试析煤矿综采工作面智能化技术与装备发展

2022-03-25孙明磊刘向鹏王祥剑

科技创新导报 2022年7期

孙明磊刘向鹏王祥剑

（兖煤菏泽能化有限公司赵楼煤矿山东巨野 274700）

当今，在网络技术不断发展和进步的同时，各个领域也将面对新的挑战与发展机遇。传统工业与社会发展联系密切，力争有效统一网络技术，即向网络领域转型发展。我国目前正处在产业结构调整和升级的关键时期，网络技术与传统行业的有效结合势必推动企业的转型发展。煤炭企业受到环境、安全等要素的影响显著，为此，探究煤矿企业和网络技术的契合点，应用综采工作面的智能化技术与装备，确保煤矿开采的智能化和无人化具备非常重大的意义。

1 煤矿综采工作面智能化技术发展现状

煤矿综采智能化属于煤矿领域较为复杂的一种系统，其根本所在是井下控制，这一般要使用三机自动控制，从而使智能化开采实现。当今，工作面智能化技术具备非常多的类别和非常广的分布，然而，其中的关键技术是工作面自动取值技术，这样可以确保巷道装备一直处在正常的受力状态。其中，地理信息系统显得至关重要，其可以及时定位和明确采煤机的位置、参数［1］，实现不间断的导航功能。再者，应用截割模型有利于系统传输数据，从而结合支架电液控制系统进行三机联动控制。当今，陀螺仪和加速度计是应用非常广泛的系统导航及定位技术。在时间的作业中，会通过闭合路径算法将设备累计误差尽量消除，且尽量降低测量和取值误差，确保误差在可控的范围之内。煤炭采出率受到截割区部位的影响。尽管当今综采技术的进步非常迅速，也普遍地应用煤岩界面识别技术，从而可以实时监测煤层动态倾角，这非常有利于工作面管理能力的提升。可是，国内的技术依旧缺少先进性，以记忆截割技术作为支持的装备高度优化方案常常随着煤层走向的改变形成一些缺陷或问题。其他国家往往借助热红外摄像仪进行有关工作，且以此优化工作面，可是，此项研究的应用依旧处在试验期或初级阶段。回采过程中，往往需要工作面跟走向一直维持良好的垂直角度［2］。当今，较为普遍地应用溜坡控制技术，结合液压支架在煤巷中作业，对刀具推进距离进行测算时常常应用激光扫描仪，在此过程中，能够全面地扫描巷道。先进的特殊滤波算法应用于工作面位置确定中，这样可以采集装备整体部位的姿态信息。液压支架控制阀也属于一种重要的设备，电液控制技术属于当今应用最为普遍和先进的一种技术。此外，为了确保煤矿生产的不间断性，往往应用连续生产保障技术等智能化方式，例如，平衡控制技术常常在计算采煤系统负荷数据的基础上实时、动态地开展割煤速度，以及雷达探测与三维扫描等技术的应用也能够防范设备碰撞问题。

