吳海雁，惠萬里，高曉光

(1.西安煤礦機(jī)械有限公司，陜西 西安 710032;2.西安科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

0 前言

我國薄煤層和極薄煤層約占煤炭儲(chǔ)量的20%，可采儲(chǔ)量豐富，貯存條件比較穩(wěn)定，而且煤質(zhì)較好。多年來，薄煤層，尤其是極薄煤層的開采技術(shù)與裝備處于較低水平，導(dǎo)致其產(chǎn)量僅為總產(chǎn)量的10%左右。隨著一些煤礦中厚煤層資源已近枯竭，且主采煤層機(jī)械化開采條件日益惡化，薄煤層逐漸變?yōu)橹鞑擅簩?。近年來?duì)薄煤層和極薄煤層的開采力度在逐漸加大?！秶夷茉纯萍肌笆濉币?guī)劃 (2011-2015)》指出“隨著大量資源被開發(fā)，開采的難度越來越大，復(fù)雜地質(zhì)條件下的煤炭、油氣開采，以及低品位油氣資源的高效開發(fā)是今后的主要攻關(guān)方向”［1］。因此，研究薄煤層的電牽引采煤設(shè)備十分迫切。

目前中小型煤礦企業(yè)薄煤層和極薄煤層開采的機(jī)械化程度還比較低，特別是采高在0.75～1.3 m左右的煤層大多還是采用手工炮采或極薄煤層液壓采煤機(jī)，人員多、產(chǎn)量低、事故多、作業(yè)環(huán)境惡劣、設(shè)備維修操作不便。國內(nèi)某些礦井雖使用了綜采裝備對(duì)薄煤層進(jìn)行開采，但是三機(jī)裝備 (采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī))配套性能不佳，生產(chǎn)效率較低，工作面生產(chǎn)能力很低。因此，研制高電壓、重型大功率、高可靠性智能化采煤機(jī)［2］，對(duì)于提高我國煤炭生產(chǎn)效率，提高煤礦生產(chǎn)安全，提升我國煤炭采掘設(shè)備裝備水平有著重要的意義。

1 智能化綜采工作面發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

為了實(shí)現(xiàn)煤炭生產(chǎn)的高效和安全，美國、英國、德國、澳大利亞等發(fā)達(dá)國家在綜采系統(tǒng)自動(dòng)化、智能化等方面進(jìn)行了卓有成效的探索和研究［3］，綜采設(shè)備的可靠性、安全性不斷提升，不僅大大提高了煤炭產(chǎn)量，更重要的是解放了生產(chǎn)力，保證了一線工人的生命安全。

近年來，實(shí)現(xiàn)少人甚至無人的自動(dòng)化采煤是國際采礦界的熱點(diǎn)。美國和澳大利亞的煤炭企業(yè)在綜采工作面采用計(jì)算機(jī)技術(shù)、大功率電牽引采煤機(jī)、電液控制的液壓支架和具有軟啟動(dòng)功能的刮板輸送機(jī)，實(shí)現(xiàn)了綜采工作面自動(dòng)化及井下環(huán)境信息實(shí)時(shí)監(jiān)測。在以刨煤機(jī)為核心的綜采工作面中，德國DBT公司研制的自動(dòng)化刨煤機(jī)系統(tǒng)先后在俄羅斯、波蘭、墨西哥等國推廣應(yīng)用。

我國煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜，智能化采煤技術(shù)發(fā)展相對(duì)落后。一些高校和科研單位相繼成功引進(jìn)、消化、研發(fā)了采煤機(jī)數(shù)字控制與記憶截割系統(tǒng)、液壓支架數(shù)字控制系統(tǒng)、刮板輸送機(jī)和皮帶輸送機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)、采礦機(jī)器人等先進(jìn)的煤礦機(jī)電設(shè)備，對(duì)推進(jìn)綜采工作面自動(dòng)化奠定了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。西安煤礦機(jī)械公司與中國礦業(yè)大學(xué)等單位，共同承擔(dān)了“煤礦井下采掘裝備遙控關(guān)鍵技術(shù)”863重點(diǎn)項(xiàng)目，取得了重要進(jìn)展，為實(shí)現(xiàn)綜采工作面自動(dòng)化進(jìn)行了有益的探索［4］。西安科技大學(xué)與西安煤礦機(jī)械公司在綜采工作面記憶截割、自動(dòng)調(diào)高等方面進(jìn)行了深入研究。西安科技大學(xué)在自動(dòng)化綜采工作面研究的基礎(chǔ)上，首次提出了智能工作面的概念，為實(shí)現(xiàn)少人甚至無人煤炭開采奠定了理論基礎(chǔ)。2007年3月，中國首個(gè)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的自動(dòng)化、信息化采煤工作面在山東東灘煤礦正式投產(chǎn)。2008年6月，神東煤炭公司榆家梁礦以進(jìn)口設(shè)備為主，應(yīng)用了采煤機(jī)記憶截割、支架跟機(jī)聯(lián)動(dòng)、視頻監(jiān)控、遠(yuǎn)程干預(yù)的綜合自動(dòng)化成套技術(shù)，建成了綜采工作面自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了無人跟機(jī)、遠(yuǎn)程操作等功能。2009年2月，平煤股份六礦借助于國產(chǎn)設(shè)備，構(gòu)建了綜采工作面自動(dòng)化系統(tǒng)，具有可根據(jù)采煤機(jī)位置及方向自動(dòng)控制支架、遠(yuǎn)程記憶監(jiān)控、采煤工作面“三機(jī)”聯(lián)動(dòng)等功能。這些成績的取得，為推進(jìn)我國綜采工作面的智能化奠定了良好的基礎(chǔ)。

