综采工作面智能化开采技术研究

曹哲哲

(陕西黄陵二号煤矿有限公司，陕西 延安 727307)

0 引言

智能化煤矿的基本构架按层次划分可以分为感知层、传输层、平台层与决策应用层4个阶段。

感知层主要由感知层网络构成，感知层主要实现感知、采集功能，通过RFD读写器、传感器、监测监控等相关通信技术对矿井主要设备的运行情况、重大生产隐患、矿井生产系统与辅助系统是否正常运行进行实时监控[1]。传输层主要由有线接口和无线接口这2个重要架构组成，主要实现数据的传输与反馈功能，将来自感知层的采集数据传输至运行终端，形成可读性较强的数据资料。目前，有线接口主要通过千兆以太网处理运行，无线接口主要以WiFi、ZigBee、WSN等自组网通信技术为核心进行数据的传输工作。传输层能够编译、处理多种制式信号并完成对数据的传输与反馈，是智能化矿井实现高效信息传输通道的重要环节。智能化煤矿平台层是提供矿井基础设施与通用软件连接的服务平台接口，平台层拥有多种类型的数据采集、处理、存储与检索功能，能够高效地完成数据挖掘与数据融合，实现对资料数据的交互控制与统一管理维护，是决策应用层的技术核心与服务接口[2]。决策应用层是基于智能化煤矿生产、运输等工艺开发出的应用系统，具有危险源辨识、灾害预警、事故分析、方案拟定等综合功能，决策应用层是实现矿井生产管理人员与信息采集数据直接接触的关键层，该层能够将各种数据资料整合处理，形成可读性较强、便于生产管理人员阅读、分析的电子类资料[3]，决策应用层系统的关键组成部分主要包括人员定位系统、专家决策系统、网络管理系统、智能生产系统、GIS定位系统等。

1 智能化开采技术特征

1.1 液压支架跟机自动化技术

液压支架跟机自动化技术是指以采煤机的位置为基准，结合矿井开采工艺，依据工作面顶板压力、倾角、液压支架姿态、采煤机运行状态等信息，将整个生产过程划分为不同的阶段，确定合适的割煤工艺，自动决策并控制液压支架中部跟机、端头清浮煤、转载机自动推进等动作，液压支架跟机自动化工艺能够有效保证工作面生产的衔接性，实现安全高效的生产[4]。

液压支架跟机自动化工艺实现的主要条件包括：①采煤机位置的确定；②智能工作面设备处于正常运行状态；③正确配置液压支架电液控制系统的参数；④合理控制采煤机推进速度，保证工作面平稳推进。

1.2 采煤机记忆截割技术

采煤机记忆截割技术是指在实现液压支架跟机自动化的基础上，结合支架跟机阶段和象限转换点，将采煤机记忆割煤象限分割，按照示范刀所记录的工作参数、姿态参数、滚筒高度轨迹，进行智能化运算，形成记忆截割模板，在自动截割过程中不断修正误差，确保工作面液压支架全工作面自动化控制与采煤机记忆割煤切换的准确匹配[5]，实现自动调高、卧底、加速和减速等功能，降低人工干预的频率，提高工作面自动化跟机生产效率。

1.3 工作面视频监控技术

工作面视频监控技术能够将人的视听感官延伸到工作面，通过在工作面安装摄像仪，实时跟踪采煤机，自动完成视频跟机推送、视频拼接等功能，为工作面可视化远程监控提供“身临其境”的视觉感受，指导远程生产。

1.4 远程集中监控技术

远程集中监控系统用于在控制中心对三机、泵站和液压支架等设备进行集中监测和控制，汇总三机、泵站、开关、电液控主机和采煤机主机的监控数据，再将这些数据分发给各个主机。远程集中监控技术系统原理，如图1所示。

图1 远程集中监控技术系统原理Fig.1 Principle of remote centralized monitoring technology

2 智能化放顶煤关键技术

2.1 振动法自动放煤

振动法自动放煤工艺是以振动传感器为核心元件，通过感知识别不同硬度物体相互撞击产生的信号差异，实现对煤矸的自动放落识别，尤其适用于矿井放顶煤开采工艺中煤矸硬度差异较大的情况。振动法自动放煤工艺分析感知流程主要包括：前端滤波平滑处理、电信号去降噪处理以及功率谱分析处理三大板块。智能化工作面安设有多处传感器，需借助信息融合算法对来自感知层采集的数据信号进行编译处理，并将解析处理结果以信号指令的形式传输至液压支架传感器，从而实现对放煤口的开闭控制，完成液压支架的智能放煤工序[6]。

在智能化工作面开采过程中，一般将振动传感器安装在综放工作面液压支架的尾梁处，通过连接装置与液压支架传感器相连，实现数据资料的传输与交换，在放顶煤工艺中，振动传感器通过感知识别煤矸放落时煤矸撞击尾梁的振动信号，对煤矸的状态进行分析识别，待识别完成后，通过连接装置将识别结果传输至液压支架传感板块，判断煤矸放落的情况，当煤矸放落程度满足系统定义的放落阈值时，由支架控制器执行放煤口的关闭程序，实现智能化自动放煤。

2.2 记忆模式自动放煤

记忆模式自动放煤是区分于振动法自动放煤工艺的另一种智能化放顶煤工艺，主要适用于地质条件稳定、区域构造良好、采煤工艺变化不大的生产矿井，放顶煤工艺具有一定的机械重复性与单调性，实现智能煤矿记忆模式的自动放煤，需利用采煤机的记忆截割功能，将采煤机记忆割煤象限分割，按照示范刀所记录的工作参数、姿态参数、滚筒高度轨迹等基础信息，进行智能化运算，形成记忆截割模板与完整的自动放煤程序，进行记忆放煤[7]。

