文/車明浪

煤炭產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對(duì)我國工業(yè)發(fā)展具有重要的推動(dòng)作用，近年來，無人工作面開采逐漸受到煤炭行業(yè)的重視。自動(dòng)化技術(shù)在煤礦開采工作中得到廣泛應(yīng)用。合理利用多種智能化技術(shù)開展煤礦開采操作有利于提升煤礦企業(yè)管理實(shí)效性。在無人工作面應(yīng)用采煤機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)，已成為國內(nèi)外采礦行業(yè)研究的重要課題。

1 無人開采技術(shù)研究

1.1 無人工作面自動(dòng)采煤技術(shù)簡(jiǎn)介

無人采礦利用目前最先進(jìn)的技術(shù)，包括地下通訊，工藝設(shè)計(jì)，采礦系統(tǒng)，采礦工藝包括自動(dòng)鑿巖，自動(dòng)裝巖，自動(dòng)卸巖等，技術(shù)基礎(chǔ)是高速地下通訊系統(tǒng)與高精度地下定位，無人工作面采煤技術(shù)是工作在回采工作面以外的地點(diǎn)操控機(jī)電設(shè)備，完成工作面的破煤、裝煤、運(yùn)煤等各項(xiàng)工序。

無人采礦開采范圍廣，包括薄煤層可實(shí)現(xiàn)刨煤機(jī)無人自動(dòng)化采煤,利用無人工作面開采高瓦斯煤層實(shí)現(xiàn)瓦斯的預(yù)先釋放，保證生產(chǎn)安全。利用現(xiàn)代科技豐富改進(jìn)傳統(tǒng)開采水平，無人工作面在先進(jìn)完善的頂板監(jiān)控監(jiān)測(cè)系統(tǒng)下進(jìn)行。實(shí)現(xiàn)資源的合理化配置，生產(chǎn)過程采用先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)，生產(chǎn)能力大，效率高。

1.2 無人工作面采煤機(jī)智能控制關(guān)鍵技術(shù)

實(shí)現(xiàn)無人工作面子系統(tǒng)所需的技術(shù)支撐，包括采煤機(jī)自主定位技術(shù)，刮板輸送機(jī)自動(dòng)推移技術(shù)，井下高速雙向通訊技術(shù)，數(shù)據(jù)庫技術(shù)等。

采煤機(jī)工作環(huán)境條件較差，采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)分為機(jī)載與遠(yuǎn)程控制，順槽監(jiān)控系統(tǒng)連接不同系統(tǒng)，安裝于綜采工作面的運(yùn)輸通道中，將處理后的數(shù)據(jù)傳輸至地面操作臺(tái)。視頻監(jiān)控平臺(tái)基本職能是將井下傳輸?shù)漠嬅骘@示于順槽監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)。

采煤機(jī)開展智能控制基于滾筒高度智能調(diào)節(jié)牽引速度智能調(diào)節(jié)，確保滾筒可以工作面為基礎(chǔ)開展具體運(yùn)行操作。預(yù)測(cè)煤層分布點(diǎn)，用于后期滾筒高度調(diào)節(jié)操作的參考依據(jù)。如高度變化值50mm，采煤機(jī)對(duì)截割高度自動(dòng)調(diào)節(jié)。

智能自適應(yīng)開采技術(shù)模式，根據(jù)控制系統(tǒng)指令，由智能感知，支配設(shè)備任務(wù)動(dòng)作。工作面支護(hù)及各環(huán)節(jié)采煤操作等無工作人員參與。實(shí)施具體的采煤過程感知及控制操作，智能自適應(yīng)開采技術(shù)模式僅適用了個(gè)別技術(shù)。

自動(dòng)調(diào)度控制目前在研究期間，主要是基于煤炭生產(chǎn)實(shí)際需求，經(jīng)發(fā)揮智能控制系統(tǒng)時(shí)效性的防滲，經(jīng)對(duì)其開展自動(dòng)控制方式完成相應(yīng)生產(chǎn)任務(wù)。開展采煤機(jī)推進(jìn)操作中，需將需求量作為基本參數(shù)，通過開展綜合計(jì)算方式獲得最終結(jié)果。

自適應(yīng)調(diào)高技術(shù)在智能自適應(yīng)開采技術(shù)模式中應(yīng)用廣泛，可以發(fā)揮較高的實(shí)效性。在各環(huán)節(jié)采煤工作中發(fā)揮了重要作用，包括為煤巖界面自動(dòng)識(shí)別感知技術(shù)及智能化控制技術(shù)，煤巖界面自動(dòng)識(shí)別感知技術(shù)是確保無人自動(dòng)化開采有效性的重要技術(shù)，在割煤操作實(shí)施時(shí)科學(xué)調(diào)控滾筒高度，有助于提升采煤實(shí)效性。但利用此技術(shù)不確定性較高。智能化控制技術(shù)是基于煤層界面識(shí)別曲線實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)滾筒高度，可為滾筒調(diào)節(jié)留出更多的時(shí)間。

