王俊濤，郁海濱

（1.中煤張家口煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司，河北 張家口 076250；2.河北省高端智能礦山裝備技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 張家口 076250）

引言

煤炭在我國能源體系中發(fā)揮著壓艙石和穩(wěn)定器作用，“以煤為主”的能源生產(chǎn)消費(fèi)格局在一段時(shí)期內(nèi)不會(huì)改變。刮板輸送設(shè)備作為煤礦開采工作面“三機(jī)一架”核心構(gòu)成裝備，其運(yùn)行工作狀態(tài)直接影響著煤礦開采生產(chǎn)效率和安全水平。隨著煤炭開采技術(shù)進(jìn)步及工作面整體裝備水平的提升，刮板輸送設(shè)備正朝著重型化、成套化、智能化、高可靠方向發(fā)展。智能化技術(shù)研發(fā)應(yīng)用尤其是關(guān)鍵電氣件研發(fā)及可靠性提升、傳感控制技術(shù)的創(chuàng)新實(shí)踐等對(duì)提升刮板輸送技術(shù)裝備總體水平起著至關(guān)重要的作用。

1 刮板輸送設(shè)備智能化關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問題

1.1 發(fā)展現(xiàn)狀

1.1.1 關(guān)鍵電氣件方面

基于煤礦實(shí)現(xiàn)智能化開采的需求，溫度、振動(dòng)、壓力、流量傳感器及智能控制系統(tǒng)PLC 和工控機(jī)等逐步在刮板輸送設(shè)備上得到應(yīng)用，但基于國內(nèi)電子技術(shù)發(fā)展整體水平和研究進(jìn)展，系列關(guān)鍵電氣件的監(jiān)控精度、抗干擾能力、使用壽命等尚不能滿足煤礦井下惡劣工況環(huán)境使用需求，部分關(guān)鍵電氣件仍需依賴進(jìn)口。以控制系統(tǒng)PLC 為例，國內(nèi)市場(chǎng)基本被SIEMENS、NYSE:ROK、Beckhoff 等少數(shù)幾家外國品牌所壟斷，國內(nèi)廠商研發(fā)積極性不高、技術(shù)更新慢，形成了重拿來應(yīng)用、輕元器件基礎(chǔ)研究的惡性循環(huán)。隨著國家和各省市煤炭監(jiān)管部門相繼出臺(tái)了一系列加強(qiáng)智能化礦井建設(shè)的指導(dǎo)性文件，對(duì)智能化采掘裝備需求數(shù)量和質(zhì)量提出了更高要求，煤機(jī)裝備智能化相關(guān)電氣件的自主研發(fā)和自主配套能力短板進(jìn)一步凸顯。

1.1.2 感知控制技術(shù)方面

我國刮板輸送設(shè)備自動(dòng)化控制技術(shù)發(fā)展迅速，如工作面高清視頻輔助人工干預(yù)、刮板輸送機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)、刮板輸送機(jī)傳動(dòng)部工況監(jiān)測(cè)、鏈條自動(dòng)張緊控制、設(shè)備負(fù)載檢測(cè)、智能自主調(diào)速、破碎機(jī)軸承自動(dòng)潤(rùn)滑等功能的實(shí)現(xiàn)，加快了工作面輸送設(shè)備向智能化方向發(fā)展的進(jìn)程。但由于配套傳感器、監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)、變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電控系統(tǒng)在可靠性、穩(wěn)定性方面存在差距，國產(chǎn)設(shè)備還需要進(jìn)一步在提升控制精度及設(shè)備穩(wěn)定性、降低故障率方面進(jìn)行優(yōu)化，部分傳感控制技術(shù)仍處于試驗(yàn)驗(yàn)證階段，與工作面無人化要求尚有差距。

1.1.3 機(jī)器人巡檢技術(shù)方面

國內(nèi)科研機(jī)構(gòu)和有關(guān)企業(yè)已開始進(jìn)行相關(guān)技術(shù)的探索研究，研發(fā)的智能化綜采工作面巡檢機(jī)器人基于采煤機(jī)與液壓支架實(shí)現(xiàn)了對(duì)采煤機(jī)搖臂升降以及液壓支架自動(dòng)跟機(jī)、刮板運(yùn)輸機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了工作面快速巡檢和跟機(jī)巡檢，并能夠觀察采煤機(jī)滾筒與液壓支架頂梁的間距，可為采煤機(jī)采高控制提供精準(zhǔn)數(shù)據(jù)支撐[1]。但總體仍處于起步階段，巡檢機(jī)器人控制平臺(tái)健壯性、行走驅(qū)動(dòng)可靠性、移動(dòng)通信穩(wěn)定性、群組控制協(xié)同性、配套應(yīng)用合理性等難題仍需進(jìn)一步解決攻克。

