王明耀

（中煤昔陽(yáng)能源有限責(zé)任公司白羊嶺煤礦，山西 晉中 045300）

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展速度的不斷加快，煤礦行業(yè)逐步趨向于智能化發(fā)展。在煤礦轉(zhuǎn)型關(guān)鍵時(shí)期，通過(guò)合理使用智能化、自動(dòng)化技術(shù)手段，可以切實(shí)有效地提升采煤工作的質(zhì)量效率。在現(xiàn)階段的智能化綜采工作面中，一鍵停啟以及綜采工作面液壓支架電液控制系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，為推動(dòng)煤礦行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

1 概述工作面

本文以中煤昔陽(yáng)能源有限責(zé)任公司白羊嶺煤礦15111綜采工作面為例，該作業(yè)面的長(zhǎng)度為1010m，工作面平距230m。15111工作面地面位置位于礦井東北部，北距井田邊界247m，東距社莊村492m，地表為中低山，谷溝發(fā)育，工作面回采范圍無(wú)村莊、水體分布；井下位置西起15111軌道巷，東至井田邊界510～575m處，北距井田邊界最小距離247m，南部為15109工作面采空區(qū)，與其保護(hù)煤柱為8m。15111工作面周邊無(wú)其他采掘工作面分布。

15111工作面采用一次采全高回采技術(shù)手段，工作面的回采煤層平均厚度為4.6m，平均傾角為6度。煤層偽頂主要由炭質(zhì)泥巖組成，平均厚度為0.2m。直接頂主要為泥巖、砂質(zhì)巖，厚度為17.75m。

15111工作面采煤工藝為綜合機(jī)械化采煤，采用MG900/2210-WD電牽引采煤機(jī)、SGZ1000/2×855中雙聯(lián)刮板運(yùn)輸機(jī)、ZZ10600/27/60D液壓支架支護(hù)頂板。由于原有工作面回采期間的故障發(fā)生概率較高，導(dǎo)致實(shí)際運(yùn)維難度較大。為了從根本上保障采煤質(zhì)量與效率，需要借助智能化技術(shù)手段，設(shè)計(jì)出功能完善的集中控制系統(tǒng)。

2 綜采工作自動(dòng)化采煤技術(shù)現(xiàn)狀

國(guó)外智能化、信息化技術(shù)發(fā)展速度更快。至20世紀(jì)80年代，美國(guó)就在采煤行業(yè)中使用了自動(dòng)化采煤技術(shù)，切實(shí)提升了煤礦產(chǎn)量。

我國(guó)于2004年首次引進(jìn)并實(shí)施自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)技術(shù)，現(xiàn)階段取得了巨大成就。許多中大型煤礦均在自動(dòng)化采煤中投入了充足的人力和物力，獲得了極高的日常任務(wù)開采率，進(jìn)一步延長(zhǎng)了煤礦開采年限。

3 自動(dòng)化綜采工作面系統(tǒng)發(fā)展要求

煤礦開采流程較為復(fù)雜，在實(shí)際開采期間的安全風(fēng)險(xiǎn)性高，目前相應(yīng)的機(jī)械化程度仍屬于有待提升階段。

現(xiàn)階段，煤礦智能化綜采工作面現(xiàn)場(chǎng)安全管理期間仍然存在較多不足之處，需要注重做好工作面的智能化、自動(dòng)化改造工作。當(dāng)前煤礦自動(dòng)化技術(shù)不夠完善，但已經(jīng)具有了自主生產(chǎn)能力，可基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)目標(biāo)，需要設(shè)計(jì)出功能完善、運(yùn)行可靠的智能化煤炭綜采作業(yè)面系統(tǒng)。借助抗電子干擾力強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)通信傳輸平臺(tái)，可以從根本上提升綜采工作面實(shí)施期間的信號(hào)傳輸效率，確保各類信息數(shù)據(jù)能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定可靠的傳輸目標(biāo)。

4 自動(dòng)化綜采工作面系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4.1 集中控制系統(tǒng)

