綜采工作面主要綜采裝備的智能化技術探討

周 波

（晉能控股煤業集團大斗溝煤業公司, 山西大同 037000）

在我國的能源經濟發展中, 煤炭是其賴以生存的食糧, 一直以來都在一次性能源消費中占據著十分重要的地位。煤炭開采過程大約存在90%左右的方式為井工開采, 環境和條件極為惡劣, 且存在瓦斯透水等多種風險因素。多年以來, 礦井開采工作從單機機械化實現了自動化的發展, 并逐漸趨向于智能化。當前, 我國正在全力建設智慧礦井和智能化綜采作業面, 與其相對應的是綜采技術及裝備也取得較快的發展, 綜采技術及其裝備具有的智能化水準也是對作業面智能化進行衡量的一個重要指標。

1 智能化綜采系統架構

智能化綜采作業面指的是礦井開采工作引入了一系列機電一體化的成套裝備, 如采煤機、自動化液壓支架等, 實現了作業面的無人化、自動化及遠程化, 可以確保開采工作的安全性及高效性。智能化綜采系統是將一系列智能化技術進行較好的融合, 如液壓、電氣、語言、視頻等。智能化綜采系統的構成包含了三個部分, 分別為作業面、順槽和地面, 該系統的框架詳見圖1。其中, 作業面處于礦井下作業面, 作業面采用的主要裝備有液壓支架、采煤機、刮板運輸機等, 通過實現各個單機設備之間的協作, 促使煤炭開采工作實現采、支、運等工作的順利進行。礦井下順槽部位通過將供液、供電、集控等系統設定為輔助設備, 以遠程監測供電、供液及裝備的運行。地面部分需要建設中心調度中心, 利用環網來對下方的設備、人員、車輛等一系列信息進行全方位、動態化的遠程監控[1]。

圖1 礦井智能綜采系統框架圖

2 綜采核心裝備智能化技術

2.1 綜采三機裝備技術功能圖譜

綜采作業面配置的裝備主要是以刮板運輸機、采煤機及液壓支架為核心的三機設備為主來作為一個執行單元, 實現三機的智能化是綜采作業面智能化的前提, 采煤機主要是為了滿足煤層發生的變化, 對滾筒的采高及運行速率來進行調節, 以實現“采”功能；液壓支架的配置主要是為了滿足巖層壓力的變化, 對支護幫板進行調節, 以實現“支”功能；刮板運輸機組主要是為了滿足煤流的變化, 對破碎及運輸的速度進行調節, 以實現“運”功能[2]。如圖2所示為三機裝備技術的功能圖。

圖2 三機技術功能圖譜

2.2 采煤機智能化技術

目前, 在礦井中, 無鏈電牽引采煤機是其核心產品, 采煤機實現智能化主要表現在以下三個方面。

多傳感器融合感知技術：采煤機所配置的傳感器設備主要包含四種類型, 其功能分別為運行狀態的感知、運行環境的監測、電機的動態化管理和位姿的監測。對采煤機的運行環境進行監測主要是對作業面的人員定位、瓦斯等進行監測, 外部監測可以充分反映出采煤機的運行環境, 判斷采煤機是否可以正常啟動運行。運行狀態的感知主要指的是對液壓系統的壓力、采煤機的電控箱溫度、液壓系統的壓力等一系列指標進行感知, 運動狀態可以將采煤機運行階段各個裝備的正常狀態進行反映。位姿監測是保證采煤機實現自動化運行的基礎, 利用傾角儀及編碼器來分別取得作業面中采煤機的位置、機身的俯仰角度等相關數據。電機動態管理單元, 通過運用內部PT100及PTC來對其運行的過程中形成的溫度信息來進行監測, 另外, 通過運用電流傳感器來取得電機的三相電流, 控制模塊通過分析三相電流及電機溫度來獲取過流、過溫等一系列信息[3]。

自主截割技術:傳統采煤機的自主截割操作是以采煤機的記憶截割系統為基礎, 通過對采煤機割煤過程進行學習, 掌握煤機、搖臂滾筒等速度變化, 并儲存相應的記憶數據；而后采煤機可以利用記憶數據來完成采煤機的自主割煤。當前, 采煤機可以利用規劃截割系統來完成自主截割。通過對采煤機的截割系統進行規劃, 及時接收到上位機所傳輸的截割曲線, 然后系統將該曲線進行分解, 使其成為各個工藝段的速度、采高等數據, 并及時傳輸到采煤機的各個單元, 做出對應的動作。

數據遠程傳輸及監測技術:完成作業面到順槽集控中心的數據傳輸, 這需要依托于有效的遠程通信技術。數據遠程傳輸可以利用有線/無線通信、載波通信等技術, 其中載波通訊一般要維持500m以下的傳輸距離, 其主要是借助主電纜控制線具有的頻分復用技術, 其傳輸的速度維持在15ms, 延時抖動的速度為1ms, 可以對CAN、485等通信協議進行支持。有線通信主要存在兩種方式, 分別為動力和光纖兩種電纜, 動力電纜主要是利用電纜之內的芯線來完成遠程傳輸, 其安全的傳輸距離一般超出了1500m, 速率一般低于20ms；光纖通信的傳輸距離可以超出1500m, 其優勢主要為延時較低、寬帶較高[4]。