1.3 國內(nèi)外煤礦無人開采技術(shù)研究現(xiàn)狀

80年代以來，美國煤炭企業(yè)在工作面采用計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)工作面三機(jī)自動(dòng)化，90年代后，加拿大，瑞典制定礦山自動(dòng)化方案，1992年，芬蘭采礦工業(yè)采用智能采礦技術(shù)。

國內(nèi)科研單位相繼開展了采礦機(jī)器人，礦山GPS定位等方面的技術(shù)研究開發(fā)，取得了一定的成效。2004年，山東新汶礦業(yè)公司引進(jìn)螺旋鉆機(jī)采煤新工藝，可完成在作業(yè)面以外的地點(diǎn)破煤，運(yùn)煤等工序。2005年，大同煤礦集團(tuán)引進(jìn)德國自動(dòng)化刨煤機(jī)，實(shí)現(xiàn)薄煤層刨煤機(jī)綜采無人工作面。2007年，山東兗礦集團(tuán)投產(chǎn)自動(dòng)化采煤工作面，標(biāo)志著中國煤炭行業(yè)高產(chǎn)礦井建設(shè)進(jìn)入新階段。

2 無人工作面系統(tǒng)模型

2.1 三機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)

工作面三機(jī)主要包括采煤機(jī)，刮板輸送機(jī)與液壓支架，無人工作面的關(guān)鍵技術(shù)研究是適合中國煤層條件的采煤機(jī)控制系統(tǒng)。采煤機(jī)控制系統(tǒng)包括自主定位與自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)。

液壓支架電液控制系統(tǒng)集機(jī)械，電子，通信網(wǎng)等技術(shù)于一身，是目前最先進(jìn)的支架控制方式，可實(shí)現(xiàn)拉架，移架，架間噴霧等隨機(jī)聯(lián)動(dòng)自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)支架本架控制，隔架控制，工作面礦壓監(jiān)測(cè)遠(yuǎn)程控制等。

2.2 三機(jī)工況檢測(cè)系統(tǒng)

三機(jī)工況自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)為在工作面安全運(yùn)行提供可靠保障。大柳塔礦引進(jìn)的DTB等公司的新型電牽引采煤機(jī)具智能監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)，安裝有電壓，方向，溫濕度、機(jī)身傾斜等傳感器，可檢測(cè)19個(gè)采煤機(jī)的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)近控制、數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)及傳輸，故障診斷及預(yù)警等多種功能。

2.3 災(zāi)害預(yù)測(cè)系統(tǒng)

工作面災(zāi)害自動(dòng)預(yù)報(bào)系統(tǒng)對(duì)井下每層厚度，頂?shù)装鍘r組合，構(gòu)造斷層，煤層中的地質(zhì)異常體巖漿侵入體，地溫，瓦斯爆炸，地?zé)岷罢T發(fā)突水等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，利用預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)軟件系統(tǒng)，為保證工作面的生產(chǎn)效率提供地質(zhì)數(shù)據(jù)分析，避免因地址條件復(fù)雜性造成井下工作面事故，保護(hù)井下傳感器與精密設(shè)備安全。

2.4 采煤-環(huán)境安全專家系統(tǒng)

采煤-環(huán)境專家可靠系統(tǒng)模型保證無人工作面的高產(chǎn)與可靠性，能判斷機(jī)電設(shè)備與周圍環(huán)境的狀態(tài)，保證設(shè)備自動(dòng)工作在最優(yōu)狀態(tài)。井下穩(wěn)定，頂板松軟，斷層，煤層厚度等是靜態(tài)地質(zhì)因素，頂板初次來壓計(jì)工作面前方應(yīng)力分布具有一定的規(guī)律，無人工作面最大的特征是自動(dòng)化程度高。三機(jī)配套有自動(dòng)化程度配套。采煤工藝系統(tǒng)為串聯(lián)每個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)生故障將造成采煤機(jī)停止采煤。

2.5 采煤工藝智能化系統(tǒng)

綜采生產(chǎn)高效工作面自動(dòng)化程度不斷提高，自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)主要設(shè)備為三機(jī)，三種設(shè)備相互獨(dú)立，基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化高效安全生產(chǎn)。隨著智能控制采煤機(jī)與多功能未處理機(jī)的發(fā)展，增加了采煤機(jī)動(dòng)態(tài)控制能力。改變煤機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，無人工作面采煤工藝智能化成為可能。