綜采作業(yè)面集中控制系統(tǒng)內(nèi)部包括地面遠(yuǎn)程控制裝置、設(shè)備控制系統(tǒng)、三機(jī)聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)、液壓支架電液控制系統(tǒng)、順槽設(shè)備列車集中控制系統(tǒng)、采煤機(jī)等。其中，順槽設(shè)備列車直接控制系統(tǒng)在實(shí)際安裝過(guò)程中，需要安裝在運(yùn)輸順槽設(shè)備的串車上。系統(tǒng)內(nèi)部主要包括控制臺(tái)、數(shù)據(jù)處理裝置、顯示器、PLC控制裝置。在使用順槽集中控制系統(tǒng)過(guò)程中，需要做好工作面設(shè)備數(shù)據(jù)信號(hào)設(shè)計(jì)工作，采用信號(hào)處理方式發(fā)送相關(guān)指令。

4.2 地面遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)

地面遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)被安裝在礦井調(diào)度室指揮中心，系統(tǒng)內(nèi)部包括視頻主機(jī)、監(jiān)控主機(jī)、服務(wù)器裝置。服務(wù)器裝置內(nèi)部配備專用組態(tài)軟件，借助軟件能夠直觀地將綜采工作面中各類機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)以及運(yùn)行期間的參數(shù)數(shù)據(jù)顯示在屏幕上。相關(guān)工作人員可借助相關(guān)視頻軟件對(duì)作業(yè)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

4.3 電液控制系統(tǒng)

電液控制系統(tǒng)內(nèi)部包括轉(zhuǎn)向主閥、壓力傳感裝置、行程傳感裝置、液壓支架控制器、開關(guān)、紅外線發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。其中，紅外線監(jiān)測(cè)發(fā)射系統(tǒng)由紅外線發(fā)射與接收裝置構(gòu)成，在實(shí)際運(yùn)行期間，主要擔(dān)負(fù)起確定采煤機(jī)位置的重要職責(zé)。

4.4 三機(jī)聯(lián)控系統(tǒng)

三機(jī)聯(lián)控系統(tǒng)可以充分發(fā)揮出刮板運(yùn)輸機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)聯(lián)合控制作用。系統(tǒng)內(nèi)部主要由位移轉(zhuǎn)換器、攝像儀器、傾角傳感裝置以及精準(zhǔn)的推拉裝置組成。在系統(tǒng)中安裝液壓推移支架，能夠有效控制三機(jī)聯(lián)動(dòng)設(shè)施。

4.5 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)就是在采煤機(jī)、液壓支架、各轉(zhuǎn)載點(diǎn)、膠帶機(jī)機(jī)頭工作面采煤區(qū)域安裝視頻監(jiān)控裝置，監(jiān)管工作堆煤、液壓支架位置實(shí)際狀態(tài)，使視頻畫面可及時(shí)到地面監(jiān)控中心。

5 智能化綜采工作面自動(dòng)化高質(zhì)量技術(shù)功能

5.1 順槽集中控制系統(tǒng)

借助集中控制系統(tǒng)操控臺(tái)，可以對(duì)工作面上的各機(jī)電設(shè)備展開適當(dāng)設(shè)備控制。如作業(yè)面液壓支架、破碎機(jī)、刮板運(yùn)輸機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、帶式輸送機(jī)啟停作業(yè)。作業(yè)面機(jī)械設(shè)備集中控制系統(tǒng)相互配合，使采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架等實(shí)現(xiàn)相互聯(lián)鎖目標(biāo)。在作業(yè)面機(jī)電設(shè)備出現(xiàn)故障的情況下，可在系統(tǒng)主界面上顯示設(shè)置故障類型、故障發(fā)生部位。系統(tǒng)可以利用工作面中的各類傳輸裝置收集刮板運(yùn)載機(jī)、帶式輸送機(jī)等運(yùn)行參數(shù)，精準(zhǔn)控制產(chǎn)能及采煤機(jī)牽引速度與推進(jìn)速度，控制支架超前移架運(yùn)動(dòng)。

