综采工作面智能化开采关键技术研究

成文福 孙志平

（国家能源集团国源电力有限公司，北京 100033）

煤炭作为我国当前阶段市场经济发展过程中最为基础的能源之一，在我国能源资源消费总量中所占比例高达94%，为我国国民经济的发展提供了坚实的能源保证。根据开采方式的不同，目前国内煤炭开采方式一般可以分为露天开采和井工开采2种。井工开采模式在我国的应用最为普遍，所占比例＞90%。作为井工开采过程中至关重要的生产空间，采掘工作面对于煤炭开采的整体效率具有决定性的影响。通常情况下，采掘工作面包括掘进工作面和回采工作面2种。两者的比例一般为3∶1左右。现阶段，回采工作面的机械化程度普遍较高，通常在90%以上[1]。事实上，随着当前阶段综采工作面智能化技术、自动化技术以及信息化技术的不断发展和完善，综采工作面的整体生产效率得到了极大的提升，但是在客观上加剧了矿井采掘衔接矛盾，给井下生产作业的安全性带来了较大的负面影响。除此之外，煤矿灾害事故多集中于采掘工作面。从相关部门提供的统计数据来看，掘进事故在近年来我国煤矿安全事故中所占比例高达40%以上，是目前国内煤矿重大事故的多发点。在当前的市场经济环境下，我国井下作业煤炭综掘工作面的工作人员，仍然面临着高湿度、高粉尘以及高噪声的操作环境，同时存在瓦斯爆炸、地压冲击以及底板突水在内的多种高风险因素。从该角度来说，采掘工作面不仅是当前阶段煤炭开采过程中工作环境最为恶劣、安全性最低的工作场所，而且是自动化水平最低的作业环境。因此，对采掘工作面自动化技术进行研究，具有重要的现实意义和理论价值。

1 智能化开采技术的应用现状分析

与国外发达国家相比，我国煤矿综采工作面智能化开采技术相对落后。但是，经过多年的发展，国内煤矿综采工作面智能化开采技术已经逐渐被应用到煤矿生产工作中[2]。借助煤矿综采工作面智能化开采技术，煤矿企业的日产量大幅提升，开采效率提高，同时智能化监测方式的使用也进一步延长了煤矿的开采时间[2]。随着我国煤矿开采技术的发展，煤矿自动化开采效率与可靠性大幅提升，煤矿开采技术逐渐向智能化方向发展，煤矿开采设备利用率大大提高，伤亡事故率大幅降低[3]。当前国内煤矿综采工作面智能化技术主要包括远程管控采煤技术和智能无人采煤技术。

煤矿综采工作面工作环境通常比较复杂，工作空间较小，周围环境的温度和湿度较高，同时还有大量的煤尘。技术人员在操作时如果遇到瓦斯爆炸、透水等事故时就会产生伤亡事故。煤矿综采工作面设备系统复杂，依靠人工操作不可避免地会出现一些操作不当的情况，使设备安全性得不到保证。因为不同设备的运行状态是独立的，相互之间不能有效融合，也不能集中控制和处理，所以加强时煤矿综采工作面智能化开采技术的研究具有非常重要的意义。

当前国内煤矿综采工作面智能化开采技术中存在以下3个方面的问题：1） 综采自动化与智能化设备的可靠性较低，尤其是一些高精度仪器的关键元器件、部位可靠性仍存在差距。2） 综采过程中精准定位、煤岩界面区分、三维地质模型模拟等发展还存在很大的不足。3） 煤矿生产系统的布局与优化、自动化开采配套设施上线使用和综采智能化技术发展之间还存在差距，甚至在一定程度上制约了综采智能化技术的应用。

2 综采工作面智能化开采技术体系设计

2.1 综采工作面智能化开采工序

煤矿综采工作面智能化开采体系以煤炭为输入对象，以煤炭、支护巷道为输出对象，以传感器、控制器和视频等为基础，通过电液控制模式实现智能化开采[3]。因为煤矿综采工作面的信号较多，并且有些信号之间存在一定的交叉，所以信号繁杂。综采工作面智能化开采包括探测工序、生产作业工序和视频工序。其中，探测主要对岩层、地质和瓦斯含量等进行测量；生产作业分为煤炭切割、巷道支护以及输送等；视频包括瓦斯检测和供电排水等。