1.2 存在問題

綜上所述，雖然國內(nèi)煤機(jī)裝備整機(jī)設(shè)計(jì)制造技術(shù)已處于國際領(lǐng)水平，智能化技術(shù)應(yīng)用層開發(fā)、智能化生產(chǎn)實(shí)踐取得了顯著成效，但刮板輸送機(jī)設(shè)備仍舊存在諸多短板，制約了刮板輸送設(shè)備整體水平和自主核心能力的提升，主要表現(xiàn)在：

1）刮板輸送設(shè)備配套關(guān)鍵電氣件及控制系統(tǒng)的可靠性、性能指標(biāo)、使用壽命與國外產(chǎn)品還存在一定的差距，部分關(guān)鍵電氣配件依賴進(jìn)口；

2）刮板輸送設(shè)備感知與控制技術(shù)研究應(yīng)用在逐步拓展，但系統(tǒng)基礎(chǔ)研究不足，缺乏堅(jiān)實(shí)的理論支持，自主性基礎(chǔ)薄弱；

3）刮板輸送設(shè)備智能巡檢結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、功能配置、供配電技術(shù)、數(shù)據(jù)采集傳輸技術(shù)等未形成行業(yè)認(rèn)同，對(duì)煤礦井下特殊工作環(huán)境的適應(yīng)性研究仍需深入。

2 刮板輸送設(shè)備智能化關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)方向

煤炭開采作為我國能源領(lǐng)域“兜底”行業(yè)，其智能化建設(shè)直接關(guān)系我國國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展進(jìn)程。“十三五”以來，國家層面實(shí)施了“機(jī)械化換人、自動(dòng)化減人”科技強(qiáng)安專項(xiàng)行動(dòng)，先后出臺(tái)了《國家能源技術(shù)創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃（2016—2030 年）》《煤礦機(jī)器人重點(diǎn)研發(fā)目錄》《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》，分別組織了全國煤礦自動(dòng)化開采技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)會(huì)、全國煤礦安全基礎(chǔ)建設(shè)推進(jìn)大會(huì)、全國煤礦智能化建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)推進(jìn)會(huì)[2-3]。從頂層設(shè)計(jì)的落地到各級(jí)各地實(shí)施細(xì)則陸續(xù)出臺(tái)，煤礦智能化迎來了從起步向高速發(fā)展的拐點(diǎn)階段，為打造“無人或少人”智能化刮板輸送技術(shù)裝備提供了有利的政策機(jī)遇。刮板輸送設(shè)備智能化關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)路線如圖1 所示。

圖1 刮板輸送設(shè)備智能化關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)路線

2.1 開展關(guān)鍵電氣件攻關(guān)與配套應(yīng)用

結(jié)合工作面惡劣復(fù)雜工況和刮板輸送機(jī)設(shè)備運(yùn)行特點(diǎn)，開展刮板輸送機(jī)傳動(dòng)部、電機(jī)等配套傳感器的適用性關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，包括傳動(dòng)部溫度傳感器、振動(dòng)傳感器、壓力傳感器等，提高傳感器的檢測(cè)精度、可靠性、抗干擾性和使用壽命；開展刮板輸送機(jī)控制系統(tǒng)PLC、工控機(jī)等控制設(shè)備適用性關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，使控制器性能滿足刮板輸送設(shè)備智能化控制要求和井下環(huán)境特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)用關(guān)鍵電氣件的全面自主配套。

2.2 開展智能感知技術(shù)攻關(guān)及應(yīng)用

在實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)傳感器等關(guān)鍵電氣件自主配套基礎(chǔ)上，針對(duì)刮板輸送機(jī)減速器、變頻器、電機(jī)、伸縮機(jī)尾電液控制裝置、自動(dòng)潤(rùn)滑裝置及鏈條等，開展相關(guān)裝置工況感知傳感器的選型驗(yàn)證，并結(jié)合需求發(fā)展應(yīng)用5G、WIFI6 等信號(hào)傳輸及相應(yīng)分析處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)刮板輸送機(jī)運(yùn)行工況狀態(tài)的多參數(shù)、智能化感知監(jiān)測(cè)。

2.3 開展智能控制技術(shù)攻關(guān)及應(yīng)用

在刮板輸送機(jī)PLC、工控機(jī)等關(guān)鍵電氣件自主配套和工況智能感知系統(tǒng)漸進(jìn)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，研制刮板輸送機(jī)“三機(jī)”智能控制系統(tǒng)，并對(duì)鏈條張緊控制、關(guān)鍵部件潤(rùn)滑控制、鏈速自適應(yīng)控制等控制理論開展分析研究，制定適合不同工況的個(gè)性化智能控制策略，并與全工作面設(shè)備集控系統(tǒng)充分融合，實(shí)現(xiàn)工作面智能化“少人或無人”開采。

