無人工作面的采煤機智能控制技術研究

＊張捷睿

（山西省地寶能源有限公司 山西 030045）

煤礦的發展對于促進國民經濟的發展起著舉足輕重的作用，近幾年，煤礦企業越來越多地關注著這一領域。自動控制技術已被普遍地用于礦井生產。在礦井作業中，充分運用各種智能技術，對提高礦井生產經營的實效性具有重要意義。將采煤機械的自動化技術用于礦井無人作業，已經是目前國際上煤礦工業所關注的一個主要內容。

1.無人開采技術研究

（1）關于無人工作面自動采煤技術介紹。無人開采采用了當今最尖端的技術，包含了隧道通信技術、開采技術，主要有：自動化鉆孔、自動裝煤、自動卸料等，其技術依據是高速隧道通信與高精密的地面定向，而無人開采技術則是在露天開采區之外的地方操作機械，實現工作面的破煤、裝煤、運煤等各個工序。

無人采掘具有廣泛的應用前景，其中有在薄煤區內可進行刨煤機的機械化采煤，無人工作面進行高瓦斯煤層的提前排出，確保了煤礦的安全。并對常規采礦技術進行了充實和提高，采用了先進、完善的采場監控和監視技術。通過運用先進的自動化技術，使企業的資源合理分配，提高了企業的生產能力和效益。

（2）無人工作面采煤機智能控制關鍵技術。該技術支持主要有：采煤機械的自控、刮板運輸機的自動推進、地下高速通信、數據庫技術等。

煤礦井下作業的智能化控制系統可分為空調式和遙調式兩種，通過井口監測與多個系統相連通，并在綜采工作面的輸送管道上進行采集，將采集到的信息傳送給工作面的操作平臺，視頻監測系統的主要功能是在電腦上進行實時圖像的實時顯示[1]。

對采煤機械進行智能化的控制，根據輥子的高低，智能化調整拖動速率，保證輥子能夠在工作臺上進行特定的作業。煤層的預報為以后調整輥身的工作提供了參考，如果50mm的高度變動則可實現對切高的調整。

智能化的采掘技術通過智能的感知，按照控制系統的命令對裝備進行操作。即便沒有工人參加的工作面支撐和各個生產工序，也能實現煤礦生產的特定知覺和控制作業[2]。

在研究過程中根據煤礦的實際需要，利用智能化的控制體系進行實時的防滲，通過采用自動化的方法實現相應的生產作業。在進行采煤機的推進作業時需要以需求為基礎，采用全面的方法進行計算，從而得到最后的成果。

在智能化的自適應采礦技術模型中，自適應調整技術已得到了廣泛的運用。它在煤礦生產過程中起著關鍵的作用，其中包括對煤層進行自動識別和智能控制，以及煤巖的自動判別和感測技術保證機械化生產的高效。在進行采煤作業時，對提高采收率具有很大的幫助。但是這種技術的使用存在很大的不確定性。智能控制技術是根據煤體的邊界特征，對輥子進行自動調整，使輥子有較大的調整空間[3]。

（3）國內外煤礦無人開采技術研究現狀。在我國社會經濟發展水平不斷提高、煤炭資源需求量日益增加以及煤礦安全生產形勢日趨嚴峻等因素影響下，對于煤礦企業提出了更高要求。目前，在煤礦開采中應用最為廣泛和先進的是無人化開采技術與裝備。但是由于相關領域的研究起步較晚且理論體系較為薄弱，導致該項技術還處于探索階段。

我國的科研機構已經開始研發采礦機械、礦井GPS等相關技術，并已初見成效。其中無人開采技術主要體現在無人運輸設備及自動控制設備兩方面。而自動控制設備則包括計算機系統及通信系統兩個部分。這些都為無人開采技術的進一步完善奠定了基礎，也使得其具備良好的可操作性。通過將上述兩種方式相結合可以實現對整個礦區進行全面有效的管理，從而達到高效安全開采的目的。同時這種新型開采模式具有很強的靈活性，能夠根據實際情況調整開采參數。

2.無人工作面采煤系統組成

無人作業系統是一種具有高度智能化的集成系統，它包括了集中式工作面控制系統、設備姿態監測系統、視頻監控系統、通訊網絡平臺等多個核心技術。該智能化集成控制裝置是煤礦安全生產中的關鍵技術，同時也是礦井作業中與作業工人之間的聯系。

