无人工作面的采煤机智能控制技术研究

2023-02-08张捷睿

当代化工研究 2023年1期

＊张捷睿

（山西省地宝能源有限公司山西 030045）

煤矿的发展对于促进国民经济的发展起着举足轻重的作用，近几年，煤矿企业越来越多地关注着这一领域。自动控制技术已被普遍地用于矿井生产。在矿井作业中，充分运用各种智能技术，对提高矿井生产经营的实效性具有重要意义。将采煤机械的自动化技术用于矿井无人作业，已经是目前国际上煤矿工业所关注的一个主要内容。

1.无人开采技术研究

（1）关于无人工作面自动采煤技术介绍。无人开采采用了当今最尖端的技术，包含了隧道通信技术、开采技术，主要有：自动化钻孔、自动装煤、自动卸料等，其技术依据是高速隧道通信与高精密的地面定向，而无人开采技术则是在露天开采区之外的地方操作机械，实现工作面的破煤、装煤、运煤等各个工序。

无人采掘具有广泛的应用前景，其中有在薄煤区内可进行刨煤机的机械化采煤，无人工作面进行高瓦斯煤层的提前排出，确保了煤矿的安全。并对常规采矿技术进行了充实和提高，采用了先进、完善的采场监控和监视技术。通过运用先进的自动化技术，使企业的资源合理分配，提高了企业的生产能力和效益。

（2）无人工作面采煤机智能控制关键技术。该技术支持主要有：采煤机械的自控、刮板运输机的自动推进、地下高速通信、数据库技术等。

煤矿井下作业的智能化控制系统可分为空调式和遥调式两种，通过井口监测与多个系统相连通，并在综采工作面的输送管道上进行采集，将采集到的信息传送给工作面的操作平台，视频监测系统的主要功能是在电脑上进行实时图像的实时显示[1]。

对采煤机械进行智能化的控制，根据辊子的高低，智能化调整拖动速率，保证辊子能够在工作台上进行特定的作业。煤层的预报为以后调整辊身的工作提供了参考，如果50mm的高度变动则可实现对切高的调整。

智能化的采掘技术通过智能的感知，按照控制系统的命令对装备进行操作。即便没有工人参加的工作面支撑和各个生产工序，也能实现煤矿生产的特定知觉和控制作业[2]。

在研究过程中根据煤矿的实际需要，利用智能化的控制体系进行实时的防渗，通过采用自动化的方法实现相应的生产作业。在进行采煤机的推进作业时需要以需求为基础，采用全面的方法进行计算，从而得到最后的成果。

在智能化的自适应采矿技术模型中，自适应调整技术已得到了广泛的运用。它在煤矿生产过程中起着关键的作用，其中包括对煤层进行自动识别和智能控制，以及煤岩的自动判别和感测技术保证机械化生产的高效。在进行采煤作业时，对提高采收率具有很大的帮助。但是这种技术的使用存在很大的不确定性。智能控制技术是根据煤体的边界特征，对辊子进行自动调整，使辊子有较大的调整空间[3]。

（3）国内外煤矿无人开采技术研究现状。在我国社会经济发展水平不断提高、煤炭资源需求量日益增加以及煤矿安全生产形势日趋严峻等因素影响下，对于煤矿企业提出了更高要求。目前，在煤矿开采中应用最为广泛和先进的是无人化开采技术与装备。但是由于相关领域的研究起步较晚且理论体系较为薄弱，导致该项技术还处于探索阶段。

我国的科研机构已经开始研发采矿机械、矿井GPS等相关技术，并已初见成效。其中无人开采技术主要体现在无人运输设备及自动控制设备两方面。而自动控制设备则包括计算机系统及通信系统两个部分。这些都为无人开采技术的进一步完善奠定了基础，也使得其具备良好的可操作性。通过将上述两种方式相结合可以实现对整个矿区进行全面有效的管理，从而达到高效安全开采的目的。同时这种新型开采模式具有很强的灵活性，能够根据实际情况调整开采参数。