2.4 開展輸送設(shè)備巡檢技術(shù)攻關(guān)及應(yīng)用

基于智能化開采過程中對(duì)工作面周圍工況環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)需求，針對(duì)工作面煤壁狀態(tài)、刮板輸送機(jī)直線度、液壓支架姿態(tài)等，開展刮板輸送機(jī)智能巡檢機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、功能開發(fā)、供電技術(shù)研究、設(shè)備數(shù)據(jù)采集傳輸技術(shù)研究等工作，通過在刮板機(jī)上配套多傳感器巡檢設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面的超前截割巡檢，為全工作面采支運(yùn)設(shè)備智能協(xié)同控制、保護(hù)等提供支撐。

3 “十四五”時(shí)期刮板輸送設(shè)備產(chǎn)品發(fā)展趨勢(shì)

3.1 配套綜采工作面輸送設(shè)備

以自動(dòng)化、智能化為攻關(guān)重點(diǎn)，積極適應(yīng)無人工作面開采技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、智能控制等技術(shù)成熟應(yīng)用，開發(fā)輸送能力6 000～8 000 t/h、中部槽規(guī)格（槽長(zhǎng)×內(nèi)寬）≥2 050 mm×1 400 mm、鏈條規(guī)格Φ65 mm、整機(jī)過煤壽命80 Mt、適應(yīng)煤層厚度10 m 以上的超大采高綜采智能化刮板輸送設(shè)備。完成超高耐磨中底板新材料、高鏈速運(yùn)行技術(shù)、永磁變頻智能驅(qū)動(dòng)技術(shù)等在不同工況環(huán)境的試驗(yàn)驗(yàn)證和示范，實(shí)現(xiàn)400～500 m 超長(zhǎng)工作面輸送技術(shù)中厚煤層應(yīng)用推廣，全面提升輸送設(shè)備整體性能及運(yùn)行效率。

3.2 配套綜放工作面輸送設(shè)備

以設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性、可靠性提升為方向，針對(duì)放頂煤工作面開采特點(diǎn)，重點(diǎn)突破多級(jí)智能破碎、煤流煤量監(jiān)測(cè)、前后部智能協(xié)同控制、系統(tǒng)功率提升難題，研制4 000 kW+2 000 kW 異構(gòu)變頻驅(qū)動(dòng)、過煤壽命達(dá)80 Mt 的前、后部智能刮板輸送機(jī)及配套轉(zhuǎn)載、破碎系統(tǒng)，適應(yīng)特厚煤層安全高效綠色開采需要，持續(xù)保持我國厚及特厚煤層綜放開采技術(shù)裝備的世界領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。

3.3 配套薄煤層工作面輸送設(shè)備

以國際先進(jìn)水平為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)采高1.1～1.3 m薄煤層工作面采運(yùn)系統(tǒng)成熟推廣應(yīng)用，研發(fā)適應(yīng)0.8～1.1 m 薄煤層綜采智能化成套輸送設(shè)備，持續(xù)開展薄煤層系列專用減速器、自動(dòng)拖纜等關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)與應(yīng)用，全面適應(yīng)薄煤層鉆采、刨采、采煤機(jī)開采工作面輸送設(shè)備配套需求，加快薄煤層綜合智能化無人開采步伐[4-5]。

4 結(jié)語

結(jié)合煤礦工作面環(huán)境和設(shè)備運(yùn)行特點(diǎn)進(jìn)行智能化技術(shù)開發(fā)應(yīng)用，將是“十四五”期間刮板輸送設(shè)備重點(diǎn)發(fā)展方向，適應(yīng)厚及特厚煤層綜采綜放、薄煤層開采等“兩厚一薄”工作面配套輸送設(shè)備將成為相關(guān)新技術(shù)應(yīng)用的重要平臺(tái)。鑒于刮板輸送機(jī)在煤礦井下主要是煤炭運(yùn)輸、給采煤機(jī)提供行走軌道、給工作面推進(jìn)提供支撐定位等作用，在當(dāng)前主流的智能化開采模式中處于被動(dòng)控制，下階段將圍繞輸送機(jī)的自我感知、自我控制、自我維護(hù)和自我診斷、自我保護(hù)等技術(shù)研究，將輸送機(jī)打造為全面感知、綠色節(jié)能運(yùn)輸、遠(yuǎn)程故障診斷與預(yù)判，能夠計(jì)劃保養(yǎng)、事前維護(hù)的智能化設(shè)備，大幅提升工作面輸送設(shè)備智能化水平及設(shè)備整體運(yùn)行穩(wěn)定性、可靠性和使用壽命，為無人化工作面的實(shí)現(xiàn)提供技術(shù)與裝備支撐。