2.3 液壓支架智能化技術

液壓支架智能化的核心標志是電液控制技術的日益成熟, 其關鍵功能是完成作業面自動化的放煤、移架、噴霧等功能, 作業面對上百臺液壓支架進行成組排列, 以有效支撐頂板, 并為設備構建起安全空間。經過長期的科研, 液壓支架的智能化技術主要表現在以下幾個方面。

自適應控制技術:該技術主要包含了自適應的調斜、護幫等功能。通過在設備之中安裝壓力、行程、傾角等傳感器, 對液壓支架在跟機移架之中狀態進行實時監測, 通過將監測數據與預設參數進行對比來完成千斤頂或者護幫板的控制。

液壓系統智能控制技術:傳統液壓支架中安裝的自動跟機及移架是通過對電液閥進行人為控制來完成一系列操作。人工操作具有一定的缺點, 如靈活性較低、操作較為滯后等。液壓系統的智能化控制則是通過收集各種類型支架的動作、用液量、動作時間等一系列數據, 針對不同的自動化跟機動作程序來對用液量進行預判, 并傳輸到泵站的控制系統, 對泵站的壓力進行自動調節, 從而確保液壓支架實現自動化的移架及跟機[5]。

自動調直技術:液壓支架在反復推進的過程中會出現一定的誤差, 導致煤壁平直度出現彎曲, 更有甚至會導致煤機出現脫軌。目前, 該技術主要是利用慣性導航系統來實現, 慣性導航系統需要搭載在采煤機上, 伴隨著采煤機的運行而形成一個曲線, 通過采取插值算法, 基于標準的采煤刀數來對電液系統中的推移量進行控制, 已完成作業面的自動調直。

2.4 刮板運輸機組智能化技術

刮板運輸機組又被稱之為“小三機”, 其所包含的裝備主要為破碎機、轉載機和運輸機, 作用在于對開采煤塊進行破碎、裝載及運輸, 另外, 在采煤機中, 刮板運輸機也是液壓支架和行走軌道持續推進的支點, 其中所采用的智能化技術主要包含以下兩個方面。

智能調速技術:該技術主要是利用電機電流的反饋方式來明確運輸的負載。系統依據負載的實際情況來對運輸機鏈條的速度進行調節, 保證運速與運量之間的正相關性, 以減少刮板運輸機的能源消耗。

鏈條張力自動控制技術:該技術主要是利用機尾自動化伸縮裝置來實現調節。通過對油缸腔內的壓力變化值進行感應來完成刮板運輸機的實時控制, 從而使油缸的伸縮量可以得到較好的控制, 同時也可以對伸縮量設置臨界點, 確保鏈條在啟停時可以得到較好的控制[6]。

3 智能化綜采技術發展歷程

隨著《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》的頒發, 對礦井的智能化建設提出明確的規劃, 即“三步走”, 綜采技術也由此實現了智能化。綜采智能化的發展與裝備技術的智能化發展是相輔相成的, 我國依據綜采技術的發展進程, 將其智能化階段劃分為四個技術階段：一為1.0, 即可視化遠程干預；二為2.0, 即作業面自動化找直；三為3.0, 即透明化作業面；四為4.0, 即透明化礦井, 綜采技術發展的每一個階段都有著不同的技術水平。1.0階段的發展源于2010年, 其核心技術為液壓支架的自動化跟機、采煤機的記憶截割、可視化的遠程監控, 輔助刮板運輸機及其相關的設備, 確保作業面生產的高效和安全。2.0時期是以1.0時期為基礎發展起來的, 其加入了以慣性導航為技術核心的控制技術, 有助于完成作業面找直工作的自動化, 這一時期的發展有效解決了采煤階段中持續平直推進的問題。3.0時期所研究的核心技術為以透明化作業面為基礎的高精度三位地質模型、大數據智能化分析的決策平臺、作業面綜采裝置的空間導航定位等。這一時期的技術十分依賴于透明作業面模型的精確度, 在作業面中三機裝備的智能化及其協作基礎之上, 將控制及決策的權限拓展至大數據決策中心, 各個不同的技術相互協作, 促使作業面實現了無人化開采。4.0階段是對3.0階段的深入延伸, 也是礦井實現智慧建設的必要支撐, 其中涉及到了十分全面系統的技術, 這就要求裝備實現更為高級的智能化水平, 對于綜采工作而言, 這也可以成為全智能化自適應的開采階段[7]。

4 結語

本文通過對綜采智能化系統進行闡述, 對其整體框架進行明確認識, 以綜采作業面的智能化裝置為主, 對采煤機、液壓支架、刮板運輸機當前所運用的智能化技術進行詳細闡述。另外, 對各種裝置的智能化技術所對應的綜采智能化發展進行總結。由此可以看出, 在礦井日后的發展中, 綜采智能化是其開采作業的必然趨勢, 隨著科技的日益發展, 裝置的智能化水準也得了極大的改善。裝置技術的不斷創新也將會促進生產模式及能源領域的創新。