2.6 采煤模擬系統(tǒng)

無人工作面采礦模擬系統(tǒng)創(chuàng)造三維采礦現(xiàn)實(shí)環(huán)境，操作人員可與系統(tǒng)進(jìn)行人機(jī)交互，隨時(shí)穿越任何空間進(jìn)入系統(tǒng)，系統(tǒng)能輸入處理各種信息，模擬自然規(guī)律，主要特點(diǎn)是創(chuàng)造與現(xiàn)實(shí)開采情況接近的三維環(huán)境，獲得生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行狀況平面圖。不同設(shè)備動(dòng)態(tài)顯示圖，包括設(shè)備間距離等動(dòng)態(tài)信息，通過對(duì)不同開采參數(shù)下生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬。

2.7 決策仿真系統(tǒng)

無人工作面決策仿真系統(tǒng)是智能型的多層次結(jié)構(gòu)，將地質(zhì)信息，各種控制與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合。根據(jù)操作人員參與活動(dòng)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)的反應(yīng)操作，使計(jì)算機(jī)模擬與決策系統(tǒng)能隨時(shí)根據(jù)工作面生產(chǎn)狀況信息改變做出迅速反應(yīng)。

3 無人工作面技術(shù)應(yīng)用

以大力礦業(yè)公司為例介紹數(shù)字化無人開采技術(shù)的應(yīng)用，采煤工藝選用綜采，全部挎落管理頂板，根據(jù)礦壓參數(shù)選取工作面設(shè)備，ZY3300/07/13D電液控鄰架操縱，SGZ630/220工作面刮板運(yùn)輸機(jī)運(yùn)輸能力450t/h,.SPJ-800膠帶輸送機(jī)運(yùn)輸能力350t/h，監(jiān)控系統(tǒng)采用超低照度，廣角視頻監(jiān)控系統(tǒng)，采煤機(jī)采用遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，集中控制室內(nèi)放置視頻檢測(cè)，三級(jí)聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備。

采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)采用嵌入式工控機(jī)處理采煤機(jī)運(yùn)行姿態(tài)信息，采煤機(jī)司機(jī)在集控中心室通過安裝探頭提供的采煤機(jī)信息實(shí)現(xiàn)搖臂傾角，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)自動(dòng)化無人干預(yù)割煤進(jìn)刀前，通過采煤機(jī)工控機(jī)采煤機(jī)割煤，程序自動(dòng)記憶割煤數(shù)據(jù)，激活技藝割煤功能。采煤機(jī)司機(jī)確認(rèn)范刀可用煤機(jī)將讀取采煤機(jī)歷史運(yùn)行狀態(tài)，通過系統(tǒng)提供的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)發(fā)現(xiàn)異常時(shí)，可通過采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)隨時(shí)結(jié)束記憶割煤功能。

工作面液壓支架采用pm32電液控制系統(tǒng)，由井下主控計(jì)算機(jī)，紅外線發(fā)射器，耦合器，網(wǎng)絡(luò)終端器，架間電源電纜，電磁先導(dǎo)閥等組成。電液控制系統(tǒng)具有跟機(jī)自動(dòng)化，領(lǐng)架操作與手動(dòng)操作等工作方式。

液壓支架跟機(jī)自動(dòng)化功能以采煤機(jī)位置為依據(jù)，由采煤機(jī)機(jī)空外線發(fā)射器與支架安裝紅外線接收器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，紅外接收器將檢測(cè)采煤機(jī)位置信息傳給主控系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)采煤機(jī)位置信息自動(dòng)發(fā)出命令指揮支架控制器完成操作。

受到采高限制等因素影響時(shí)，需采用割頂破底開采，會(huì)出現(xiàn)采煤機(jī)鎬型截齒消耗快，CΙA面積裝煤效果差等情況，通過加大滾筒螺旋升角，加設(shè)采煤機(jī)梨煤板可有效解決。

4 結(jié)語

采煤機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)實(shí)現(xiàn)高效無人化開采提供了有效途徑。對(duì)保障生產(chǎn)安全，由勞動(dòng)密集型向技術(shù)密集型轉(zhuǎn)變，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。采煤自動(dòng)控制技術(shù)對(duì)煤層地質(zhì)條件要求較高，較適用于頂板穩(wěn)定的工作面，否則需改用人工操作。為提高無人開采工作面的生產(chǎn)效率，需進(jìn)一步研究應(yīng)用多傳感器智能截割控制技術(shù)等新技術(shù)，提高對(duì)復(fù)雜煤層的適應(yīng)能力。