薄煤層交流電牽引采煤機(jī)由于受機(jī)面高度、工作面條件等各種因素的影響，在功率、破巖能力以及可靠性方面急需改善［5］。西安煤礦機(jī)械有限公司研制大功率薄煤層智能工作面電牽引采煤機(jī)，提高薄煤層工作面采煤機(jī)自動(dòng)化、智能化水平，發(fā)展在線監(jiān)測與故障診斷技術(shù)，實(shí)現(xiàn)薄煤層采煤機(jī)工況檢測和預(yù)測維護(hù)，以適應(yīng)薄煤層甚至極薄煤層復(fù)雜地質(zhì)條件下的生產(chǎn)。

2 大功率薄煤層電牽引采煤機(jī)總體方案

西安煤礦機(jī)械有限公司在現(xiàn)有煤礦綜采工作面機(jī)電設(shè)備的基礎(chǔ)上，借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感檢測與監(jiān)測技術(shù)、智能檢測與控制技術(shù)、信號(hào)分析與處理技術(shù)、通信技術(shù)、機(jī)電一體化技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)等，構(gòu)建智能綜采工作面，實(shí)現(xiàn)工作面少人化或無人化、設(shè)備運(yùn)行智能化。

根據(jù)智能綜采工作面的系統(tǒng)模型，分析要實(shí)現(xiàn)智能綜采工作面各個(gè)子系統(tǒng)所需要的技術(shù)支撐，包括采煤機(jī)自主定位與自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)、采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高技術(shù)、煤巖自動(dòng)識(shí)別技術(shù)、液壓支架電液控制技術(shù)、刮板輸送機(jī)自動(dòng)推移技術(shù)、三機(jī)工況檢測和故障診斷技術(shù)、井下高速雙向通訊技術(shù)、組件式礦山軟件與模型技術(shù)，數(shù)據(jù)庫技術(shù)以及井下多傳感器技術(shù)，其技術(shù)框架如圖1所示。

圖1 薄煤層智能工作面電牽引采煤機(jī)技術(shù)框架Fig.1 Framework of electric haulage shearer for thin seam intelligent coal face

適合薄煤層開采的采煤機(jī)面臨的諸多難題，如薄煤層交流變頻電牽引采煤機(jī)總體方案、薄煤層電控箱設(shè)計(jì)與制造、大功率小尺寸截割部設(shè)計(jì)與制造、滾筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造等，其中降低機(jī)面高度，保證臥底量和過煤高度，減小機(jī)身尺寸，保證靈活性和整機(jī)穩(wěn)定性，合理設(shè)計(jì)截割部和行走部，滿足大功率和小尺寸要求是方案設(shè)計(jì)的核心。

西安煤礦機(jī)械有限公司在長期采煤機(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和大量現(xiàn)場調(diào)研的基礎(chǔ)上，承擔(dān)了2010年中煤集團(tuán)重點(diǎn)項(xiàng)目“薄煤層少人或無人工作面MG2×200/925-AWD系列交流電牽引采煤機(jī)”的研制，該采煤機(jī)具有智能化、信息化、自動(dòng)化能力，適應(yīng)復(fù)雜地質(zhì)條件下工作，可實(shí)現(xiàn)工作面少人或無人。系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)如下:

裝機(jī)功率 2×2×200 kW+2×55 kW+2×7.5 kW

最大生產(chǎn)能力 1 200 t/h

牽引力 525～315 kN

供電電壓 3 300 V

牽引速度 0～11.3～19 m/min

煤質(zhì)硬度 f≤4

主機(jī)重量 ～35 t

割巖硬度 f≤7

最大不可拆卸重量 ≤5 t

工作面傾角 ≤40°

配套運(yùn)輸機(jī) SGZ800(薄煤層用)

走向傾角 ±10°

機(jī)面高度 930 mm

過煤高度 330 mm。

2.1 采煤機(jī)控制系統(tǒng)