該系統主要由十大子系統組成：綜采工作面數據監控及三維顯示子系統、刮板、轉載、破碎、皮帶運輸連鎖控制系統。其中供電設備及數據監控子系統、綜采工作面視頻監控子系統、自身具有遠程測控和姿態檢測的智能化效果。另外，工況檢測子系統、供電設備及數據監控子系統、泵站控制與數據監測子系統、刮板機俯仰傾角及曲線變化檢測傳感器子系統這些系統是通過建立工作面實時工業以太網與無線覆蓋網絡，將各個相關設備聯系在一起，完成對整個工作面的智能化操作管理[4]。

3.無人工作面的采煤機智能控制關鍵技術分析

眾所周知，煤是一種不可再生的能源，因為我國對煤礦的需求量越來越大，煤礦的開發也進入了一個新的階段，隨著煤礦的發展，厚煤層和中厚度煤層的開發也越來越頻繁，在這種情況下薄煤層的開發技術也進入了一個新的階段，成為了國際上最熱門的話題。其中提到了無法開采和難以采礦的煤礦，必須依靠無人采礦的采煤器，而薄煤層就是其中之一，因為在國外很少有人使用，所以需要進一步進行研究。

（1）采煤機自主定位與自動導航系統。煤礦無人開采技術是將地下通信系統與高精度地下定位、定向系統有機地結合起進行的，我國在此領域的發展并不順利，而將GIS技術與無人開采定位技術結合起的無人開采技術在國際上也尚屬首次，相關人員研制了自主定位系統的無人開采采煤機是一項重大的突破，它的研究主要有：采煤機動力學模型、運動目標定位精度計算、航位推算系統誤差補償模型、航位推算系統環境適應性問題、礦井電子地圖定位系統的構建及地圖匹配（MM）技術[5]。為了提高無人開采采煤機的精準度和穩定性，提出一種基于GPS衛星信號的自主定位系統，該方法利用北斗全球衛星導航系統（BDS）獲取地面站坐標信息，通過采集數據對采掘面點的經緯度坐標進行修正，然后再根據采煤機的運行狀態確定其當前所處點位，最后通過自主控制算法達到實時控制采掘面點的目的。

（2）井上、井下的雙向高速通訊技術。煤礦通訊在煤礦開采中起著舉足輕重的作用，如何準確、清晰、完整、快速的將各種數據、現場情況、實際參數等數據發送到煤礦中是當前的重點，相關人員需要將上下數據的雙向傳送，而如何進行雙向的數據傳送是一個需要進一步完善和改善的問題。目前，我國已經有很多礦井都建立了自己的無線通信系統，但是這些系統大多是單向傳輸數據，并且只能實現單方向通信功能，而無法實現雙向通信功能，這就導致礦工與管理人員之間不能及時有效地獲取到最新的信息，同時由于受到地理環境以及外界環境因素影響，一些偏遠地區的通訊信號也比較差。

（3）采礦工藝智能化技術。無人開采技術本身就是一種智能化的技術，而無人機的關鍵在于智能系統應用，無人開采技術的目的是為了實現無人生產，為了確保生產的安全才會讓礦井更加的智能化。從而使整個采掘機械與生產流程協調、匹配、調整、修復乃至再利用，其技術的智能化還有待進一步的探索和實驗[6]。在煤礦開采過程中，對于采煤機進行維修時，需要根據實際情況選擇合適的維修方法，并結合實際需求制定相應的方案。同時要注意到采掘設備的運行狀態以及相關參數是否存在異常情況等，一旦發現有任何問題就要立即采取措施加以解決，以免造成不必要的損失，影響正常作業效率及質量。

（4）工作面組件式軟件與模型。基于采煤機的特點，開發了工作面的組合程序及建模，其功能是進行采煤作業過程中將危險報警、煤礦環境安全評價、自動開采、實時監測、故障診斷等集合在一起，為了確保工作的安全性，則需要努力研發出更多種類和多功能的型號和模塊化的軟件。基于此，首先對采煤機的基本參數、傳感器的類型、測量方法等進行了詳細地介紹，然后通過計算機軟件對采集到的信息進行整理分析，最后將收集到的各種數據進行分類整理后形成一個完整的數據庫系統，這樣可以方便后期的維護管理。該系統還能夠對采集到的數據進行存儲管理，便于以后的數據分析使用。