2 煤矿综采工作面智能化装备发展现状

经过长期的探索，煤矿综采工作面智能控制领域业已采用可有效地解决设备控制效率低、不统一问题的智能化装备，其可以有效统一环境监测与故障诊断功能及实现计算机集成，从而能够使煤矿综采的智能化控制目标实现。当今，应用非常广泛的液压支架控制方式是电液控制系统，其传感器与控制器常常较难进行集成。然而，智能液压支架存在不同之处，可实现一系列设备之间的有效集成，从而使支架的自动化水平显著提高。该装备有效地应用了机器视觉技术，可以对装备的相对位移进行精准地控制，从而使工作面的“三平两直”实现［3］。此外，作为一种迅速发展、应用广泛的综采智能装备，智能采煤机可以在立足于对各种工艺标准的考量，设置相符合的工种模式，且使采煤过程中一系列设备的联动效应实现。此装备还可以结合传感器获得一系列设备（采煤机等）的动态信息，并且可以融合位置关系数据，以预测装备轨迹，从而可以使系统的联动闭锁控制目标实现。随着煤矿开采技术和方式的改进，煤矿掘进技术也在持续进步。在煤矿生产中，煤矿掘进流程涵盖了主导流程和辅助流程，其中，在工作面直接完成的是主导流程，而确保主导流程顺利开展的是辅助流程。煤矿生产中的掘进装备对开采数量和质量有着决定影响。当今，煤矿掘进重点应用两种方式，即机械掘进和一体式掘进方式。其中，机械掘进方式主要应用自动化控制技术和综合性掘进机械，如PLC 控制装备和悬臂式掘进机［4］。而一体化掘进方式有着掘锚一体化的特性，能够使协同控制、同时支护、迅速掘进、不间断输送的目标实现。在工作实践中，煤矿掘进中会应用信息化技术手段，从而大大提升了掘进设备的智能化与自动化水平，具备非常强的稳定性和优势。总而言之，煤矿企业中逐步广泛地应用迅速掘进系统，这不但降低了掘进工作负荷及人工掘进作业量，而且显著提高了巷道掘进效率和质量。对煤矿开采而言，智能掘进装备的发展和创新非常有利于一体化掘进系统的进步。

3 煤矿综采工作面智能化技术与装备的进展

3.1 综采工作面智能技术进展

3.1.1 综采工作面不间断推进影响因素分析

对综采工作面不间断推进的因素进行分析，应有效统一理论和实际，根据综采工作面的实际情况建构数据模型、统计数据，再对自动化综采工作面的实际情况进行统筹分析，最后对综采工作面不间断推进影响因素的汇总分析报告进行编制［5］。

3.1.2 综采工作面不间断推进技术

综采工作面不间断推进具备两种方式：其一是设计设备工作情况的统计分析程序，统计分析综采工作面设备应用频率、运行时长、故障率等信息，进而判断设备故障问题；其二是应用综采工作面精准控制系统，在推移和控制支架千斤顶时应用高精度定位技术。当前时期，一部分业已取得进展或突破的技术还存在提升的空间，具体如下。

第一，视频监控技术。综采工作面采矿模拟系统结合虚拟现实技术的强化能够对采矿的真实三维环境做出模拟，这样能够实时模拟采矿设备和作业过程，且能够使人机交互功能实现，操作者能够在模拟系统的所有范围和整个过程中实时进入，此系统可以识别物体、输入和处理一系列信息，尤为关键的是能够模拟真实的三维采矿环境，计算机能够呈现煤矿生产的实际动态，进而可以优化和评价生产系统

第二，支架防碰撞技术。防碰撞系统不但可以将视听报警信号探测系统事先发给采煤机操作者，而且其还属于采煤机的安全防护系统。其中，雷达探测防机械碰撞的主要作用是结合雷达探测技术感知采煤机滚筒周围的障碍物，若系统检测到不明障碍物存在于采煤机运行前方，该机器就会暂停运行，然后等待相关工作者进行处置。

3.2 综采工作面智能装备进展

3.2.1 智能液压支架

综采液压支架电液控制系统没有切实统一其液压支架构造，属于生产支架增添的附属品。如果将来有效设计液压支架和电液控制系统为一个整体，实现支架机械构造、控制器、传感器的统一，那么可以减小支架成本，切实使一体化的液压支架构造实现，从而提升液压支架的自动化和智能化发展水平。结合支架远程控制系统远程化控制液压支架，以及将液压支架远程操作台设计在监控中心，能够结合电液控制计算机主界面和工作面视频界面进行远程操作。

