面向工程實踐能力培養的煤礦綜采成套裝備實驗系統建設與應用

謝嘉成，王學文*，郭永昌，廉自生

（1.太原理工大學 機械與運載工程學院，山西 太原 030024；2.煤礦綜采裝備山西省重點實驗室，山西 太原 030024）

在新工科、工程教育認證和一流專業等大背景下，要求機械工程的畢業生掌握課本理論知識，并具備一定的工程實踐能力[1]，能夠解決復雜的工程問題[2]。其中，工程教育認證2020版認證標準中明確提出了“工程知識”“問題分析”“設計/開發解決方案”“研究”等12點畢業要求，著力全面提升學生的綜合實踐能力[3]。工科背景學生綜合能力的提高離不開完備的實驗實踐條件[4]，但在當下疫情進入常態化的大背景下，校外等一線的工業現場實習與實踐受到限制，“云實習”“校內實習”“虛擬仿真實習”等紛紛進入課程體系[5]，成為替代解決方案，但效果均不太理想。因此，如何在實驗室條件下建設完備的且具有工業現場的實踐和實驗條件，成為工科實踐亟待解決的問題。太原理工大學機械設計制造及其自動化專業，以智能煤機裝備為背景[6]，服務山西省“能源革命”的轉型戰略需求[7]，如何高質量、高標準地培養出新時代“智能+”背景下的合格機械工程背景專業畢業生，成為了重要的教學研究課題。

而涉及到煤機裝備，由于煤礦環境危險[8]，學生到礦井生產現場實習存在影響安全生產和自身安全難以保障的問題[9]，缺乏實驗和時間場地是智能煤機裝備方向所面臨的重要問題[10]。因此，能在實驗室條件下布置一套綜采裝備實驗系統成為了可行性方案。因此，一些高校建立起了采煤機和液壓支架等單一綜采設備模型，或者構建了一些縮小版的綜采工作面模擬系統[11]，為學生學習相關知識和進行實踐提供了良好的基礎[12]。但存在的問題如下。

（1）體現不出真實的配套關系：三機配套要求很高，對于學生理解井下設備運行的工藝、動作、靜態動態和配套尺寸等具有重要作用。（2）體現不出真實的電氣、液壓的驅動關系：學生本科階段學習了機電傳動、液壓傳動等相關知識，正好需要在實物上進行操作學習，而液壓電氣系統較為復雜，為節約成本，模擬實驗系統多采用簡單的系統驅動，如液壓支架的立柱油缸等換成了氣動驅動，電機驅動也配置了簡易電機，體現不出真實性。（3）沒有體現出系統性：不能系統認知整體工作面的運行狀態。綜采工作面是一個大系統，機械、電氣、液壓、供電、安全等有機結構，當前體現不出這些關系。（4）與智能綜采相差較遠：智能采煤近年來發展迅速，而當前的模型試驗臺距離智能化相差太遠，有的液壓支架還是手動操作，連電液控制都沒有達到，更不要說現代化的集控中心。

為此，筆者在長期積累的煤機裝備領域教學、科研及產學研合作資源的基礎上，通過產學研合作的方式聯合共建“煤礦綜采成套裝備實驗系統”，并進行了升級改造，旨在建設自動化綜采工作面實驗室，在實驗室配備成套綜采工作面開采設備，建設一個小型的綜采工作面作業環境，通過改造并配套自動化核心部件和裝置，實現該試驗綜采工作面的自動化采煤。滿足本科生實踐教學能力的培養，并在該工作面通過不斷的試驗和研究開發新的綜采工作面自動化部件和裝置。建設完成的這套設備需為本科生身臨其境的進行教學實習、科學研究以及企業智能化綜采技術培訓提供基礎。

1 改造動力

煤礦綜采裝備及系統屬于大型設備、系統極為復雜、成本高，建設一套高要求的實驗系統難度極大，因此首先需具備改造動力，產學研合作各方才能協同完成。

1.1 本科教學的動力

智能煤機裝備方向實踐能力培養，首先會考慮到安全問題，下井到工業生產現場認知實踐和煤機裝備生產企業。實習時間受到限制，女生不能下井，只能粗略瀏覽和走馬觀花，只能進行一個認知，進行不了細致和深入的學習與研究。對于本科生的訴求來說，一般而言不會選擇煤礦作為工作單位，但煤礦機械裝備井下工作惡劣，其可靠性和復雜性較傳統機械有過之而無不及，其涉及到的相關設計與制造理論和通用機械設備也有相似性。因而，對于本科生來說，激發其學習動力，以煤礦機械裝備為背景進行學習，把課本上學習到的理論知識付諸實踐，對于其以后從事其他機械行業背景的工作，有相當大的好處，可有效提升其實踐能力。

