面向工程实践能力培养的煤矿综采成套装备实验系统建设与应用

2022-05-08谢嘉成王学文郭永昌廉自生

科技创新与应用 2022年12期

谢嘉成，王学文*，郭永昌，廉自生

（1.太原理工大学机械与运载工程学院，山西太原 030024；2.煤矿综采装备山西省重点实验室，山西太原 030024）

在新工科、工程教育认证和一流专业等大背景下，要求机械工程的毕业生掌握课本理论知识，并具备一定的工程实践能力[1]，能够解决复杂的工程问题[2]。其中，工程教育认证2020版认证标准中明确提出了“工程知识”“问题分析”“设计/开发解决方案”“研究”等12点毕业要求，着力全面提升学生的综合实践能力[3]。工科背景学生综合能力的提高离不开完备的实验实践条件[4]，但在当下疫情进入常态化的大背景下，校外等一线的工业现场实习与实践受到限制，“云实习”“校内实习”“虚拟仿真实习”等纷纷进入课程体系[5]，成为替代解决方案，但效果均不太理想。因此，如何在实验室条件下建设完备的且具有工业现场的实践和实验条件，成为工科实践亟待解决的问题。太原理工大学机械设计制造及其自动化专业，以智能煤机装备为背景[6]，服务山西省“能源革命”的转型战略需求[7]，如何高质量、高标准地培养出新时代“智能+”背景下的合格机械工程背景专业毕业生，成为了重要的教学研究课题。

而涉及到煤机装备，由于煤矿环境危险[8]，学生到矿井生产现场实习存在影响安全生产和自身安全难以保障的问题[9]，缺乏实验和时间场地是智能煤机装备方向所面临的重要问题[10]。因此，能在实验室条件下布置一套综采装备实验系统成为了可行性方案。因此，一些高校建立起了采煤机和液压支架等单一综采设备模型，或者构建了一些缩小版的综采工作面模拟系统[11]，为学生学习相关知识和进行实践提供了良好的基础[12]。但存在的问题如下。

（1）体现不出真实的配套关系：三机配套要求很高，对于学生理解井下设备运行的工艺、动作、静态动态和配套尺寸等具有重要作用。（2）体现不出真实的电气、液压的驱动关系：学生本科阶段学习了机电传动、液压传动等相关知识，正好需要在实物上进行操作学习，而液压电气系统较为复杂，为节约成本，模拟实验系统多采用简单的系统驱动，如液压支架的立柱油缸等换成了气动驱动，电机驱动也配置了简易电机，体现不出真实性。（3）没有体现出系统性：不能系统认知整体工作面的运行状态。综采工作面是一个大系统，机械、电气、液压、供电、安全等有机结构，当前体现不出这些关系。（4）与智能综采相差较远：智能采煤近年来发展迅速，而当前的模型试验台距离智能化相差太远，有的液压支架还是手动操作，连电液控制都没有达到，更不要说现代化的集控中心。

为此，笔者在长期积累的煤机装备领域教学、科研及产学研合作资源的基础上，通过产学研合作的方式联合共建“煤矿综采成套装备实验系统”，并进行了升级改造，旨在建设自动化综采工作面实验室，在实验室配备成套综采工作面开采设备，建设一个小型的综采工作面作业环境，通过改造并配套自动化核心部件和装置，实现该试验综采工作面的自动化采煤。满足本科生实践教学能力的培养，并在该工作面通过不断的试验和研究开发新的综采工作面自动化部件和装置。建设完成的这套设备需为本科生身临其境的进行教学实习、科学研究以及企业智能化综采技术培训提供基础。

1 改造动力

煤矿综采装备及系统属于大型设备、系统极为复杂、成本高，建设一套高要求的实验系统难度极大，因此首先需具备改造动力，产学研合作各方才能协同完成。

1.1 本科教学的动力

智能煤机装备方向实践能力培养，首先会考虑到安全问题，下井到工业生产现场认知实践和煤机装备生产企业。实习时间受到限制，女生不能下井，只能粗略浏览和走马观花，只能进行一个认知，进行不了细致和深入的学习与研究。对于本科生的诉求来说，一般而言不会选择煤矿作为工作单位，但煤矿机械装备井下工作恶劣，其可靠性和复杂性较传统机械有过之而无不及，其涉及到的相关设计与制造理论和通用机械设备也有相似性。因而，对于本科生来说，激发其学习动力，以煤矿机械装备为背景进行学习，把课本上学习到的理论知识付诸实践，对于其以后从事其他机械行业背景的工作，有相当大的好处，可有效提升其实践能力。

因此，在实验室条件下建立一套和井下完全一致的小型综采工作面设备非常关键，且和相关专业课、课程设计、毕业设计进行紧密结合，能够取得积极的效果。现在读研率越来越高，而机械设计作为本学科的最重要方向之一，会吸引很多同学进行读研和读博。因此，总体来说，学生有认知和学习的动力，会选择本方向进行深造。他们在进入研究生后，因为有了本科生的相关知识能够快速进入课题，随之也转化为科研需求。

