无人工作面的采煤机智能控制关键技术

摘 要：矿产资源的短缺和供应乏力阻碍了工业的发展，对我国经济发展也造成了一定程度的影响。众所周知，煤炭行业人员死亡率最高，资源回收率却极低。因此要发展煤炭行业，首要提升的就是煤矿开采技术，以最少的人员获取最大的收益。随着科技的进步，自动化无人工作面采煤技术被提出、应用。本文基于无人工作面技术，简述了采煤机智能控制系统的总体结构、采煤机智能控制系统的控制方案和采煤机基本结构及工作原理，同时对直线度控制和水平控制技术、自适应调高技术及自动调度控制技术三种关键的智能自适应开采技术模式进行了阐述。

关键词：采煤机;无人工作面;智能控制技术

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.04.078

煤炭产業处于我国工业基础、能源的核心地位，是基础能源产业。为了适应当今社会技术发展的趋势，实现煤矿安全生产，在煤矿开采过程中使用信息化技术是非常普遍的事。目前，我国采煤业正在由传统型向科学型迈进，向自动化、智能化方向转变[1]。自动化、智能化的煤矿开采能帮助煤矿企业实现安全生产、高效管理。

无人工作面是不同领域技术的交叉和综合，是一个复杂的系统工程。是在安全专家系统、灾害预测预报系统的基础上，通过三机自动控制系统、采煤工艺智能化系统、采矿模拟系统、采矿模拟系统等，实现资源的合理化配置，大大降低现场作业人员的死亡率。无人工作面采煤技术的开采范围包括薄煤层、厚煤层、特厚煤层以及中厚煤层。整个煤矿开采过程采用自动化技术，可实现无人自动化采煤，保证员工的安全。

实现无人工作面的基础是实现三级自动控制，三级包括采煤机、刮板输送机以及液压支架。采煤机是无人工作面设备的核心部件，自动调高系统、自主定位以及自动导航系统组成了采煤机自动控制系统，采煤机自动控制系统是实现无人工作面的关键技术[2]。智能化刮板输送机能实现自动推移控制，在各性能方面都属于高水平的存在。液压支架控制系统运用了计算机、液压、电子、通信网络技术，既能实现隔架控制、邻架控制、工作面矿压监测与运行状态的远程控制以及支架本架控制等，还能实现收护帮板、拉架、架间喷雾、打护帮板及推溜之间的随机联动自动化。

1 采煤机智能控制系统的总体结构设计

（1）采煤机智能控制系统的总体结构。由于采煤机工作环境恶劣，其智能控制系统被分为远程控制和机载控制，远程控制也就是地面监控系统，而机载控制是机载监控系统，此外还有一种顺槽监控系统在地面监控系统和机载监控系统之间起着重要的连接作用。其中地面监控系统的监控中心包括一台采煤机智能控制数据存储服务器，和四台监控、管理系统主机，是智能控制系统状态检测终端、数据存储终端以及命令控制终端。该系统所获取的数据信息是通过顺槽监控系统得来的。

顺槽监控系统连接着地面监控系统和机载监控系统，是两者之间的桥梁。该系统的控制中心设置在综采工作面运输巷中，其数据来自机载控制器，然后对数据进行处理，传输到地面监控系统的同时下发到机载监控系统。对于远程控制系统，其最重要的设备就是综采工作面视频监视平台，该监视平台的作用就是在顺槽监控中心的计算机上显示井下传来的画面，及时了解综采工作面的地下工作环境。

机载监控系统主要用于收集采煤机的状态信息，执行本地或远程的指令[3]。机载监控系统主要由机载控制器、传感器以及本安型无线交换机等组成，其核心是机载控制器，传感器是为其提供实时数据的媒介，而实现工作面和顺槽监控系统之间的实时通讯功能的是本安型无线交换机。

（2）采煤机智能控制系统的控制方案。采煤机智能控制方法可以从牵引智能调速和滚筒智能调高两方面入手，牵引智能调速是通过控制牵引电机的转速来控制采煤机的运动速度，从而在滚筒切割矸石、顶板、底板时，有足够的时间和空间进行调节，避免截割到岩石。滚筒智能调高是使滚筒的截割高度随着煤岩界面的变化而变化，保证滚筒沿着工作面运行，提高采煤效率。在进行牵引智能调速和滚筒智能调高动作时，采煤机智能控制系统能根据传感器了解设备运行状态，并预测煤层分布点，将分布点合成曲线，为调整滚筒高度作指引。在滚筒截割高度调整中，允许的高度变化范围是50毫米，超过这个数值采煤机将自动调整截割高度[4]。