2.无人工作面采煤系统组成

无人作业系统是一种具有高度智能化的集成系统，它包括了集中式工作面控制系统、设备姿态监测系统、视频监控系统、通讯网络平台等多个核心技术。该智能化集成控制装置是煤矿安全生产中的关键技术，同时也是矿井作业中与作业工人之间的联系。

该系统主要由十大子系统组成：综采工作面数据监控及三维显示子系统、刮板、转载、破碎、皮带运输连锁控制系统。其中供电设备及数据监控子系统、综采工作面视频监控子系统、自身具有远程测控和姿态检测的智能化效果。另外，工况检测子系统、供电设备及数据监控子系统、泵站控制与数据监测子系统、刮板机俯仰倾角及曲线变化检测传感器子系统这些系统是通过建立工作面实时工业以太网与无线覆盖网络，将各个相关设备联系在一起，完成对整个工作面的智能化操作管理[4]。

3.无人工作面的采煤机智能控制关键技术分析

众所周知，煤是一种不可再生的能源，因为我国对煤矿的需求量越来越大，煤矿的开发也进入了一个新的阶段，随着煤矿的发展，厚煤层和中厚度煤层的开发也越来越频繁，在这种情况下薄煤层的开发技术也进入了一个新的阶段，成为了国际上最热门的话题。其中提到了无法开采和难以采矿的煤矿，必须依靠无人采矿的采煤器，而薄煤层就是其中之一，因为在国外很少有人使用，所以需要进一步进行研究。

（1）采煤机自主定位与自动导航系统。煤矿无人开采技术是将地下通信系统与高精度地下定位、定向系统有机地结合起进行的，我国在此领域的发展并不顺利，而将GIS技术与无人开采定位技术结合起的无人开采技术在国际上也尚属首次，相关人员研制了自主定位系统的无人开采采煤机是一项重大的突破，它的研究主要有：采煤机动力学模型、运动目标定位精度计算、航位推算系统误差补偿模型、航位推算系统环境适应性问题、矿井电子地图定位系统的构建及地图匹配（MM）技术[5]。为了提高无人开采采煤机的精准度和稳定性，提出一种基于GPS卫星信号的自主定位系统，该方法利用北斗全球卫星导航系统（BDS）获取地面站坐标信息，通过采集数据对采掘面点的经纬度坐标进行修正，然后再根据采煤机的运行状态确定其当前所处点位，最后通过自主控制算法达到实时控制采掘面点的目的。

（2）井上、井下的双向高速通讯技术。煤矿通讯在煤矿开采中起着举足轻重的作用，如何准确、清晰、完整、快速的将各种数据、现场情况、实际参数等数据发送到煤矿中是当前的重点，相关人员需要将上下数据的双向传送，而如何进行双向的数据传送是一个需要进一步完善和改善的问题。目前，我国已经有很多矿井都建立了自己的无线通信系统，但是这些系统大多是单向传输数据，并且只能实现单方向通信功能，而无法实现双向通信功能，这就导致矿工与管理人员之间不能及时有效地获取到最新的信息，同时由于受到地理环境以及外界环境因素影响，一些偏远地区的通讯信号也比较差。

（3）采矿工艺智能化技术。无人开采技术本身就是一种智能化的技术，而无人机的关键在于智能系统应用，无人开采技术的目的是为了实现无人生产，为了确保生产的安全才会让矿井更加的智能化。从而使整个采掘机械与生产流程协调、匹配、调整、修复乃至再利用，其技术的智能化还有待进一步的探索和实验[6]。在煤矿开采过程中，对于采煤机进行维修时，需要根据实际情况选择合适的维修方法，并结合实际需求制定相应的方案。同时要注意到采掘设备的运行状态以及相关参数是否存在异常情况等，一旦发现有任何问题就要立即采取措施加以解决，以免造成不必要的损失，影响正常作业效率及质量。

