礦井綜采工作面三機智能化控制研究

李夢祺，武佐文

(山西汾西礦業集團 正文煤業，山西 孝義 032300)

隨著工業化、信息化技術不斷發展，煤礦井下先進的通信技術、控制技術等不斷應用，在一定程度提升了礦井綜合智能化控制水平[1-2]。礦井生產過程中，綜采工作面是主要的煤炭開采、運輸場所，實現采面內采煤機、刮板輸送機以及液壓支架合理銜接、配套，是實現煤炭資源高效回采的重要保障[3]。為此，眾多的學者及工程技術人員對綜采工作面三機配套問題展開研究，其中宋燾等[4]基于智能感知技術構建三機智能控制系統，并對控制系統執行層、感知層、巷道集控和地面監控等進行詳細闡述，該智能控制系統綜合慣性導航、雷達、里程計以及先進傳感器等實現智能協同控制，現場實踐也取得較好效果；楊文明等[5]基于編程思維構建“三機”設備選型與智能控制系統，便于選出適合采面現場情況的成套設備，為采面三機配套選型提供一定指導。文章結合以往研究成果，根據山西某礦3302綜采工作面現場情況，對三機智能化控制展開研究，以期在一定程度上提升煤炭生產效率。

1 工程概況

3302綜采工作面回采的3號煤層厚度3.9 m，傾角5～10°，煤層賦存穩定，埋深390 m.3號煤層直接頂為淺灰色砂質泥巖、砂巖互層，厚度12.3～15.8 m；基本頂為石灰巖，厚度7.5～12.1 m；直接底為灰黑色炭質泥巖、泥巖，厚度3.2～7.3 m；基本底為粉砂巖，厚度3.5～6.2 m.3302綜采工作面位于一單斜構造背面，采面設計走向推進2 105 m、切眼斜長298 m，主要綜采設備包括：SL900采煤機、型號ZYT12000/28/63D端頭支架、型號ZY12000/28/63D中間支架以及型號ZYGD12000/28/63D過渡支架，采面內鋪設的刮板輸送機型號為SGZ1250/300、破碎機為SZZ1550/525，回采巷道采用ZYDC5150/27/47超前支架支護。

2 三機智能化控制

3302綜采工作面采煤機采用自動割煤工藝，并依據現場情況確定割煤工序、行走軌跡，采煤機、液壓支架及刮板輸送機根據割煤工藝智能協同控制，實現無人干預智能回采[7-8]。具體采面三機智能化協同控制示意如圖1所示。

圖1 采面三機智能化協同控制示意

采面內構建無線基站實現數據高效傳輸，通過光纖慣導模塊實現采煤機定位及控制。液壓支架電控系統結構包括驅動器、耦合器、控制器以及紅外接收器等；姿態監控及視頻系統實現關鍵設備監控、采面視頻監控；集控中心實現采面設備控制以及信號傳輸。

2.1 采煤機智能化控制

將慣導系統應用到采煤機智能化控制中，系統監測數據經工業以太網傳輸到集控中心，經中央處理器處理、轉換成綜采設備可識別的控制指令，實現一鍵啟停、推移支架以及精準推溜等功能，提升采面設備精細化管理水平。通過慣導系統、傳感器(傾角、振動傳感器)及電控參數確定采煤機姿態，實現記憶截割，并通過瓦斯濃度、采煤機及運輸系統負載等調整采煤機牽引、截割速度，具體控制流程如圖2所示。采煤機割煤時以記憶截割為主、人工干預為輔，采煤機割煤遇特殊情況時需人工干預，采用的割煤方式可明顯降低采煤司機工作強度。

圖2 采煤機智能控制示意

2.2 液壓支架智能化控制

在采面液壓支架上增設多種感應探頭，通過探頭可實現頂板壓力、刮板輸送機推移力以及護幫推力等監測。在液壓支架上配備雙速控制閥，完成自動移架后，通過雙速控制閥控制推移千斤頂運動，確保移架千斤頂與刮板輸送機溜槽充分接觸，避免多次移架后出現推移誤差過大引起的刮板輸送機彎曲問題。通過紅外發射及接收裝置實現采煤機定位，定位數據傳輸至集控中心進行分析后，支架控制模塊接收反饋信息，實現液壓支架自動跟機、護幫、推溜、移架以及噴霧等操作。

智能控制系統依據采面地質條件變化、采面生產情況自動補壓升架，實現液壓支架升降、調整自動控制，期間以自動控制為主、人工干預為輔，從而提升支架智能化控制水平，減少支架工數量以及勞動強度。