5.2 電液控制系統(tǒng)

借助電液控制裝置，能夠?qū)σ簤褐Ъ芄ぷ髯枇?、位置、推進(jìn)速度、液壓狀態(tài)、支架運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)單支架、多支架自動(dòng)控制升降與前移目標(biāo)。操作人員通過(guò)軟件修復(fù)工作面的方式，可以將控制系統(tǒng)應(yīng)用在不同地質(zhì)條件以及采煤機(jī)作業(yè)面處。借助系統(tǒng)監(jiān)控作業(yè)面、采煤機(jī)割煤深度，判斷支架位移情況，實(shí)現(xiàn)作業(yè)面自動(dòng)割煤、自動(dòng)移架、推溜等目標(biāo)。操作人員可以借助系統(tǒng)軟件自動(dòng)設(shè)定相關(guān)指令工作。系統(tǒng)運(yùn)行期間可以監(jiān)控支架立柱的初期支撐情況，避免支架卸壓?jiǎn)栴}出現(xiàn)，從根本上提升支架的支撐力，保障支架的強(qiáng)度與穩(wěn)定性。

在自動(dòng)化傳感系統(tǒng)運(yùn)行期間，各類傳感裝置接收的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行系統(tǒng)分析處理，并發(fā)出急停、閉鎖以及報(bào)警等動(dòng)作指令，使操作人員能夠?qū)收线M(jìn)行及時(shí)處理。

5.3 液壓支架、采煤機(jī)控制系統(tǒng)

當(dāng)前，智能化綜采設(shè)備中的液壓支架控制系統(tǒng)高壓化、高速化、智能化特征日益顯著。但由于乳化液泵站的運(yùn)行壓力與運(yùn)行速度不斷提高，實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的負(fù)載慣性會(huì)持續(xù)增大，系統(tǒng)超調(diào)增大，運(yùn)行期間的精準(zhǔn)度難以得到根本上把控。通過(guò)使用預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)，能夠?qū)σ簤褐Ъ芸刂葡到y(tǒng)運(yùn)行振動(dòng)、沖擊力及精準(zhǔn)度進(jìn)行嚴(yán)格控制。借助控制對(duì)象模型以及系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)，計(jì)算出預(yù)測(cè)輸出值，統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)誤差變化情況，從而對(duì)液壓支架控制系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的誤差的問(wèn)題進(jìn)行前期預(yù)控。

結(jié)合液壓支架控制系統(tǒng)運(yùn)行特征，優(yōu)化數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)模型結(jié)構(gòu)，基于整體角度出發(fā)，分析預(yù)測(cè)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的動(dòng)態(tài)規(guī)律變化情況，并對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行期間的效果進(jìn)行預(yù)測(cè)及管控。由于液壓支架控制系統(tǒng)的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與其運(yùn)行結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，在預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)較少、液壓支架控制系統(tǒng)極易受到不良因素影響的情況下，還應(yīng)當(dāng)配合使用濃度預(yù)測(cè)手段，更好地滿足設(shè)備不同運(yùn)行環(huán)節(jié)的精準(zhǔn)度預(yù)測(cè)要求。相較傳統(tǒng)控制手段，預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)具有算法簡(jiǎn)單、結(jié)果實(shí)質(zhì)性強(qiáng)等特征，能夠?qū)σ簤褐Ъ芸刂葡到y(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行全面監(jiān)管。在液壓支架控制過(guò)程中，可以連續(xù)進(jìn)行單向操作實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制功能。由于井下頂板所處的環(huán)境較為復(fù)雜，支架也難以發(fā)揮出良好作用。為避免采煤期間采煤機(jī)切割效果受到不利影響，還可以借助人干擾操作裝置，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)化調(diào)整。

采煤機(jī)控制系統(tǒng)中的魯棒性主要就是在控制系統(tǒng)運(yùn)行期間受到某因素影響，但依然能夠保持穩(wěn)定可靠運(yùn)行狀態(tài)的性能?？刂葡到y(tǒng)魯棒性對(duì)智能化綜采設(shè)備綜合運(yùn)行水平的影響較大，決定著控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果。