（4）工作面组件式软件与模型。基于采煤机的特点，开发了工作面的组合程序及建模，其功能是进行采煤作业过程中将危险报警、煤矿环境安全评价、自动开采、实时监测、故障诊断等集合在一起，为了确保工作的安全性，则需要努力研发出更多种类和多功能的型号和模块化的软件。基于此，首先对采煤机的基本参数、传感器的类型、测量方法等进行了详细地介绍，然后通过计算机软件对采集到的信息进行整理分析，最后将收集到的各种数据进行分类整理后形成一个完整的数据库系统，这样可以方便后期的维护管理。该系统还能够对采集到的数据进行存储管理，便于以后的数据分析使用。

图1 无人开采技术工作流程图

（5）多传感器技术。在无人作业的过程中，由于工作人员要收集各种数据，所以必须要收集到很多功能各异的采煤设备，同时进行多个功能与多个感应器的联合应用，以获得更多的数据，而有些时候数据收集还得靠多个感应器进行集成，这些都是无人机的核心技术，还有待于不断的改进和调整。多传感器由雷达传感器、激光雷达传感器以及摄像头等组成，它们之间相互配合实现自动化的操作控制。其中雷达传感器主要用于检测煤岩的位置变化。激光雷达传感器则用监测煤矿周围环境的情况。摄像头则负责记录下现场的实时图像并传送给电脑。这种多传感器技术不仅提高了工作效率，也降低了成本。

图2 煤堆专用传感器

（6）无人工作面数据库技术。在任何一个产业中数据库都是非常关键的，因为许多工作都是建立在大量的细节数据上，比如做计划、查询、修改等。同时，通过对煤矿开采过程中的信息进行查询、分析和应用，对矿井的安全问题可以实现模拟分析和预测，为矿井的安全管理奠定基础。无人作业系统的数据库包含了大量的资料，其中包含了大量的地质工程资料以及一些被加工的数据。如何快速地实现三维实体的拓扑描述和表达、组织和动态的维护，是目前数据库技术亟待解决的问题。

4.案例分析

某煤矿生产技术选择了综合采掘，依据矿压参数选择工作面设备ZY3300/07/13D电液控井架操作和SGZ630/220工作面刮板运输机运输能力450t/h，SPJ-800胶带运输机运输容量350t/h，监控系统采用超低光、宽角度的视频监视，采煤机采用遥控系统，中央控制室安装视频检测装置，3套联动控制系统。

利用内置式工业计算机对采煤机进行状态信息的实时采集，由采煤机驾驶员在集控中心通过设置采煤机的传感器完成摇臂式倾斜，从而在不需要人工介入的情况下，由采煤机的工控机对采煤进行自动的存储和操作。采煤机驾驶员在确定了样机后，可以读取采煤机的历史工作状况，当系统显示出的设备运行状况有问题时，可以在任何时候由采煤机遥控装置自动终止。该工作台的油管支架是由井下主电脑、红外发送机、耦合器、网端子、架间线、电磁式导向阀门等构成。该系统采用了机械跟踪、导架和人工操纵等多种作业模式。

液压托架自动跟踪功能是基于采煤机的定位，通过在采煤机的红外线发射装置实现定位，通过红外接收装置将探测到的采煤点位置信息发送到主控制中心，再对采煤机的定位进行指令。

由于采高受限等原因必须采取割顶破底法，造成采煤机镐式截齿量较大，由于CIA区内装煤效率较低，因此，采取增加卷筒的螺旋式上升角度和增设采煤机上的采煤板，可以有效地解决这一问题。

5.无人工作面的采煤机智能控制技术未来展望

在煤炭行业快速发展的背景下，为了进一步提升我国煤矿开采水平、降低生产成本，提高企业经济效益，需要将计算机技术应用到煤矿开采中，并对其进行合理运用。现阶段，国内很多煤矿企业都采用了先进的信息系统辅助开采作业，以达到高效管理生产流程的目的。同时，在实际操作过程中也取得了一定成效，如对矿井地质构造及水文地质条件进行分析，实现自动控制设备运行。在未来发展中应当加强人工智能技术与自动化系统之间的结合，从而使得整个煤矿开采流程更加科学合理。