圖1 無人開采技術工作流程圖

（5）多傳感器技術。在無人作業的過程中，由于工作人員要收集各種數據，所以必須要收集到很多功能各異的采煤設備，同時進行多個功能與多個感應器的聯合應用，以獲得更多的數據，而有些時候數據收集還得靠多個感應器進行集成，這些都是無人機的核心技術，還有待于不斷的改進和調整。多傳感器由雷達傳感器、激光雷達傳感器以及攝像頭等組成，它們之間相互配合實現自動化的操作控制。其中雷達傳感器主要用于檢測煤巖的位置變化。激光雷達傳感器則用監測煤礦周圍環境的情況。攝像頭則負責記錄下現場的實時圖像并傳送給電腦。這種多傳感器技術不僅提高了工作效率，也降低了成本。

圖2 煤堆專用傳感器

（6）無人工作面數據庫技術。在任何一個產業中數據庫都是非常關鍵的，因為許多工作都是建立在大量的細節數據上，比如做計劃、查詢、修改等。同時，通過對煤礦開采過程中的信息進行查詢、分析和應用，對礦井的安全問題可以實現模擬分析和預測，為礦井的安全管理奠定基礎。無人作業系統的數據庫包含了大量的資料，其中包含了大量的地質工程資料以及一些被加工的數據。如何快速地實現三維實體的拓撲描述和表達、組織和動態的維護，是目前數據庫技術亟待解決的問題。

4.案例分析

某煤礦生產技術選擇了綜合采掘，依據礦壓參數選擇工作面設備ZY3300/07/13D電液控井架操作和SGZ630/220工作面刮板運輸機運輸能力450t/h，SPJ-800膠帶運輸機運輸容量350t/h，監控系統采用超低光、寬角度的視頻監視，采煤機采用遙控系統，中央控制室安裝視頻檢測裝置，3套聯動控制系統。

利用內置式工業計算機對采煤機進行狀態信息的實時采集，由采煤機駕駛員在集控中心通過設置采煤機的傳感器完成搖臂式傾斜，從而在不需要人工介入的情況下，由采煤機的工控機對采煤進行自動的存儲和操作。采煤機駕駛員在確定了樣機后，可以讀取采煤機的歷史工作狀況，當系統顯示出的設備運行狀況有問題時，可以在任何時候由采煤機遙控裝置自動終止。該工作臺的油管支架是由井下主電腦、紅外發送機、耦合器、網端子、架間線、電磁式導向閥門等構成。該系統采用了機械跟蹤、導架和人工操縱等多種作業模式。

液壓托架自動跟蹤功能是基于采煤機的定位，通過在采煤機的紅外線發射裝置實現定位，通過紅外接收裝置將探測到的采煤點位置信息發送到主控制中心，再對采煤機的定位進行指令。

由于采高受限等原因必須采取割頂破底法，造成采煤機鎬式截齒量較大，由于CIA區內裝煤效率較低，因此，采取增加卷筒的螺旋式上升角度和增設采煤機上的采煤板，可以有效地解決這一問題。

5.無人工作面的采煤機智能控制技術未來展望

在煤炭行業快速發展的背景下，為了進一步提升我國煤礦開采水平、降低生產成本，提高企業經濟效益，需要將計算機技術應用到煤礦開采中，并對其進行合理運用。現階段，國內很多煤礦企業都采用了先進的信息系統輔助開采作業，以達到高效管理生產流程的目的。同時，在實際操作過程中也取得了一定成效，如對礦井地質構造及水文地質條件進行分析，實現自動控制設備運行。在未來發展中應當加強人工智能技術與自動化系統之間的結合，從而使得整個煤礦開采流程更加科學合理。

6.結束語

綜上所述，對于礦井的開發涉及到的問題很多，比如礦井的智能化管理，這是一個非常復雜的過程，要做到這一點，必須要做很多的工作，需要結合實際情況做好適度調整，并加強智能化的應用，為了讓無人機的智能化開采系統變得更好，還需要進一步的研究。