采用高可靠性、高性能的工業(yè)PCC做為控制核心，搭配先進(jìn)的分布式I/O。PCC綜合了PLC和工業(yè)PC兩者的技術(shù)優(yōu)勢，如PLC的高可靠性和定時(shí)時(shí)鐘，PC的多任務(wù)運(yùn)行、高速運(yùn)算力、良好的擴(kuò)展性和開放通信等。PCC控制器能夠?qū)崿F(xiàn)采煤機(jī)自動(dòng)化所需的強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力及豐富的通訊能力，分布式I/O的選用減少了采煤機(jī)電控箱內(nèi)的布線，系統(tǒng)具有良好的抗干擾能力，大大提高了采煤機(jī)電氣系統(tǒng)的可靠性。

2.2 采煤機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中大量應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，采煤機(jī)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析及三維動(dòng)態(tài)模擬，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化;開展基于虛擬現(xiàn)實(shí)的采煤機(jī)截煤理論與方法研究等，另外對(duì)薄煤層或極薄煤層采煤機(jī)機(jī)載或非機(jī)載、模塊化機(jī)構(gòu)進(jìn)行論證分析。

3 大功率薄煤層電牽引采煤機(jī)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 采煤機(jī)與外圍設(shè)備雙向高速通訊技術(shù)

無人或少人智能工作面首先要求工作面各設(shè)備之間，工作面各設(shè)備與井下井上監(jiān)控設(shè)備之間能夠高速可靠的通訊。

CAN總線技術(shù)在汽車行業(yè)已經(jīng)應(yīng)用多年，具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、傳輸距離較遠(yuǎn)、抗電磁干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)［6］。采煤機(jī)內(nèi)部裝有的大功率的變頻器相當(dāng)于大功率電磁干擾源，再加上工作面條件復(fù)雜，以往工作面大多采用的Modbus通訊無法滿足采煤機(jī)的高速可靠與外圍設(shè)備之間的信息交換。因此，MG2×200/925-AWD采煤機(jī)上采用CAN總線技術(shù)來實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)與外圍的信息交換。

3.2 采煤機(jī)記憶截割及采高數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程修正

國外采煤機(jī)制造廠家 (如美國JOY公司和德國Eickhoff公司)也一直把記憶截割作為他們最大的賣點(diǎn)，而國內(nèi)還沒有成型產(chǎn)品［7］。

記憶截割是指由司機(jī)操縱采煤機(jī)沿工作面煤層高低起伏條件先割一刀，控制系統(tǒng)將行程位置等信息存入控制器，以后的截割高度均由控制器根據(jù)存儲(chǔ)器記憶的工作參數(shù)自動(dòng)控制滾筒調(diào)高。若有煤層條件發(fā)生變化，則由司機(jī)手動(dòng)操作割煤(作為位置高度的微調(diào))，也可以遠(yuǎn)程進(jìn)行對(duì)位置的修正，并自動(dòng)記憶調(diào)整過的工作參數(shù)，作為下一刀滾筒調(diào)高的工作程序。

MG2×200/925-AWD型采煤機(jī)在設(shè)計(jì)之初就把實(shí)現(xiàn)少人或無人工作面做為目標(biāo)。為了實(shí)現(xiàn)記憶截割硬件方面做了以下工作:

(1)搖臂高度檢測。在采煤機(jī)左右搖臂上加裝了傾角傳感器用于測量采煤機(jī)的搖臂傾角，在搖臂油缸里加裝位移傳感器用來準(zhǔn)確測量油缸位移，這兩個(gè)傳感器都是用來計(jì)算搖臂的采高的，以便準(zhǔn)確記錄和控制采高。

(2)工作面端頭檢測。在采煤機(jī)左右行走箱加裝復(fù)位傳感器，在采煤機(jī)行走到機(jī)頭機(jī)尾時(shí)給煤機(jī)一個(gè)復(fù)位信號(hào)，防止采煤機(jī)掉道。

(3)采煤機(jī)位置檢測。加裝采煤機(jī)定位裝置，準(zhǔn)確定位采煤機(jī)在工作面的位置。

MG2×200/925-AWD采煤機(jī)上的采高遠(yuǎn)程修正系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法:采煤機(jī)核心控制器PCC通過CAN總線與放置在順槽控制臺(tái)的采煤機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)雙向高速通訊，在順槽控制臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)采高遠(yuǎn)程修正。

3.3 采煤機(jī)自主定位系統(tǒng)

采煤機(jī)實(shí)現(xiàn)少人或無人工作面的技術(shù)基礎(chǔ)是高速地下通訊系統(tǒng)和高精度地下定位、定向系統(tǒng)，中國目前這方面的研究尚處于空白，中國研制成功的首臺(tái)采礦機(jī)器人 (MR)也未很好地解決地下定位問題，而與GIS技術(shù)相結(jié)合的無人采礦定位技術(shù)更是在國內(nèi)外處于空白階段，研究具有自主定位系統(tǒng)的采煤機(jī)是實(shí)現(xiàn)無人工作面的突破。