采煤機(jī)內(nèi)的柔性機(jī)械臂的耦合性及非線性特征顯著，屬于多輸入及多輸出的分布式參數(shù)設(shè)備。在該系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)將大幅度整體運(yùn)動(dòng)及小型彈性振動(dòng)情況耦合在一起，具有逆運(yùn)動(dòng)學(xué)及各種不確定因素，動(dòng)力行為復(fù)雜性較為顯著。為了有效控制柔性采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，需配合使用魯棒控制系統(tǒng)，結(jié)合滑模變結(jié)構(gòu)，對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行全過(guò)程的參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格管控。為了有效克服非結(jié)構(gòu)的不確定性及振動(dòng)影響，還需要在傳統(tǒng)意義的魯棒性控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上配合使用軌跡跟蹤的準(zhǔn)靜態(tài)補(bǔ)償控制方式，從根本上提升跟蹤目標(biāo)軌跡的控制精準(zhǔn)性。

5.4 煤流系統(tǒng)自動(dòng)化技術(shù)

在現(xiàn)階段我國(guó)煤礦企業(yè)發(fā)展期間，煤流系統(tǒng)也成為煤礦生產(chǎn)的重要設(shè)施之一。通過(guò)使用煤流自動(dòng)化技術(shù)手段，可以對(duì)煤礦綜采進(jìn)行綜合性監(jiān)控，推動(dòng)我國(guó)煤礦行業(yè)的發(fā)展進(jìn)程。在現(xiàn)階段煤流系統(tǒng)自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用期間，可以從圖像方式分析煤炭類煤料成分，準(zhǔn)確計(jì)算出煤炭產(chǎn)量。配合使用工作職能預(yù)警技術(shù)手段，改善煤流工藝，設(shè)計(jì)出適應(yīng)煤流的啟動(dòng)式的裝置，從根本上提高煤流運(yùn)轉(zhuǎn)水平，進(jìn)一步延長(zhǎng)設(shè)備運(yùn)行全生命周期。通過(guò)實(shí)現(xiàn)免流遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與應(yīng)用目標(biāo)，能夠有效改善控制工藝，設(shè)計(jì)出的煤流系統(tǒng)能夠更好地適應(yīng)啟動(dòng)設(shè)備，提高煤炭產(chǎn)量，降低設(shè)備運(yùn)行期間故障的發(fā)生概率。在不斷完善遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的前提下，實(shí)現(xiàn)無(wú)人化綜合開采煤礦目標(biāo)，推動(dòng)煤礦產(chǎn)業(yè)智能化、自動(dòng)化發(fā)展進(jìn)程。

5.5 采煤設(shè)備綜合管理信息平臺(tái)

為加強(qiáng)智能化綜采設(shè)備安裝、運(yùn)維全過(guò)程監(jiān)管力度，切實(shí)提升項(xiàng)目開展信息化水平，為智能化綜采設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行營(yíng)造出更加穩(wěn)定的技術(shù)環(huán)境，最大化綜合效益。配合使用功能完善的自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)，做好設(shè)備備品及備件管理工作，建立設(shè)備物品臺(tái)賬，要對(duì)設(shè)備現(xiàn)存情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，避免在設(shè)備管理過(guò)程中出現(xiàn)備件浪費(fèi)或者缺失等問(wèn)題出現(xiàn)。具體而言，自動(dòng)化技術(shù)在煤礦綜采機(jī)電設(shè)備管理中的應(yīng)用方向主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）資料收集。在構(gòu)建煤礦綜采機(jī)電管理信息化平臺(tái)過(guò)程中，需要首先開展基礎(chǔ)資料的錄入工作，為后續(xù)設(shè)備信息化管理提供充足的數(shù)據(jù)支持。現(xiàn)有智能化綜采設(shè)備基礎(chǔ)資料主要包括設(shè)備的分類編號(hào)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備使用地點(diǎn)。依照數(shù)據(jù)錄入時(shí)間，快速查詢當(dāng)日設(shè)備管理工作的開展情況。