2.3 刮板輸送機智能化控制

刮板輸送機直線度檢測及智能化控制綜合使用慣導與里程計融合技術、多信息融合技術。慣導與里程計融合技術主要實現刮板輸送機直線度檢測，而多信息融合技術實現液壓支架跟機運行及自動調直。

1) 慣導與里程計融合技術。具體慣導與里程計融合技術架構如圖3所示，主要包括慣導測量組件、集控中心、任務計算機以及里程計等。慣性導航系統、里程計均置于采煤機上，實現采煤機運行姿態(包括航向角、橫滾角以及仰俯角等)實時監測，并通過里程計實現采煤機位置精準定位，通過獲取到的采煤機運行軌跡掌握刮板輸送機直線度，為后續調直提供支持；同時采用的慣導系統由于能反映采煤機姿態，也可為采煤機采高調節、液壓支架跟機運行等提供支撐。

圖3 慣導與里程計融合技術架構

2) 多信息融合技術。跟機運行及調直控制是實現智能化生產的關鍵之一，基于多信息融合的自動跟機與調直控制原理如圖4所示。將慣導系統、里程計、液壓支架傳感器參數以及雷達傳感器參數等傳輸至巷道集控中心進行融合分析；依據刮板輸送機直線度檢測結果、液壓支架行程參數等得到采煤機割煤后液壓支架推移量偏差，具體偏差量計算原理如圖5所示。

圖4 自動跟機與調直控制原理

圖5 偏差量計算原理

巷道集控中心依據采煤機截割深度、液壓支架推移量偏差參數等，向液壓支架控制器發送推移量控制指令，從而實現調直控制。

2.4 三機智能化控制

將采煤機、刮板輸送機以及液壓支架智能控制系統整合，實現三機智能化控制。同時控制數據均可通過手機移動端APP、Web端等查看，便于工作人員快速掌握井下設備運行情況。

三機智能化可實現煤流負載均衡控制，采面負載均衡控制是采煤機、刮板輸送機以及帶式輸送機等聯動控制，系統具備煤流負荷平衡功能，通過分析開采設備、運輸設備間均衡關系構建負荷平衡控制模型，并依托該模型實現刮板輸送機、采煤機間負載平衡，實現煤炭高效回采。具體采面負載均衡控制如圖6所示。

圖6 煤流負載均衡控制示意

主控制中心根據自身數據以及負載數據進行綜合分析，實現下述功能：

1) 實現刮板輸送機智能化控制、均衡生產，依據監測獲取得到的采煤機牽引電機、截割電機溫度、電流以及刮板輸送機電機溫度、電流等參數，結合泵站參數分析煤流負載，并依據負載變化調整采煤機牽引速度或者刮板輸送機鏈速等；

2) 刮板輸送機斷鏈、斷電等故障時實現自動停止割煤；

3) 實現采煤機、破碎機以及刮板輸送機等設備聯動控制。

3 現場應用效果分析

1) 在3302綜采工作面采用三機智能化控制系統，該系統現場應用平穩，在協調性、有序性以及整體性等方面表現出顯著優勢。3302綜采工作面當班工作生產人員有26人、整體配套(包括運輸、檢修等)人員130人。采用三機智能化控制系統后，當班生產人員減少至12人、整體配套(包括運輸、檢修等)人員減少至55人，減人增效成果顯著。

2) 3302綜采工作面三機實現智能化控制，采煤機推進速度由3.6 m/d提升至4.8 m/d，回采效率提升約33%.同時通過各監控平臺可實現三機運行參數實時監測，設備故障發生率明顯降低、減少了故障停采時間，單班設備開機時間在7.5 h以上、開機率超過93%.

4 結 語

1) 構建智能化礦井是實現煤炭高效開采、減少井下工作人員數量的主要途徑之一，而綜采工作面是礦井主要生產場所，實現綜采工作面三機智能化控制是智能化礦井建設的主要內容。由于傳統的綜采工作面各設備受控制方式、通信方式等因素制約，無法實現集中智能化控制，為此文中構建的三機智能化控制系統采用無線基站、光纖通信等方式實現信息交互，通過采用先進的慣性導航系統、傳感器檢測技術等實現三機設備智能化控制。

2) 對三機智能化控制系統關鍵技術進行分析探討，并對現場應用效果進行分析。三機智能化控制系統在3302綜采工作面應用實踐表明，該智能化控制系統可在一定程度提升煤炭開采效率、減少井下工作人員數量，在減少增效以及提升礦井生產效益方面表現出明顯優勢。