3.2.2 智能采煤机

智能采煤机可以结合各种采煤工艺标准实现工作模式的智能化切换，结合微电系统（MEMS）传感器技术对支架和采煤机的运行状态及位置关系信息进行收集，进而对采煤机运行轨迹做出预测，确保采煤机跟其他设备作业的协同化。将采煤机远程操作台安装在监控中心，监测系统可以向操作台传输采煤机位置和作业等信息，然后采煤机视频系统发出指示或命令（升降滚筒等），而数据通信和网络通信向操作台反馈指令信息，进而可以远程控制采煤机。

3.2.3 智能刮板运输机

因为智能刮板运输机可以支撑采煤机，所以其具备平整度与直线度的检查标准。为了实现运煤效率的提升，应对支架和刮板运输机之间的位置及作用关系进行实时检测，并且防范运输机来回滑动，对其位置进行确定。

4 煤矿综采工作面智能化技术与装备发展存在的问题

4.1 缺乏一致的通信平台

通常，综采工作面信息网络仅仅可以传输大数据量的视频信息，而难以传递其他信息，因为一致的通信平台缺乏，一系列系统间未曾切实共享信息资源，所以依旧没有实现综采设备监控信息的共享连接。

4.2 工作面的自动找直难以实现

尽管外国在综采工作面找直方面取得了较为理想的效果，即有效统一长壁自动化系统（LASC）和导航技术，从而以此实现综采工作面设备的水平控制和自动找直功能，可是工作面自动测量技术需要尤为准确的距离值与相对位移值，因为其测量精度不符合要求和标准，所以还没有实现精准化找直［6］。

4.3 综采工作面面临刮板运输机来回滑动的问题

综采工作面具备复杂化的煤层，这导致刮板运输机作业过程中往往顺着综采工作面来回滑动，导致转载机和刮板机间的距离减小或增大，从而导致安全出口缩小和运煤安全等问题。

5 煤矿综采工作面智能化技术与装备的未来发展趋势及方向

5.1 煤岩自动识别技术的发展趋势和方向

针对实施放煤工艺的综采工作面，要想使智能化的工作面开采实现，务必对煤炭放落自动识别技术进行研发，构建相应的数学模型开展探究，并且应用信息技术对控制算法进行识别，从而可以进行自动化放煤作业。当今，已存在的煤岩分界传感系统有20 种之多［7］，涵盖振动频谱传感系统和记忆程序控制系统等，然而，相关系统只是处在理论研究时期，在生产实际中没有得有成功运用。煤矿井下的煤炭环境状况非常复杂，这不利于辨别、准确判断煤岩分界面，为此，研制具备相应分辨率、精准化水平高的煤岩分界识别传感器是自动调高采煤机滚筒的根本所在。进一步分析组合式的调高技术方式是发展方向，记忆智能程序控制技术是外国应用较多的一种技术，并且在实际应用中非常普遍。而当今具备发展前景的一种重要技术是雷达探测技术。

5.2 刮板运输机直线控制和检测技术的发展趋势和方向

巷道与综采工作面这种测量对象的特点是狭长性，在其中错综复杂地分布了液压支架等设备，对其测量的困难较大，再者，受到复杂地理条件和煤层的影响，综采工作面设备的非可视测量难度非常大。一般将激光定位技术应用于综采工作面，然而，基于采煤机切割作业的开展，很多煤尘形成于工作面，从而使测量结论的准确性受到影响。为此，该技术不适用，测量定位设备对测量定位技术的定位精度要求和标准非常高，结合综采工作面的要求，应确保0.01°的角度定位精度标准［8］。

5.3 可视化发展趋势和方向

综采工作面智能化技术和装备在液压支架控制、输送机、采煤机等环节具备可视化发展方向，因此，会研发有关的智能控制软件，可以可视化处理和分析一系列生产信息，从而使可视化控制的需要实现。像是在监测工作面场景上，能够结合全景视频呈现技术采集及拼接视频图像，从而实现可视化管理工作面。当然，工作面直线度判断方面也能够应用机器视觉技术，进而介质CCD、图形处理等技术自动检测工作面状态，从而使“三机”控制很好地实现。