2.2 综采工作面智能化开采控制系统

煤矿综采工作面智能化开采控制系统主要包括视频监控系统、围岩探测系统与生产控制系统块3个子系统，具体如图1所示。

视频监控系统借助虚拟现实基础建立三维采矿环境，实现对采矿工作的模拟。通过视频监控技术可以实现与操作人员的互动，了解不同模拟空间的运行情况。视频监控可以对空间的状态、物体运行情况以及周围事物进行了解，实现相关运行设备的动态化图像监控。

图1 采掘工作面智能化开采控制系统图

生产控制系统以采煤技术需求为基础，可以设计多种运行方式，实现对联动管控刮板运输机与支架的协调。通过先进的传感技术实现采煤机支架运行状态信息采集工作，对采煤机具体位置和运动轨迹进行预测，使闭锁采煤机和其他设备可以有效联动。通过应用智能采煤机设备可以对煤炭分界进行自动探测，以采煤技术为基础形成系统化的煤炭开采体系。监控中心的采煤机远程操控平台可以对采煤机的位置进行监测，并且对采煤机的运行情况进行了解。然后，煤矿机器人与智能化装置可以替代原有的人工运输方式，促进运输系统的智能化。煤炭、材料与补给的智能化控制会受到综采工作面的空间、搬运等的影响。

围岩探测系统主要对采煤机周边的围岩情况进行自动探测。随着智能化控制技术的发展，新型煤炭开采设备逐渐被应用到生产中，煤炭产量大幅提升，由于瓦斯随之大量涌出，因此对回采巷道断面提出了更高的要求。大断面巷道与普通断面巷道破坏规律相同，在巷道开挖后需要采取有效的支护措施，避免巷道破坏区与塑性区变大。破坏区和塑性区的扩散也需要时间，如果能及时对煤炭巷道采取高预紧力锚杆支护措施，就可以提升煤炭的峰值和强度，保证巷道稳定。所以，采用高预紧力锚杆支护是围岩变形控制的关键。在进行综采面智能化开采时需要对巷道变形进行探测与智能控制，对大断面巷道围岩稳定机理与变形进行分析，实现对围岩变形的及时预测，达到智能化控制煤炭开采的目的。

2.3 综采工作面智能化的实现

2.3.1 全自动控制启停技术

以一键启停为核心的全自动启停技术，在实际应用过程中能够有效控制掘进面的相关功能，例如泵站启停、刮板输送机启停等。通过对工作面综采设备的整体运行工况的实时监控，相关操作人员在发现问题后可以快速切换到手动操作模式，对设备的运行模式加以干预和控制。

2.3.2 自动化高效协同技术

在实际的应用过程中，行走编码器和行程传感器的有效配合，为采煤机智能控制系统的正常运行提供了基础性的支持，是记忆割煤、远程干预等功能顺利实现的基础。根据存储系统中的记忆曲线，结合调高系统的反馈信息，调整滚筒的位置参数，然后借助编码器的记忆运算能力，对采煤机的整体运行距离进行计算，最终完成煤炭的自动切割、开采。按照工作视频以及主机系统所提供的信息，操作人员可对其进行远程控制。同时，增加了多个传感器，例如护帮板传感器、倾角传感器和测高传感器等。其中，护帮板传感器主要用于判断护帮收起的位置是否符合要求，避免液压支架影响煤炭采割。在单个支架移动时间为15 s 的情况下，可支持采煤机以0.1 m/s的速度前进。采煤机按照记忆曲线的“象限”分割，精确整合支架全工作面和采煤机阶段点，为煤炭开采自动化水平的有效提升提供了极大的支持。

2.3.3 三控融合技术

在实际操作中，需要串联控制系统、CST控制系统以及自动化控制系统。在实际的应用过程中，CST自行控制CST离合器流量、输出比例、输出温度、比例阀输出以及输出压力等相关参数，并且在出现故障信号后可自行停车。监控系统在这里主要负责皮带的带速、张力以及烟雾等相关保护参数的控制。综采SAM系统将多种信号进行有机融合后，实现对操纵指令的收发。从整体上来说，系统负责开停机信号、执行语音；自动化控制系统提供指令；CST根据命令按照“三控”逻辑方式运行，从而提供一键启停功能。