因此，在實驗室條件下建立一套和井下完全一致的小型綜采工作面設備非常關鍵，且和相關專業課、課程設計、畢業設計進行緊密結合，能夠取得積極的效果。現在讀研率越來越高，而機械設計作為本學科的最重要方向之一，會吸引很多同學進行讀研和讀博。因此，總體來說，學生有認知和學習的動力，會選擇本方向進行深造。他們在進入研究生后，因為有了本科生的相關知識能夠快速進入課題，隨之也轉化為科研需求。

1.2 科學研究的動力

對于老師來說，發現的問題、研究的問題越前沿，對于本科生的指導意義越大，教學和科研兩者相互促進。深入煤礦井下一線工作面，發現相關問題，基于自身專業背景與基礎知識進行解決，是本方向老師的基本科研動力。

而直接在煤礦進行試驗受到防爆、安全等限制，在實驗室條件下搭建出能模擬井下工況的相關試驗臺顯得很關鍵，能安全進行各項問題研究，研究完成后再在井下現場進行相關試驗。因此，老師們有建立地面綜采實驗系統的需求。

1.3 企業發展的動力

為了推進煤礦綜采裝備智能化發展[13]，加快智慧煤礦建設，提高煤礦一線人員的智能化技術水平，煤炭生產和煤機裝備制造企業要想進行發展，重要的是智能化人才的培養、企業培訓，全方位提高自身的素質。而在井下操作與培訓也受到極大限制。而在地面上只進行理論培訓，也很難取得滿意效果。因此，在實驗室條件下能進行與井下工作環境一致的實訓操作環節訓練也很關鍵。所以，企業在構建地面綜采系統上也有較大需求。

1.4 科普需求

國家科技部和山西省科技廳規定，每年的省重點實驗室需要承擔相關的科普性工作，一般會開展實驗室開放周活動，社會各界、學生等都有意愿看井下的實際條件。

2 建設總體方案

如圖1所示，在政策、學生、教師、企業等條件保障下，從裝備、信息化、配套設備、基礎保障條件等進行實驗系統的升級改造，改造后可以完成綜采工作面整體認知、裝備配套與設備結構關系、機電信息、動力學和運動學方面工作。最終進行以提升本科教學人才培養中實踐能力為核心的“1”的應用，再輔之以科研應用、技術培訓和科普應用“3”方面的應用，形成“1+3”的應用體系。

圖1 改造運行思路圖

3 改造方案設計

3.1 整體裝備設計

設計目標是在實驗室建設一個30 m長的小型工作面，基于某礦業公司與我實驗室進行產學研合作，將一套在井下服役過的采煤機、刮板輸送機、液壓支架、轉載機、破碎機加之實驗室原來擁有的皮帶機、乳化液泵站等，放到了實驗室，完整再現了井下綜采工作面的真實設備。

在設備到貨前，提前準備大型鋼板鋪在實驗系統下方，對1 140 V的高壓電進行設備改造，購買移動變電站等，課題體現出一個完整工作面的相關效果。

在收到的104份統計結果中，有64.8%的志愿者為在校研究生，其余本科生各個年級均有分布。被調查者所學的專業種類豐富，涵蓋英語、通信、材料、機械、電氣、法律、電子、旅游管理、港航等十余個專業。志愿者們英語水平總體較高，73.8%通過了英語專業八級或大學英語六級，37.7%通過專業英語四級或大學英語四級，另有通過上海中口、BEC中級或人事部翻譯資格考試三級口譯等。