（2）設(shè)備運(yùn)行。煤礦綜采機(jī)電設(shè)備信息化管理平臺(tái)中的設(shè)備運(yùn)行管理工作涉及巡檢記錄、維修記錄、巡檢提示等內(nèi)容。其中，巡檢記錄主要就是記錄巡檢人員、巡檢部門的巡檢時(shí)間以及機(jī)電設(shè)備巡檢結(jié)果；維修記錄主要就是維修人員對(duì)巡檢記錄中發(fā)現(xiàn)的設(shè)備安全隱患進(jìn)行維修處理，同時(shí)記錄下維修設(shè)備所處位置、維修人員、維修結(jié)果等；巡檢提示需要根據(jù)巡檢記錄上報(bào)的巡檢時(shí)間進(jìn)行機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估工作，幫助管理部門發(fā)現(xiàn)存在于機(jī)電設(shè)備管理中的不足之處，為優(yōu)化機(jī)電管理機(jī)制提供重要數(shù)據(jù)支持。

（3）設(shè)備保養(yǎng)。設(shè)備保養(yǎng)工作也是煤礦綜采機(jī)電設(shè)備管理的重要一環(huán)，需要在記錄設(shè)備保養(yǎng)全過(guò)程中著重收集保養(yǎng)設(shè)備編號(hào)、參與部門、保養(yǎng)人員、設(shè)備當(dāng)次保養(yǎng)時(shí)間與下次保養(yǎng)時(shí)間。借助設(shè)備保養(yǎng)提示功能，對(duì)每臺(tái)設(shè)備的固定保養(yǎng)周期進(jìn)行必要提醒，使不同種類的機(jī)電設(shè)備均能夠得到及時(shí)保養(yǎng)，從根本上降低設(shè)備故障問(wèn)題發(fā)生概率。

（4）系統(tǒng)設(shè)置。煤礦綜采機(jī)電設(shè)備信息化管理系統(tǒng)設(shè)置工作可以將設(shè)備巡檢、設(shè)備保養(yǎng)以及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估報(bào)告以不同形式傳輸給各部門或工作人員手中。如發(fā)送郵件或站內(nèi)信等，使機(jī)電設(shè)備管理工作中的各類信息均能夠?qū)崿F(xiàn)公開共享目標(biāo)。

（5）數(shù)據(jù)分析。對(duì)煤礦綜采機(jī)電設(shè)備綜合數(shù)據(jù)進(jìn)行有效分析，依照日期等標(biāo)準(zhǔn)對(duì)煤礦現(xiàn)有設(shè)備狀態(tài)信息、巡檢信息以及設(shè)備保養(yǎng)情況進(jìn)行統(tǒng)一收集與整理，并將階段性機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)以曲線等方式繪制出來(lái)，使機(jī)電設(shè)備運(yùn)行安全性與可靠性能夠更直觀地展現(xiàn)出來(lái)，為設(shè)備管理部門的信息化建設(shè)工作提供重要方向，為實(shí)現(xiàn)煤礦綜采機(jī)電信息化管理目標(biāo)奠定堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

6 結(jié)語(yǔ)

總而言之，在現(xiàn)階段煤礦綜采智能化工作開展期間，需要配備完整的工作設(shè)施，對(duì)煤礦綜采工作進(jìn)行升級(jí)。綜采工作面智能化屬于系統(tǒng)化工程，在人工智能技術(shù)實(shí)際應(yīng)用期間需要綜合采礦場(chǎng)環(huán)境、采礦工藝、邏輯控制裝置等耦合因素。將機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)應(yīng)用在工作面期間，還需要注重分析水務(wù)干擾等因素，進(jìn)一步擴(kuò)大人工智能化系統(tǒng)綜采工作面的適用范圍，推進(jìn)煤炭行業(yè)的智能化發(fā)展進(jìn)程。