采煤机智能化控制技术优化

（山西焦煤集团岚县正利煤业有限公司，山西 岚县 033500）

我国煤炭资源储量丰富，年开采量多年位居世界第一。随着科学技术的发展，煤矿的智能化开采已经成为了现阶段的主流方向。采煤机作为矿井开采的重要机械设备，其智能化开采是煤矿智能化的关键。只有实现采煤机的智能化开采，才能实现综采工作面的智能化。智能化开采对采煤机要求是可以随着煤层的赋存条件及开采的状态达到自动调节的目的。在采煤机智能开采的技术中，状态感知及智能控制是其核心的技术。此前众多学者对采煤机的智能化开采做出过一定的研究。刘文科[1]对采煤机的智能化控制系统做出一定的介绍，分析了采煤机智能化控制系统可实现的功能，以此为基础对采煤机的智能化控制进行了研究。为实现综采面智能化做出一定的贡献。符如康[2]在结合前人的研究基础上分析了采煤机的智能化感知及控制技术的核心问题，给出了智能化感知及控制技术突破方向。同时引入实时三维的GIS导航技术对其进行优化研究。葛世荣[3]研究了采煤机的智能感知、控制、截割、可视化监控等，实现了采煤机无人操作及远程监控。为建设智能化综采工作面打下重要基础。邱锦波[4]对比国内采煤机的智能化技术和国外技术之间的差距，给出了采煤机的自动化智能化发展的方向。为我国矿井智能化提供了一定的方向。本文在采煤机智能化的需求基础上，对采煤机的智能化控制、智能化截割及智能化感知进行了深层次的研究，实现了山西焦煤正利矿14-1106综采工作面的无人化。

1 采煤机智能控制系统设计

山西焦煤集团岚县正利煤业有限公司14-1106工作面所采用的采煤机为鸡西MG300/730BWD型采煤机，其是通过KTC101Z型顺槽控制台来控制组合开关进行上电和断电控制，其它的控制通过本地控制或者采煤机专用遥控器控制，采煤机机身上有一个监测计算机，用于监测采煤机的运行状态和查询信息。但不具备记忆截割、状态监测和无线通讯等自动化的要求，且采煤机定位精度不高，要实现采煤机自主割煤技术，需要对现有采煤机进行智能控制改造。根据智能化工作面建设的实际需要，对采煤机主控系统进行改造，使惯导系统、智能互感单元、温度检测单元、智能传感器检测单元及智能遥控接收器采集的数据通过CAN总线，传输至主控模块，并通过机载无线WiFi将CAN总线数据及机载视频数据传输至采煤机集控中心，经集控中心采煤机记忆割煤软件、视频监控系统与操作人员协调配合完成采煤机智能化控制，并实现采煤机牵引速度智能控制和采煤机滚筒高度智能控制[5]。采煤机主控系统数据传输见图1，惯导装置及主要智能传感器在采煤机上的位置分布见图2。

图1 采煤机主控系统数据传输

图2 智能传感器位置布置

图1中采煤机主控系统进行改造过程中所涉及的主要单元及模块的功能如下：

惯导系统(INS)是一种不依赖于任何外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系统，具有隐蔽性好，可在空中、地面、水下等各种复杂环境下工作的特点。它是一种无框架系统，由三个速率陀螺、三个线加速度计和微型计算机组成，通过测量采煤机在惯性参考系的加速度，将它对时间进行积分，之后将其变换到导航坐标系，得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置信息等，从而实现井下煤矿采煤机的航向变化及姿态测量。在回采过程中，通过不断的与初始航向角进行比较，实时调整采煤机的运行姿态，并配合液压支架精细推拉管理系统，实现综采工作面三直两平的管理，同时防止刮板运输机发生大的窜头窜尾现象[6]。

智能互感单元主要是用于检测左右截割电机、左右牵引变压器、油泵电机的三相电流，通过CAN总线送到主控模块，实现电机的短路、过载、超温、缺相等保护。

温度检测模块主要是用于检测左右截割电机温度、左右牵引电机温度、牵引变压器温度、油泵电机温度、左右牵引电机高速轴温度，并将其传输至主控模块，用于温度显示及保护。

智能传感器模块用于采集采煤机内/外部开关量、模拟量及高速脉冲信号，通过CAN总线送至主控模块，并接受集控中心输出的指令，实现与之相接设备的控制，对其进行保护。例如惯导系统、振动传感器、倾角传感器、D齿轮传感器、油压传感器、油位传感器、机载瓦检仪等。

智能遥控接收器为无线遥控系统，可实现对采煤机的滚筒升降、牵引启停、系统急停、启停油泵电机及启停截割电机、显示屏翻页、参数设置、故障屏蔽等操作[7]。

2 采煤机智能控制系统改造效果

通过对采煤机主控系统进行改造后，实现采煤机记忆割煤。记忆截割有两个过程，第一个过程先进行学习方式，即由采煤机司机根据工作面煤层高低起伏条件，割示范刀，控制系统将采煤机截割过程的采煤机位置、姿态、滚筒位置、牵引方向，牵引速度、电流、运行等信息存入计算机。第二个过程进入记忆截割模式后，采煤机运行动作和指令再现示范模式存入的运行信息，根据记忆的信息自动调节采煤机割煤高度和运行速度等。如煤层条件发生较大的变化，则由采煤机司机手动操作割煤（作为采煤机位置程序的微调）并自动记忆调整过的工作参数，作为以后采煤机切割时滚筒调高的参数。采煤机将在司机最小限度的干预下自动运行。记忆截割软件模块将液压支架姿态、刮板运输机姿态、采煤机姿态、当前工艺段区间设定值联合运算，将计算所得目标值通过顺槽终端下发到采煤机，配合视频监控及人工手动干预手段，进行采煤机滚筒高度、牵引速度、方向的智能调节控制。

3 效果分析及建议

经多次现场试验，改造后的智能化采煤机系统将14-1106综采工作面的工作人员由17人减少至8人，人工效率提高190.7%，单循环操作时间缩短62.96%，并可稳定实现牵引速度为3 m/s以下的采煤机、刮板运输机和液压支架的协调联动及全自动无人工干涉连续割4 刀煤的成绩，但距离综采工作面实现无人操作还相距甚远。其主要原因是对未采煤层区域内的地质构造不清楚，又没有可以替代采煤机司机的人工智能对煤矿井下复杂的现场作业环境进行准确研判。所以，智能化采煤的下一步方向就是研发一种技术，该技术能够即时“看到”未开采煤层的断层、富水层、顶板来压等地质情况，从而可以提前拟建采煤工作面的回采路径，调整采煤装备的姿态及回采速度，并部署最佳回采方案，实现地质可控、工作面无人的本质安全的采煤方案。

4 结语

采煤机智能化控制技术研究的目的就是为了实现矿井智能化，矿井采煤机智能化控制技术是在矿山地质条件透明化的前提下，应用人工智能，实现井下综采工作面的无人开采及煤机装备的少人化检修。通过对鸡西MG300/730BWD型采煤机的主控系统进行改造做到少人则安、无人则安，实现了采煤机的智能化控制，并取得了一定的成绩，具有借鉴和指导意义。