以結(jié)合各種采煤工藝標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)工作模式的智能化切換，結(jié)合微電系統(tǒng)（MEMS）傳感器技術(shù)對(duì)支架和采煤機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)及位置關(guān)系信息進(jìn)行收集，進(jìn)而對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行軌跡做出預(yù)測(cè)，確保采煤機(jī)跟其他設(shè)備作業(yè)的協(xié)同化。將采煤機(jī)遠(yuǎn)程操作臺(tái)安裝在監(jiān)控中心，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以向操作臺(tái)傳輸采煤機(jī)位置和作業(yè)等信息，然后采煤機(jī)視頻系統(tǒng)發(fā)出指示或命令（升降滾筒等），而數(shù)據(jù)通信和網(wǎng)絡(luò)通信向操作臺(tái)反饋指令信息，進(jìn)而可以遠(yuǎn)程控制采煤機(jī)。

3.2.3 智能刮板運(yùn)輸機(jī)

因?yàn)橹悄芄伟暹\(yùn)輸機(jī)可以支撐采煤機(jī)，所以其具備平整度與直線度的檢查標(biāo)準(zhǔn)。為了實(shí)現(xiàn)運(yùn)煤效率的提升，應(yīng)對(duì)支架和刮板運(yùn)輸機(jī)之間的位置及作用關(guān)系進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并且防范運(yùn)輸機(jī)來(lái)回滑動(dòng)，對(duì)其位置進(jìn)行確定。

4 煤礦綜采工作面智能化技術(shù)與裝備發(fā)展存在的問(wèn)題

4.1 缺乏一致的通信平臺(tái)

通常，綜采工作面信息網(wǎng)絡(luò)僅僅可以傳輸大數(shù)據(jù)量的視頻信息，而難以傳遞其他信息，因?yàn)橐恢碌耐ㄐ牌脚_(tái)缺乏，一系列系統(tǒng)間未曾切實(shí)共享信息資源，所以依舊沒(méi)有實(shí)現(xiàn)綜采設(shè)備監(jiān)控信息的共享連接。

4.2 工作面的自動(dòng)找直難以實(shí)現(xiàn)

盡管外國(guó)在綜采工作面找直方面取得了較為理想的效果，即有效統(tǒng)一長(zhǎng)壁自動(dòng)化系統(tǒng)（LASC）和導(dǎo)航技術(shù)，從而以此實(shí)現(xiàn)綜采工作面設(shè)備的水平控制和自動(dòng)找直功能，可是工作面自動(dòng)測(cè)量技術(shù)需要尤為準(zhǔn)確的距離值與相對(duì)位移值，因?yàn)槠錅y(cè)量精度不符合要求和標(biāo)準(zhǔn)，所以還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化找直［6］。

4.3 綜采工作面面臨刮板運(yùn)輸機(jī)來(lái)回滑動(dòng)的問(wèn)題

綜采工作面具備復(fù)雜化的煤層，這導(dǎo)致刮板運(yùn)輸機(jī)作業(yè)過(guò)程中往往順著綜采工作面來(lái)回滑動(dòng)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)載機(jī)和刮板機(jī)間的距離減小或增大，從而導(dǎo)致安全出口縮小和運(yùn)煤安全等問(wèn)題。

5 煤礦綜采工作面智能化技術(shù)與裝備的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)及方向

5.1 煤巖自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和方向

針對(duì)實(shí)施放煤工藝的綜采工作面，要想使智能化的工作面開(kāi)采實(shí)現(xiàn)，務(wù)必對(duì)煤炭放落自動(dòng)識(shí)別技術(shù)進(jìn)行研發(fā)，構(gòu)建相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型開(kāi)展探究，并且應(yīng)用信息技術(shù)對(duì)控制算法進(jìn)行識(shí)別，從而可以進(jìn)行自動(dòng)化放煤作業(yè)。當(dāng)今，已存在的煤巖分界傳感系統(tǒng)有20 種之多［7］，涵蓋振動(dòng)頻譜傳感系統(tǒng)和記憶程序控制系統(tǒng)等，然而，相關(guān)系統(tǒng)只是處在理論研究時(shí)期，在生產(chǎn)實(shí)際中沒(méi)有得有成功運(yùn)用。煤礦井下的煤炭環(huán)境狀況非常復(fù)雜，這不利于辨別、準(zhǔn)確判斷煤巖分界面，為此，研制具備相應(yīng)分辨率、精準(zhǔn)化水平高的煤巖分界識(shí)別傳感器是自動(dòng)調(diào)高采煤機(jī)滾筒的根本所在。進(jìn)一步分析組合式的調(diào)高技術(shù)方式是發(fā)展方向，記憶智能程序控制技術(shù)是外國(guó)應(yīng)用較多的一種技術(shù)，并且在實(shí)際應(yīng)用中非常普遍。而當(dāng)今具備發(fā)展前景的一種重要技術(shù)是雷達(dá)探測(cè)技術(shù)。

5.2 刮板運(yùn)輸機(jī)直線控制和檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和方向

巷道與綜采工作面這種測(cè)量對(duì)象的特點(diǎn)是狹長(zhǎng)性，在其中錯(cuò)綜復(fù)雜地分布了液壓支架等設(shè)備，對(duì)其測(cè)量的困難較大，再者，受到復(fù)雜地理?xiàng)l件和煤層的影響，綜采工作面設(shè)備的非可視測(cè)量難度非常大。一般將激光定位技術(shù)應(yīng)用于綜采工作面，然而，基于采煤機(jī)切割作業(yè)的開(kāi)展，很多煤塵形成于工作面，從而使測(cè)量結(jié)論的準(zhǔn)確性受到影響。為此，該技術(shù)不適用，測(cè)量定位設(shè)備對(duì)測(cè)量定位技術(shù)的定位精度要求和標(biāo)準(zhǔn)非常高，結(jié)合綜采工作面的要求，應(yīng)確保0.01°的角度定位精度標(biāo)準(zhǔn)［8］。

5.3 可視化發(fā)展趨勢(shì)和方向

綜采工作面智能化技術(shù)和裝備在液壓支架控制、輸送機(jī)、采煤機(jī)等環(huán)節(jié)具備可視化發(fā)展方向，因此，會(huì)研發(fā)有關(guān)的智能控制軟件，可以可視化處理和分析一系列生產(chǎn)信息，從而使可視化控制的需要實(shí)現(xiàn)。像是在監(jiān)測(cè)工作面場(chǎng)景上，能夠結(jié)合全景視頻呈現(xiàn)技術(shù)采集及拼接視頻圖像，從而實(shí)現(xiàn)可視化管理工作面。當(dāng)然，工作面直線度判斷方面也能夠應(yīng)用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，進(jìn)而介質(zhì)CCD、圖形處理等技術(shù)自動(dòng)檢測(cè)工作面狀態(tài)，從而使“三機(jī)”控制很好地實(shí)現(xiàn)。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，煤礦領(lǐng)域的信息化和工業(yè)化發(fā)展推動(dòng)了煤炭科技智能化水平的提升，促使煤炭企業(yè)向技術(shù)密集型轉(zhuǎn)變。為此，煤礦綜采工作面智能化技術(shù)與裝備勢(shì)必向著高信息化、高自動(dòng)化、高智能化的方向發(fā)展，從而使煤礦無(wú)人和智能開(kāi)采的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。