3.2 裝備改造

有了設備后，由于是井下廢舊設備，首先需檢查設備是否完好，滿足基本功能要求。盡管與現在使用的自動化程度較高的設備在機械結構上大致不變，但在控制方式、傳感器安裝等方面差別較大。例如，液壓支架仍然是傳統地通過人為扳動操作桿進行操作，與現在的電液控制操作方式截然不同。因此針對幾大設備分別進行了相關改進。（1）針對采煤機，將原各控制信號采出到PLC中，經過無線傳輸，配備遙控器和遠程操控按鈕，實現遠程控制、數據采集等功能。（2）液壓支架進行電液控制系統改造，并集成相關姿態監測傳感器，實現與采煤機及刮板輸送機協調控制。（3）其他，配套了一套小型的乳化液泵站系統，該系統配備一套儲能器，保證液壓系統的穩定供液。

3.3 信息化智能化改造

傳統井下工作面設備主要通過多個工人進行配合操控。而當前，智能化工作面已通過高度的信息化、高精度的感知元件和集中控制的方式進行操控，因此需進行信息化和智能化改造。

本系統網絡結構圖如圖2所示，建立了一個有線通訊與無線覆蓋相結合的通訊網絡平臺構建技術，實現裝備間的互通互聯，加裝了集中控制中心，配備工作面智能控制系統和視頻監控系統，具備井下綜采成套裝備實際工況運動學的能力，模擬井下工作面的生產現場。在試驗大廳距離不遠的辦公樓的會議室，也同樣安裝了遠程調度大屏幕，模擬地面的遠程調度中心，并可以通過井下通訊網絡實現遠程自動化采煤，完全具備了井下高水平智能化綜采工作面的建設標準。

圖2 煤礦綜采成套裝備實驗系統網絡結構圖

3.4 總體完善

為了能夠進行改造，還安裝了相關防護欄，在上面粘貼了智能化設備及系統的最新科研成果框圖。實驗室還專門安排一位實驗人員負責安全，配備實驗演示員規范性地操作實驗，為本科生進行相關培訓與講解。添加了視頻監控，24 h對設備進行實時監控，保證安全，取得了積極的效果。

3.5 改造成果

如圖3所示，改造后的實驗系統可完成現代智能工作面的展示，無論從裝備布置、裝備結構，還是通訊、信息、監測、控制等裝置方面均盡量還原真實的工作場景。

圖3 煤礦綜采成套裝備實驗系統

（1）裝備結構與運動學：完整再現采煤機、刮板輸送機、液壓支架的全部基礎知識，其工作原理、內部結構傳動、作用動作等。可展示設備完整的靜態與動態配套關系，采煤工藝流程等。在完成采煤機單機遠程監控的基礎上，集控中心還能將其他各單機或子系統信號采集回來，進行綜合協調，根據工藝、實時配套運行條件和突發情況變化等，實時調整三機運行條件，完成不同運行工況條件下的自動采煤和協同運行。（2）自動化監控：在會議室模擬量地面調度中心，完全模擬和實現了井上和井下的監控效果。

4 系統應用

4.1 本科生教學應用

綜采工作面中的采煤機、刮板機、液壓支架占到了基本課程2/3以上的內容和相關知識點，其中包括煤巖的機械物理性質、掘進機械、采煤機械、支護設備的結構、工作原理的課程。相關培養環境如下。

（1）采掘運裝備課程教學（包括實驗教學）：本課程核心是通過課堂學習采掘運裝備的基礎理論知識，特色在于實驗室條件下的真實設備參觀進行認知實驗。（2）采掘運裝備專業方向課程設計：基于課堂所學理論知識進行采掘運裝備的設計與繪圖。（3）采掘運裝備畢業實習：前往企業參觀煤機裝備生產車間，深入學習裝備的結構、功能、生產和應用中的相關內容。（4）采掘運裝備畢業設計：利用本科課程掌握的機械專業知識和相關參考文獻，解決采掘運裝備實際應用中的復雜工程問題。

以一位同學為例，該生在大四經過采掘運機械課程的學習，了解了液壓支架在井下工作的具體作用和問題，產生了濃厚的興趣。在課程設計中，又以實驗系統中的ZZ4000/18/38液壓支架設計理論與實踐為背景，開展整體支架的設計。畢業實習又前往相關的煤機裝備廠家進行實踐與學習。本科畢業設計又以“液壓支架的虛擬監測”液為題開展研究，在實驗系統相關支架上布置傳感器進行相關研究。其研究成果在中國機械行業卓越工程師教育聯盟“恒星杯”畢業設計大賽中獲得佳績，獲得校級優秀畢業設計。