MG2×200/925－AWD型采煤機(jī)首次采用雙重自主定位。正常工作時(shí)利用安裝在采煤機(jī)行走輪上的定位傳感器通過計(jì)算行走距離來精確定位采煤機(jī)的位置，采煤機(jī)在行走到機(jī)頭機(jī)尾時(shí)通過復(fù)位開關(guān)同步確定機(jī)頭機(jī)尾;另外通過支架的紅外發(fā)射裝置來粗略定位采煤機(jī)的位置，這個(gè)位置信號(hào)只是用來輔助采煤機(jī)實(shí)現(xiàn)定位。

3.4 工作面組件式軟件與模型

災(zāi)害智能預(yù)測預(yù)報(bào)系統(tǒng)、“采煤-環(huán)境”安全專家分析系統(tǒng)、無人采礦的模擬與決策系統(tǒng)的仿真、三機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)以及工況檢測與診斷技術(shù)，均以各類應(yīng)用軟件與相關(guān)模型為工具，必須針對(duì)采煤工藝，研究建立相應(yīng)的模型，開發(fā)多功能組件式軟件，實(shí)現(xiàn)薄煤層采煤機(jī)智能控制。

3.5 多傳感器融合技術(shù)

無人智能化采煤工作面采集各種信息需要大量的傳感器，多傳感器的配合使用、準(zhǔn)確信息采集以及多傳感器融合處理技術(shù)等都需要進(jìn)一步的研究。

3.6 無人工作面數(shù)據(jù)庫技術(shù)

根據(jù)數(shù)據(jù)庫的相關(guān)理論，結(jié)合煤礦無人工作面的生產(chǎn)情況，建立起相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的增加、刪減、修改、查詢、報(bào)表打印等功能，同時(shí)為可視化技術(shù)提供三維數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)工作面信息的拓?fù)淇臻g查詢、分析與應(yīng)用及許多采礦安全問題的模擬、分析與預(yù)測。

4 薄煤層采煤機(jī)的應(yīng)用前景

通過智能工作面薄煤層交流電牽引采煤機(jī)的研制和應(yīng)用，為我國煤炭生產(chǎn)企業(yè)提供一種適應(yīng)范圍廣、功率大、機(jī)身矮的多電機(jī)橫向布置機(jī)載交流變頻電牽引采煤機(jī)，從而提高我國采煤機(jī)械化水平，實(shí)現(xiàn)集成化控制，人機(jī)界面、數(shù)據(jù)采集、全過程運(yùn)行參數(shù)顯示，故障診斷，遠(yuǎn)程監(jiān)控，基于記憶截割的自適應(yīng)調(diào)高等功能，為我國今后實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化控制回采工藝提供技術(shù)支持和發(fā)展方向，技術(shù)達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。

MG2×200/925-AWD無人化工作面薄煤層交流電牽引采煤機(jī)通過在陜煤集團(tuán)韓城象山煤礦的井下工業(yè)性試驗(yàn)，進(jìn)一步提高采煤機(jī)機(jī)械設(shè)計(jì)方面的技術(shù)，完善采煤機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，逐步取代進(jìn)口同類產(chǎn)品。這種大功率、矮機(jī)身、機(jī)載較薄煤層交流電牽引采煤機(jī)補(bǔ)充了我國采煤機(jī)制造行業(yè)缺少的新品種，適應(yīng)了市場發(fā)展的需求，將有良好的推廣應(yīng)用前景。

［1］國家發(fā)展與改革委員會(huì).煤炭工業(yè)發(fā)展“十二五”規(guī)劃［OL］.http://www.sdpc.gov.cn/zcfb/zcfbtz/2012tz/t20120322_468769.htm

［2］國家自然科學(xué)基金委.機(jī)械工程學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略研究報(bào)告 (2011～2020)［M］.北京:科學(xué)出版社，2011.6.

［3］張世洪，我國綜采采煤機(jī)技術(shù)的創(chuàng)新研究 ［J］.煤礦學(xué)報(bào)，2010，35(11):1898－1902.

［4］吳海雁.大功率、大采高電牽引采煤機(jī)的研制與應(yīng)用 ［J］.重型機(jī)械，2010(6):9－13.

［5］李建平，杜長龍.我國薄與極薄煤層開采設(shè)備的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2005(6).

［6］侯勇濤，邱錦波，秦亮.CAN總線在采煤機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用 ［J］.煤礦機(jī)電，2006(6).

［7］姚美琴.采煤機(jī)滾筒高度記憶控制系統(tǒng)研究［J］.山西煤炭，2006(7).