1.2 科学研究的动力

对于老师来说，发现的问题、研究的问题越前沿，对于本科生的指导意义越大，教学和科研两者相互促进。深入煤矿井下一线工作面，发现相关问题，基于自身专业背景与基础知识进行解决，是本方向老师的基本科研动力。

而直接在煤矿进行试验受到防爆、安全等限制，在实验室条件下搭建出能模拟井下工况的相关试验台显得很关键，能安全进行各项问题研究，研究完成后再在井下现场进行相关试验。因此，老师们有建立地面综采实验系统的需求。

1.3 企业发展的动力

为了推进煤矿综采装备智能化发展[13]，加快智慧煤矿建设，提高煤矿一线人员的智能化技术水平，煤炭生产和煤机装备制造企业要想进行发展，重要的是智能化人才的培养、企业培训，全方位提高自身的素质。而在井下操作与培训也受到极大限制。而在地面上只进行理论培训，也很难取得满意效果。因此，在实验室条件下能进行与井下工作环境一致的实训操作环节训练也很关键。所以，企业在构建地面综采系统上也有较大需求。

1.4 科普需求

国家科技部和山西省科技厅规定，每年的省重点实验室需要承担相关的科普性工作，一般会开展实验室开放周活动，社会各界、学生等都有意愿看井下的实际条件。

2 建设总体方案

如图1所示，在政策、学生、教师、企业等条件保障下，从装备、信息化、配套设备、基础保障条件等进行实验系统的升级改造，改造后可以完成综采工作面整体认知、装备配套与设备结构关系、机电信息、动力学和运动学方面工作。最终进行以提升本科教学人才培养中实践能力为核心的“1”的应用，再辅之以科研应用、技术培训和科普应用“3”方面的应用，形成“1+3”的应用体系。

图1 改造运行思路图

3 改造方案设计

3.1 整体装备设计

设计目标是在实验室建设一个30 m长的小型工作面，基于某矿业公司与我实验室进行产学研合作，将一套在井下服役过的采煤机、刮板输送机、液压支架、转载机、破碎机加之实验室原来拥有的皮带机、乳化液泵站等，放到了实验室，完整再现了井下综采工作面的真实设备。

在设备到货前，提前准备大型钢板铺在实验系统下方，对1 140 V的高压电进行设备改造，购买移动变电站等，课题体现出一个完整工作面的相关效果。

在收到的104份统计结果中，有64.8%的志愿者为在校研究生，其余本科生各个年级均有分布。被调查者所学的专业种类丰富，涵盖英语、通信、材料、机械、电气、法律、电子、旅游管理、港航等十余个专业。志愿者们英语水平总体较高，73.8%通过了英语专业八级或大学英语六级，37.7%通过专业英语四级或大学英语四级，另有通过上海中口、BEC中级或人事部翻译资格考试三级口译等。

3.2 装备改造

有了设备后，由于是井下废旧设备，首先需检查设备是否完好，满足基本功能要求。尽管与现在使用的自动化程度较高的设备在机械结构上大致不变，但在控制方式、传感器安装等方面差别较大。例如，液压支架仍然是传统地通过人为扳动操作杆进行操作，与现在的电液控制操作方式截然不同。因此针对几大设备分别进行了相关改进。（1）针对采煤机，将原各控制信号采出到PLC中，经过无线传输，配备遥控器和远程操控按钮，实现远程控制、数据采集等功能。（2）液压支架进行电液控制系统改造，并集成相关姿态监测传感器，实现与采煤机及刮板输送机协调控制。（3）其他，配套了一套小型的乳化液泵站系统，该系统配备一套储能器，保证液压系统的稳定供液。

3.3 信息化智能化改造

传统井下工作面设备主要通过多个工人进行配合操控。而当前，智能化工作面已通过高度的信息化、高精度的感知元件和集中控制的方式进行操控，因此需进行信息化和智能化改造。

本系统网络结构图如图2所示，建立了一个有线通讯与无线覆盖相结合的通讯网络平台构建技术，实现装备间的互通互联，加装了集中控制中心，配备工作面智能控制系统和视频监控系统，具备井下综采成套装备实际工况运动学的能力，模拟井下工作面的生产现场。在试验大厅距离不远的办公楼的会议室，也同样安装了远程调度大屏幕，模拟地面的远程调度中心，并可以通过井下通讯网络实现远程自动化采煤，完全具备了井下高水平智能化综采工作面的建设标准。

图2 煤矿综采成套装备实验系统网络结构图

3.4 总体完善

为了能够进行改造，还安装了相关防护栏，在上面粘贴了智能化设备及系统的最新科研成果框图。实验室还专门安排一位实验人员负责安全，配备实验演示员规范性地操作实验，为本科生进行相关培训与讲解。添加了视频监控，24 h对设备进行实时监控，保证安全，取得了积极的效果。

