无人工作面的采煤机智能控制技术

文/车明浪

煤炭产业的发展对我国工业发展具有重要的推动作用，近年来，无人工作面开采逐渐受到煤炭行业的重视。自动化技术在煤矿开采工作中得到广泛应用。合理利用多种智能化技术开展煤矿开采操作有利于提升煤矿企业管理实效性。在无人工作面应用采煤机自动控制技术，已成为国内外采矿行业研究的重要课题。

1 无人开采技术研究

1.1 无人工作面自动采煤技术简介

无人采矿利用目前最先进的技术，包括地下通讯，工艺设计，采矿系统，采矿工艺包括自动凿岩，自动装岩，自动卸岩等，技术基础是高速地下通讯系统与高精度地下定位，无人工作面采煤技术是工作在回采工作面以外的地点操控机电设备，完成工作面的破煤、装煤、运煤等各项工序。

无人采矿开采范围广，包括薄煤层可实现刨煤机无人自动化采煤,利用无人工作面开采高瓦斯煤层实现瓦斯的预先释放，保证生产安全。利用现代科技丰富改进传统开采水平，无人工作面在先进完善的顶板监控监测系统下进行。实现资源的合理化配置，生产过程采用先进的自动化技术，生产能力大，效率高。

1.2 无人工作面采煤机智能控制关键技术

实现无人工作面子系统所需的技术支撑，包括采煤机自主定位技术，刮板输送机自动推移技术，井下高速双向通讯技术，数据库技术等。

采煤机工作环境条件较差，采煤机智能控制系统分为机载与远程控制，顺槽监控系统连接不同系统，安装于综采工作面的运输通道中，将处理后的数据传输至地面操作台。视频监控平台基本职能是将井下传输的画面显示于顺槽监控中心计算机。

采煤机开展智能控制基于滚筒高度智能调节牵引速度智能调节，确保滚筒可以工作面为基础开展具体运行操作。预测煤层分布点，用于后期滚筒高度调节操作的参考依据。如高度变化值50mm，采煤机对截割高度自动调节。

智能自适应开采技术模式，根据控制系统指令，由智能感知，支配设备任务动作。工作面支护及各环节采煤操作等无工作人员参与。实施具体的采煤过程感知及控制操作，智能自适应开采技术模式仅适用了个别技术。

自动调度控制目前在研究期间，主要是基于煤炭生产实际需求，经发挥智能控制系统时效性的防渗，经对其开展自动控制方式完成相应生产任务。开展采煤机推进操作中，需将需求量作为基本参数，通过开展综合计算方式获得最终结果。

自适应调高技术在智能自适应开采技术模式中应用广泛，可以发挥较高的实效性。在各环节采煤工作中发挥了重要作用，包括为煤岩界面自动识别感知技术及智能化控制技术，煤岩界面自动识别感知技术是确保无人自动化开采有效性的重要技术，在割煤操作实施时科学调控滚筒高度，有助于提升采煤实效性。但利用此技术不确定性较高。智能化控制技术是基于煤层界面识别曲线实时调节滚筒高度，可为滚筒调节留出更多的时间。

1.3 国内外煤矿无人开采技术研究现状

80年代以来，美国煤炭企业在工作面采用计算机技术，实现工作面三机自动化，90年代后，加拿大，瑞典制定矿山自动化方案，1992年，芬兰采矿工业采用智能采矿技术。

国内科研单位相继开展了采矿机器人，矿山GPS定位等方面的技术研究开发，取得了一定的成效。2004年，山东新汶矿业公司引进螺旋钻机采煤新工艺，可完成在作业面以外的地点破煤，运煤等工序。2005年，大同煤矿集团引进德国自动化刨煤机，实现薄煤层刨煤机综采无人工作面。2007年，山东兖矿集团投产自动化采煤工作面，标志着中国煤炭行业高产矿井建设进入新阶段。

2 无人工作面系统模型

2.1 三机自动控制系统

工作面三机主要包括采煤机，刮板输送机与液压支架，无人工作面的关键技术研究是适合中国煤层条件的采煤机控制系统。采煤机控制系统包括自主定位与自动调高系统。

液压支架电液控制系统集机械，电子，通信网等技术于一身，是目前最先进的支架控制方式，可实现拉架，移架，架间喷雾等随机联动自动化，实现支架本架控制，隔架控制，工作面矿压监测远程控制等。