在本科生教學中，常常會遇到理論與實際脫離的情況，利用本系統可以使學生生動形象地了解采掘運裝備各部分的內部結構與實際工作中的工作流程，被機械、礦業為主體的學生群體廣泛接受，受到好評。已運行5 a，承擔了本科生1 000人的課程實驗培訓、課程設計、畢業設計輔導等工作。基于此，學生的實踐能力得到了大幅提升。以此為背景開展本科畢業設計相關工作，也取得了很好的效果。

4.2 科研應用

研究生教育階段，依托實驗系統，已改造了煤巖截割、位姿監測、液壓驅動、遠程集控、液力傳動等以煤礦綜采裝備為背景各種實驗臺，充分為煤礦綜采裝備的難題和技術問題提供全面支撐。

已連續3年培養出校級優秀畢業生，培養研究生在17～20級綜合成績均獲取過全院第一，且成果顯著：發表SCI/EI論文7篇，其中SCI二區1篇；發明專利3項；主持研究生項目4項；獲得研究生國家獎學金4次，學業獎學金特等獎1次。積極參加研究生創新實踐系列大賽，包括數學建模大賽、機器人創新設計大賽等賽事取得佳績。其中研究生畢業升學985、211高校博士5名，證明培養模式在不斷的優化。

4.3 智能化培訓應用

為了推進煤礦綜采裝備智能化發展，加快智慧煤礦建設，提高煤礦一線人員的智能化技術水平，某礦業集團與我校利用雙方共同創建的智能化煤礦綜采裝備實驗系統，開展煤礦綜采裝備智能化技術培訓工作。面向的對象包括煤礦綜采生產管理人員、運維人員技術、設備操作人員和應屆畢業新入職大學生等4個層次。培訓的內容主要包括：除理論學習實踐外，還在本系統上進行相關實操訓練。

培訓相繼進行了10余期，涉及人數超過600人，均成為該煤炭集團中各煤礦活躍在一線的具備智能化能力的相關業務骨干。當前已有多個煤礦完成了智能化改造，這些培訓學員在工作崗位中基于理論學習與實踐，并結合自己的聰明才智積極投身智能化礦山的建設，已經有1個煤礦和3個工作面建設等通過山西省的智能化工作面驗收[14]，有的甚至成為成為國家級的示范礦井[15]。某培訓學員還在山西省“我為轉型發展做貢獻”演講大賽中，結合智能化培訓的相關經歷進行演講，獲得了三等獎的好成績。

4.4 科普應用

山西省科技活動周活動已延續8個年頭，每年的5-6月，山西省國家和省級重點實驗室將集中面向社會各界有組織地開展成果和科研條件展示、科普講座、開放實驗、學術交流、參觀訪問等形式多樣的公益性公眾開放活動。本系統作為煤礦綜采裝備山西省重點實驗室的主要展示內容，在每年省重點實驗室開放周期間受到了廣大群眾與部分科研單位的青睞，效果明顯，共接待了教師、工人、科研人員、大中小學生等各類社會群體，完成了上千人的科普工作。

5 結論

（1）總體來說，本系統的成功建設和應用得出通過產學研的合作方式，在實驗室條件下建設高仿真度條件的煤礦綜采成套裝備實驗系統，具有可行性，可廣泛應用于“1+3”等教學科研技術培訓公共服務等活動。

（2）創新了一種“實時實驗+教學”融合的實踐教學新模式。本科生從枯燥無味的課堂進入到全新學習的模式，從專業課的學習實驗、再到課程設計、畢業實習和畢業設計，邊看邊學，一步一個腳印，完成相關設計工作，本科生的實踐能力顯著提升。

（3）可繼續改進。添加井下相關的環境條件，例如添加煤壁：實現截割動力學情況的相關展示與科學研究，制造煤礦井下環境巷道與頂板系統，實現支架的推溜移架動作，使實驗系統的相關條件更加接近井下工業現場條件。也可以在實驗系統上對新設備新方法，如巡檢機器人、視覺、AR、數字孿生等進行試驗。