在智能化工作面开采过程中，一般需将自动放煤控制器安装在液压支架上，利用放煤控制器的采集信息功能，将采煤机在现场示范进刀的工序、时序以及工作参数等关键信息进行记忆存储，最后通过智能化处理运算，形成记忆截割模板与完整的自动放煤程序，实现智能化自动放煤。

3 智能化开采技术难题及应对措施

3.1 采煤机智能调高

采煤机智能调高是指采煤机根据不同煤层赋存情况自动调整摇臂高度，从而实现对煤层的精确截割，目前，智能化采煤系统主要通过记忆截割模板实现对采煤机摇臂高度的精确调节，该工序主要通过固定模式的截割曲线进行自动截割，无法适应煤层赋存情况复杂、变化趋势较大的矿井生产。

从控制逻辑的层面分析，要想提高采煤机截割的精确度，需要实时感知煤岩体的分界面，实现对煤岩的精准区分与识别，由于煤岩体的赋存情况、物理特性具有极大的不确定性，加之雷达探测、红外线探测等探测技术的影响难以实现精确的控制，因此，单一基于煤岩体分界面识别的采煤机智能调高技术并不能有效地适应煤矿智能化生产，要想实现对采煤机截割的精确智能化控制，应探索基于煤层地质信息精准预测、智能模拟模型推演、截割参数动态分析以及最佳截割曲线智能拟合方面的技术工艺，从而完成对矿井生产的精确化控制[8]。

3.2 液压支架群组与围岩自适应

液压支架群组是煤矿进行机械化开采的关键性生产设备，目前，矿井基本实现了对液压支架群组动作调整的自动化，但是针对支架动作准确度、一致性的控制，还存在着诸多不足，因此，对液压支架群组与围岩的智能耦合自适应的研究是必要的。

要实现液压支架群组与围岩的耦合自适应，要求液压支架具有自主感知、智能调整支护参数以及随工作面采动情况实时改变支护状态的功能，液压支架群组协同控制逻辑，如图2所示。

图2 液压支架群组协同控制逻辑关系Fig.2 Logic relationship of hydraulic support group cooperative control

当前，为更好地实现液压支架群组与围岩智能自适应功能，需在以下几方面进行研究创新。

液压支架群组智能控制：目前，大多研究工作都以单个液压支架为研究对象展开，而对液压支架群组的支护特性鲜有研究，由于工作面矿压具有一定的不确定性与非均匀性，因此，要实现对整个回采工作面的合理支护，必须将液压支架群组作为重点进行深入研究，其研究方向可归纳为①研究液压支架群组支护参数与支护应力场分布特性的关系；②研究液压支架群组支护阻力变化规律；③建立液压支架群组与围岩的智能耦合条件[9]。

支架状态自主感知功能控制：当前液压支架的自主感知控制功能主要依据立柱压力感知，对工作环境、岩层破坏程度的探测以及支架顶板破断情况感知功能方面尚有很大的提升空间，优化支架状态的自主感知控制功能，还应在提高工作面仰/俯角自动监测、健全液压支架关键位置受力情况分析以及对工作面超前压力的提前感知预报等方面展开深入研究。

支架结构自主调控控制：要实现对支架的智能化控制，优化支架的初撑力、工作阻力、护帮力以及推移速度是最重要、最关键的，在当前阶段，矿井应加强对传统支架结构的创新性调整，增强液压支架的可调节范围，以便适应特殊地质环境下对不同采高煤层的开采工艺。

3.3 工作面直线推进控制

液压支架群组在推移的过程中受到工作面地质构造、工作面仰、俯采及浮煤对刮板输送机推移行程以及推移耳轴的配合间隙等诸多因素的影响，每次推进距离都存在一定的偏差，累计的偏差往往会造成各液压支架推移进度不一，刮板输送机呈错落不齐的状态，影响工作面沿直线推进的现象，产生液压支架“咬架”、刮板输送机弯曲、哑铃销损坏等破坏，严重影响工作面安全生产的效率。当前，多数矿井主要通过拉线和红外光束确定工作面直线推进的尺度，根据实际测量情况利用人工对刮板输送机进行调直，该技术工艺效率较低，难以适应工作面智能化开采的需求。

针对此类难题，引入激光对位技术和惯导定位技术对工作面进行直线度智能化控制，其中，利用惯导定位技术应用效果良好，基本实现了对工作面直线推进的智能化控制，该技术在采煤机上安装陀螺仪，实现对采煤机的精确定位，在采煤机的推进过程中，实时记录采煤机的截割情况并绘制截割轨迹，液压支架根据绘制的截割轨迹对推移行程进行修正，通过三方联动实现工作面的直线推进。惯导调直采煤机轨迹曲线示意，如图3所示。

A-修正后采煤轨迹线；C-实际采煤机轨迹线；B、D-理想轨迹线图3 惯导调直采煤机轨迹曲线Fig.3 Track curve of inertial navigation straightening shearer

4 结语

随着计算机技术的发展，生产的智能化已被应用于各个领域，近年来，随着科学技术的进一步发展，使智能化走向煤矿开采工作面得以实现，文中着眼于智能化工作面的建设，详细阐述了智能化煤矿开采关键技术，以液压支架电液控制系统为基础，形成了以液压支架跟机自动化技术、采煤机记忆截割技术、工作面视频监控技术、远程集中监控技术、自动放顶煤技术为核心的五大综放工作面智能化开采技术。对当前智能化开采存在的技术难题进行分析与思考，提出采煤机智能调高、液压支架群组与围岩自适应以及工作面直线推进控制等相关技术手段，旨在为智能化矿井的建设与推广应用提供一定借鉴与参考。