2.2 三机工况检测系统

三机工况自动检测系统为在工作面安全运行提供可靠保障。大柳塔矿引进的DTB等公司的新型电牵引采煤机具智能监控保护系统，安装有电压，方向，温湿度、机身倾斜等传感器，可检测19个采煤机的参数，实现远近控制、数据采集存储及传输，故障诊断及预警等多种功能。

2.3 灾害预测系统

工作面灾害自动预报系统对井下每层厚度，顶底板岩组合，构造断层，煤层中的地质异常体岩浆侵入体，地温，瓦斯爆炸，地热害及诱发突水等进行监测，利用预测评价软件系统，为保证工作面的生产效率提供地质数据分析，避免因地址条件复杂性造成井下工作面事故，保护井下传感器与精密设备安全。

2.4 采煤-环境安全专家系统

采煤-环境专家可靠系统模型保证无人工作面的高产与可靠性，能判断机电设备与周围环境的状态，保证设备自动工作在最优状态。井下稳定，顶板松软，断层，煤层厚度等是静态地质因素，顶板初次来压计工作面前方应力分布具有一定的规律，无人工作面最大的特征是自动化程度高。三机配套有自动化程度配套。采煤工艺系统为串联每个环节发生故障将造成采煤机停止采煤。

2.5 采煤工艺智能化系统

综采生产高效工作面自动化程度不断提高，自动化生产系统主要设备为三机，三种设备相互独立，基本实现自动化高效安全生产。随着智能控制采煤机与多功能未处理机的发展，增加了采煤机动态控制能力。改变煤机的运行状态参数，无人工作面采煤工艺智能化成为可能。

2.6 采煤模拟系统

无人工作面采矿模拟系统创造三维采矿现实环境，操作人员可与系统进行人机交互，随时穿越任何空间进入系统，系统能输入处理各种信息，模拟自然规律，主要特点是创造与现实开采情况接近的三维环境，获得生产系统运行状况平面图。不同设备动态显示图，包括设备间距离等动态信息，通过对不同开采参数下生产系统进行动态模拟。

2.7 决策仿真系统

无人工作面决策仿真系统是智能型的多层次结构，将地质信息，各种控制与监测系统有机结合。根据操作人员参与活动产生动态的反应操作，使计算机模拟与决策系统能随时根据工作面生产状况信息改变做出迅速反应。

3 无人工作面技术应用

以大力矿业公司为例介绍数字化无人开采技术的应用，采煤工艺选用综采，全部挎落管理顶板，根据矿压参数选取工作面设备，ZY3300/07/13D电液控邻架操纵，SGZ630/220工作面刮板运输机运输能力450t/h,.SPJ-800胶带输送机运输能力350t/h，监控系统采用超低照度，广角视频监控系统，采煤机采用远程监控系统，集中控制室内放置视频检测，三级联动控制系统相关设备。

采煤机远程控制系统采用嵌入式工控机处理采煤机运行姿态信息，采煤机司机在集控中心室通过安装探头提供的采煤机信息实现摇臂倾角，实现采煤机自动化无人干预割煤进刀前，通过采煤机工控机采煤机割煤，程序自动记忆割煤数据，激活技艺割煤功能。采煤机司机确认范刀可用煤机将读取采煤机历史运行状态，通过系统提供的设备运行状态发现异常时，可通过采煤机远程控制系统随时结束记忆割煤功能。

工作面液压支架采用pm32电液控制系统，由井下主控计算机，红外线发射器，耦合器，网络终端器，架间电源电缆，电磁先导阀等组成。电液控制系统具有跟机自动化，领架操作与手动操作等工作方式。

液压支架跟机自动化功能以采煤机位置为依据，由采煤机机空外线发射器与支架安装红外线接收器实现数据采集，红外接收器将检测采煤机位置信息传给主控系统，系统根据采煤机位置信息自动发出命令指挥支架控制器完成操作。

受到采高限制等因素影响时，需采用割顶破底开采，会出现采煤机镐型截齿消耗快，CΙA面积装煤效果差等情况，通过加大滚筒螺旋升角，加设采煤机梨煤板可有效解决。

4 结语

采煤机自动控制技术的应用，对实现高效无人化开采提供了有效途径。对保障生产安全，由劳动密集型向技术密集型转变，具有重大的现实意义。采煤自动控制技术对煤层地质条件要求较高，较适用于顶板稳定的工作面，否则需改用人工操作。为提高无人开采工作面的生产效率，需进一步研究应用多传感器智能截割控制技术等新技术，提高对复杂煤层的适应能力。