3.5 改造成果

如图3所示，改造后的实验系统可完成现代智能工作面的展示，无论从装备布置、装备结构，还是通讯、信息、监测、控制等装置方面均尽量还原真实的工作场景。

图3 煤矿综采成套装备实验系统

（1）装备结构与运动学：完整再现采煤机、刮板输送机、液压支架的全部基础知识，其工作原理、内部结构传动、作用动作等。可展示设备完整的静态与动态配套关系，采煤工艺流程等。在完成采煤机单机远程监控的基础上，集控中心还能将其他各单机或子系统信号采集回来，进行综合协调，根据工艺、实时配套运行条件和突发情况变化等，实时调整三机运行条件，完成不同运行工况条件下的自动采煤和协同运行。（2）自动化监控：在会议室模拟量地面调度中心，完全模拟和实现了井上和井下的监控效果。

4 系统应用

4.1 本科生教学应用

综采工作面中的采煤机、刮板机、液压支架占到了基本课程2/3以上的内容和相关知识点，其中包括煤岩的机械物理性质、掘进机械、采煤机械、支护设备的结构、工作原理的课程。相关培养环境如下。

（1）采掘运装备课程教学（包括实验教学）：本课程核心是通过课堂学习采掘运装备的基础理论知识，特色在于实验室条件下的真实设备参观进行认知实验。（2）采掘运装备专业方向课程设计：基于课堂所学理论知识进行采掘运装备的设计与绘图。（3）采掘运装备毕业实习：前往企业参观煤机装备生产车间，深入学习装备的结构、功能、生产和应用中的相关内容。（4）采掘运装备毕业设计：利用本科课程掌握的机械专业知识和相关参考文献，解决采掘运装备实际应用中的复杂工程问题。

以一位同学为例，该生在大四经过采掘运机械课程的学习，了解了液压支架在井下工作的具体作用和问题，产生了浓厚的兴趣。在课程设计中，又以实验系统中的ZZ4000/18/38液压支架设计理论与实践为背景，开展整体支架的设计。毕业实习又前往相关的煤机装备厂家进行实践与学习。本科毕业设计又以“液压支架的虚拟监测”液为题开展研究，在实验系统相关支架上布置传感器进行相关研究。其研究成果在中国机械行业卓越工程师教育联盟“恒星杯”毕业设计大赛中获得佳绩，获得校级优秀毕业设计。

在本科生教学中，常常会遇到理论与实际脱离的情况，利用本系统可以使学生生动形象地了解采掘运装备各部分的内部结构与实际工作中的工作流程，被机械、矿业为主体的学生群体广泛接受，受到好评。已运行5 a，承担了本科生1 000人的课程实验培训、课程设计、毕业设计辅导等工作。基于此，学生的实践能力得到了大幅提升。以此为背景开展本科毕业设计相关工作，也取得了很好的效果。

4.2 科研应用

研究生教育阶段，依托实验系统，已改造了煤岩截割、位姿监测、液压驱动、远程集控、液力传动等以煤矿综采装备为背景各种实验台，充分为煤矿综采装备的难题和技术问题提供全面支撑。

已连续3年培养出校级优秀毕业生，培养研究生在17～20级综合成绩均获取过全院第一，且成果显著：发表SCI/EI论文7篇，其中SCI二区1篇；发明专利3项；主持研究生项目4项；获得研究生国家奖学金4次，学业奖学金特等奖1次。积极参加研究生创新实践系列大赛，包括数学建模大赛、机器人创新设计大赛等赛事取得佳绩。其中研究生毕业升学985、211高校博士5名，证明培养模式在不断的优化。

4.3 智能化培训应用

为了推进煤矿综采装备智能化发展，加快智慧煤矿建设，提高煤矿一线人员的智能化技术水平，某矿业集团与我校利用双方共同创建的智能化煤矿综采装备实验系统，开展煤矿综采装备智能化技术培训工作。面向的对象包括煤矿综采生产管理人员、运维人员技术、设备操作人员和应届毕业新入职大学生等4个层次。培训的内容主要包括：除理论学习实践外，还在本系统上进行相关实操训练。

培训相继进行了10余期，涉及人数超过600人，均成为该煤炭集团中各煤矿活跃在一线的具备智能化能力的相关业务骨干。当前已有多个煤矿完成了智能化改造，这些培训学员在工作岗位中基于理论学习与实践，并结合自己的聪明才智积极投身智能化矿山的建设，已经有1个煤矿和3个工作面建设等通过山西省的智能化工作面验收[14]，有的甚至成为成为国家级的示范矿井[15]。某培训学员还在山西省“我为转型发展做贡献”演讲大赛中，结合智能化培训的相关经历进行演讲，获得了三等奖的好成绩。

4.4 科普应用

山西省科技活动周活动已延续8个年头，每年的5-6月，山西省国家和省级重点实验室将集中面向社会各界有组织地开展成果和科研条件展示、科普讲座、开放实验、学术交流、参观访问等形式多样的公益性公众开放活动。本系统作为煤矿综采装备山西省重点实验室的主要展示内容，在每年省重点实验室开放周期间受到了广大群众与部分科研单位的青睐，效果明显，共接待了教师、工人、科研人员、大中小学生等各类社会群体，完成了上千人的科普工作。