3 综采工作面智能化管理体系构建

3.1 顶底板生产工艺体系构建

3.1.1 数据处理

采区煤层数据中增加生产实测数据，提高顶底板数据的精准性，同时通过一定的算法对采区煤层进行剖切，获得顶底板剖面数据。

3.1.2 顶底板模型环境建立

结合综采面边界数据，建立综采面顶底板模型环境，达到不同条件下顶底板数据转化的效果，为顶底板模型环境建立提供基础。在一定条件下，通过计算机算法将顶底板数据以工作面推进的顺序进行排列，产生相应数据链，促进顶底板模型的建立，方便后期数据获取。

3.1.3 顶底板生产工艺模型构建

在对顶底板数据进行处理之后，采用科学的模型构建方

法直接决定了综采面生产工艺模型的成败。在使用AutoCAD进行分析后，可以看出顶底板模型分为直线、多段线和曲线等。该文所采用的顶底板生产工艺模型构建方法具体为，通过数据构建多段线，把多段线拟合成圆弧样条曲线，在该基础上建立煤层底板剖面模型。

3.2 采煤机生产工艺体系构建

采煤机生产工艺也是综采面生产的关键环节。

3.2.1 数据来源和处理

采煤机生产工艺模型中的数据包括2个部分，即一刀煤顶底板剖面模型数据（主要指一刀割煤顶部的实际截割线和割煤底部实际截割线数据）和采煤机模型参数，这2类数据对采煤机是否可以正常运行有直接影响。按照数据的来源把采煤机生产工艺数据划分为2类，把不同数据按组进行编号，得到采煤机生产过程数据链，为后期数据的获取提供方便。

3.2.2 采煤机生产过程环境构建

采煤机进道完成以后，开始进行正常割煤时，采煤机应在1个平面内进行作业。建立采煤机生产过程环境，为采煤机模型构建提供方便。在过程环境构建时，以采煤机推进方向作为X轴正方向，顶板方向作为Y轴正方向，建立采煤机生产过程环境。

3.2.3 模型构建

顶底板模型通过单位圆弧来建立，采煤机三维模型包括前后滚筒、摇臂和截齿等部分。在对采煤机割煤工艺进行分析后，按照单位圆弧半径大小建立相应的采煤机滚筒模型。如果采煤机滚筒半径小于单位圆弧半径，那么可以通过单位直线模型来代替单位圆弧模型，如图2所示。

采煤机滚筒割底煤模型和割顶煤模型类似，也包括上述几个部分，可以将滚筒模型设置在底板模型上。以一刀煤顶底板剖面模型为基础进行采煤机滚筒割煤模型误差分析。在该文的研究模型中，误差来源包括2种，1种是用直线模型代替圆弧模型产生的误差，还有1种是顶底板单位圆弧用单位直线模型进行替代时所产生的误差。

图2 滚筒割煤模型

3.3 液压支架生产工艺体系构建

3.3.1 液压支架生产工艺数据来源

该生产模型数据来源包括液压支架三维模型数据、顶底板模型数据和刮板输送机单元模型数据。

根据液压支架移动原理，按照液压支架生产工艺过程确定液压支架升架和降架为同一模型，具体几何关系如图3所示。

3.3.2 液压支架生产工艺体系模型构建

液压支架生产主要分为降架、移架、升架和支架微调等。以液压支架生产工艺为基础，通过支架移动原理分析把支架升架和降架构造为同一模型。

采煤机割煤作业开始以后，要做好支护，调整液压支架位置，确保工作面支护有效。

图3 液压支架升降模型

3.4 刮板机生产工艺体系构建

3.4.1 刮板机生产工艺体系构建数据来源

因为刮板输送机和液压支架互为支点，所以刮板输送机的数据来源包括液压支架推溜数据与自身输送数据2个部分。

3.4.2 刮板机生产工艺体系模型构建

刮板机液压支架推溜工作主要通过液压支架和刮板输送机共同作业完成，推移步距和采煤机的截深相等。

4 结语

智能化技术是我国煤炭生产无人化趋势的必然要求。随着煤炭自动化开采水平的不断提升，现阶段对采掘工作面智能化控制系统的性能提出了更高的要求。巷道监控中心引入网络数据传输视频信号，极大地提高了实时监控的效率；而采掘装备自动化水平的全面提升，也提高了采掘效率，降低了人工成本，进一步推动了煤炭开采技术的安全、智能化发展。煤矿推进智能化开采是保证安全生产，降低作业人员劳动轻度，提升煤炭产业工人幸福指数的重大变革和历史性转变，是国家的要求，也是企业的需求，更是广大煤炭产业工人的需求，一定要大力推动5G、智能装备和精密监测监控等设施的升级，早日全面实现智能化开采。