（3）采煤机基本结构及工作原理。采煤机主要包括牵引部、截割部、电气系统以及其他辅助装置。采煤机牵引部的作用是控制采煤机在行走销轨上做往复运动。牵引部组成部分包括行走箱、左右牵引电动机以及减速箱等。牵引部控制采煤机做往复运动的原理是，在牵引减速机箱内有多级齿轮减速机构，利用这个减速机构可以使牵引电动机将动力向行走箱传递，然后行走箱里的内齿轮与输送机上的齿轮吻合，从而驱动采煤机工作。截割部的主要工作是落煤以及割煤，安装在采煤机左右两端，由左右两个截割滚筒、截割电机以及摇臂组成[5]。其中两个截割滚筒的旋转方向不一致，是为了适应装煤的需要。采煤机摇臂的升降控制着截割滚筒的高低以适应煤层分布。电气系统的作用是为采煤机的运行提供动力，并对瓦斯的量进行性检测，如果危害气体过量就会自动触发报警机制。电气系统的组成部分包括电控箱和交流电动机。采煤机实际工作流程：首先是牵引部控制其在工作面往复运动，运动中由滚筒完成截割工作，然后由刮板输送机将落煤卸到转载机上，最后在转载机的运送下，将煤送到带式输送机。

2 智能自适应开采技术模式

智能自适应开采技术模式是采煤技术发展的最终目标。这种技术模式是通过控制系统发出的指令，在煤层赋存条件和环境因素下，通过智能感知，自动执行调度，实现设备的调节控制和任务动作。在工作面的支护、推进过程以及整个采煤过程中是无人工参与操作，依赖无人工作面自动控制系统，自主实现采煤过程的智能感知和控制。在智能自适应开采技术模式中，因为核心关键技术没有被突破，所以只应用了部分技术，完整技术的实践还没有实现。

（1）直线度控制和水平控制技术。如果在推进过程中，输送机及支架等设备没有排列整齐，会在推进中产生阻碍，使得输送机、支架等呈现过度弯曲状态，从而对设施造成损坏，而直线度控制技术可以避免这种情况的发生。这项技术能保证刮板输送机和液压支架整齐的排列在一起，并且有序的持续性向前推进，同时确保在工作面倾斜长度方向上综采装备处于直线状态。水平控制技术的目的是自动控制采煤机和输送机进行俯仰和倾斜动作，其控制依据是地理信息数据，利用工作面高精度惯性导航系统，将煤层地质特征精确绘制出来的三维地质模型。

（2）自适应调高技术。自适应调高技术在智能自适应开采技术模式有着很重要的作用，关系着该模式的应用能否成功，是其核心关键技术。该技术目前已较为成熟，在实际采煤工作中被广泛应用。自适应调高技术是由两种重要技术组成，一种是煤岩界面自动识别感知技术。要实现无人自动化开采，其前提条件就是煤岩界面自动识别感知技术。该技术能根据煤岩赋存的弯曲程度，使采煤机在割煤过程中对滚筒高度进行合理的调节，确保得到高质量煤炭，并能提高采煤效率。但由于已知煤层界面赋存弯曲程度复杂且多样，煤岩层自动识别感知存在着不确定性，对自适应调高技术的发展有着很大的阻碍。自适应调高技术的另一种组成技术是智能化控制技术。该技术是根据煤岩层界面的识别曲线，调节滚筒实时高度，智能化控制能达到几十毫秒的控制延时，为滚筒的调节争取时间。

（3）自动调度控制技术。自动调度控制技术处于研究阶段，还没有在实际工作中正式运用。自动调度控制技术是利用智能控制系统，根据煤炭生产需求量，计算采煤机的推进速度及采煤速度，从而对其进行自动控制，达到按需生产的目的。在计算采煤速度以及推進速度时，是以需求量作为主要参数，以工作面倾角、煤层厚度、瓦斯、运输能力等参数为辅，综合计算得出。

3 总结语

为确保综采工作面的安全高效生产，首要选择就是实现采煤机智能控制技术。采煤机的自动化程度对整个煤矿开采有着直接的影响。在采煤机智能控制中，通过调节牵引速度和滚筒截割高度，实现采煤机稳定运行，从而实现高效率、高品质采煤工作。同时智能控制技术能让工人远程操作设备，自动化完成割煤、落煤、装煤、运煤等一系列过程，实现少人或无人工作面，减少现场作业人员，降低人员死亡率。

参考文献：

[1]李明忠.中厚煤层智能化工作面无人高效开采关键技术研究与应用[J].煤矿开采，2016（03）：31-35.

[2]王国法，范京道，徐亚军等.煤炭智能化开采关键技术创新进展与展望[J].工矿自动化，2018（02）：5-12.

[3]葛世荣，王忠宾，王世博.互联网+采煤机智能化关键技术研究[J].煤炭科学技术，2016（07）：1-9.

[4]刘建伟.大采高智能化无人开采技术的探索[J].陕西煤炭，2018

（02）：23-25，59.

[5]李首滨，黄曾华，王旭鸣等.综采工作面装备远程控制技术进展报告[J].科技资讯，2016（12）：173-174.

课题项目：本文系2016年度兰州资源环境职业技术学院院级技术积累项目课题《无人工作面智能采煤机技术收集》，课题编号J2016-03

作者简介：李明（1986-），女，甘肃天水人，研究生，讲师，研究方向：机械制造及自动化。