白瑩

【摘 要】煤礦綜采是一項(xiàng)智能化程度較高的大型煤炭開采技術(shù)，需要多種智能設(shè)備配合完成，綜采技術(shù)已經(jīng)向智能化、少人化甚至無人化方向發(fā)展。本文分析了目前國內(nèi)外智能化無人開采技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及推廣制約因素，并結(jié)合人工智能及新一代工業(yè)革命發(fā)展方向?qū)γ禾恐悄荛_采技術(shù)進(jìn)行了展望。

引言

隨著智能化、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、智能制造等技術(shù)日趨成熟，國家安全生產(chǎn)及科技管理等部門，在煤炭行業(yè)大力推進(jìn)智能開采技術(shù)。2015年國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局在煤礦等重點(diǎn)行業(yè)領(lǐng)域開展“機(jī)械化換人、自動(dòng)化減人”科技強(qiáng)安專項(xiàng)行動(dòng)，重點(diǎn)是以機(jī)械化生產(chǎn)替換人工作業(yè)、以自動(dòng)化控制減少人為操作，大力提高企業(yè)安全生產(chǎn)科技保障能力。2016年國家發(fā)展改革委和國家能源局發(fā)布的《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃（2016—2030年）》，明確了能源技術(shù)創(chuàng)新的15個(gè)重點(diǎn)任務(wù)，其中首要一條，就是要實(shí)現(xiàn)煤炭無害化開采技術(shù)創(chuàng)新，2030年實(shí)現(xiàn)智能化開采，重點(diǎn)煤礦區(qū)基本實(shí)現(xiàn)工作面無人化，全國采煤機(jī)械化程度達(dá)到95%以上。2017年，科技部牽頭相關(guān)部委制定了“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“公共安全風(fēng)險(xiǎn)防控與應(yīng)急技術(shù)裝備”重點(diǎn)專項(xiàng)，如目前由20家產(chǎn)學(xué)研單位承擔(dān)的“煤礦智能開采安全技術(shù)與裝備研發(fā)”項(xiàng)目，分課題重點(diǎn)研究煤層智能開采基于煤巖界面識別的工作面智能調(diào)高技術(shù)、煤礦智能開采透明工作面的構(gòu)建技術(shù)、巡檢機(jī)器人、智能開采大數(shù)據(jù)采集分析處理平臺、智能開采安全技術(shù)和裝備集成與示范等，精準(zhǔn)攻關(guān)煤炭開采新技術(shù)，科學(xué)引領(lǐng)煤炭行業(yè)科技發(fā)展方向，實(shí)現(xiàn)智能化無人綜采技術(shù)水平的不斷提升。

1綜采自動(dòng)化發(fā)展概況與技術(shù)特征

1.1綜采自動(dòng)化發(fā)展概況

美國和澳大利亞煤礦開采自動(dòng)化水平普遍較高，自20世紀(jì)80年代起，就建立了“一井一面”高效集約化的長壁開采模式，在工作面采用了計(jì)算機(jī)技術(shù)、大功率變頻牽引采煤機(jī)控制技術(shù)、液壓支架電液控制技術(shù)、刮板輸送機(jī)軟啟動(dòng)和變頻技術(shù)，逐步實(shí)現(xiàn)了工作面少人操作自動(dòng)化采煤，每個(gè)生產(chǎn)班工作面全員僅有6-8人。

1.2綜采自動(dòng)化概念和技術(shù)特征

1）自動(dòng)化綜采工作面，是指綜采工作面采用了具有自動(dòng)化控制功能的液壓支架、采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)等機(jī)電一體化成套裝備，實(shí)現(xiàn)了工作面少人操作、安全高效開采。自動(dòng)化綜采工作面主要技術(shù)特征是：①液壓支架電液控制，可實(shí)現(xiàn)鄰架、成組、程序控制和跟機(jī)移架等功能;②采煤機(jī)電牽引、自動(dòng)調(diào)高控制、自定位、故障自診斷，可實(shí)現(xiàn)與液壓支架及工作面控制系統(tǒng)的通信和自動(dòng)控制功能;③工作面運(yùn)輸設(shè)備具有電氣軟啟動(dòng)、機(jī)尾自動(dòng)張緊、故障診斷及與工作面控制系統(tǒng)的通信和自動(dòng)控制功能;④工作面自動(dòng)控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)工作面設(shè)備間的信息通信、工作面人工干預(yù)協(xié)調(diào)控制等。

2）智能化綜采工作面，是指綜采工作面采用了具有充分全面的感知、自學(xué)習(xí)和決策、自動(dòng)執(zhí)行功能的液壓支架、采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)等機(jī)電一體化成套裝備，實(shí)現(xiàn)了工作面的高度自動(dòng)化少人遠(yuǎn)程監(jiān)控、安全高效開采。智能化綜采工作面主要技術(shù)特征是：①液壓支架智能控制，液壓支架以電液控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，同時(shí)，具有支架與圍巖耦合監(jiān)測控制、超前壓力預(yù)報(bào)、初撐和移架狀態(tài)自決策控制、姿態(tài)監(jiān)測與智能決策控制、煤幫智能決策控制、記憶時(shí)序控制放煤、智能噴霧降塵控制等功能;②采煤機(jī)智能控制，采煤機(jī)具有位置監(jiān)測精確定位、自學(xué)習(xí)智能軌跡規(guī)劃、基于智能決策或煤巖識別的滾筒自動(dòng)調(diào)高、自動(dòng)記憶割煤、防碰撞安全避險(xiǎn)、故障自診斷等功能，并具有基于產(chǎn)量需求、輸送機(jī)設(shè)備負(fù)荷、工作面環(huán)境等信息的智能決策調(diào)速、采高自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程可視化控制等功能。

2煤礦智能化無人開采支撐體系建設(shè)

2.1研發(fā)機(jī)架協(xié)同“割三角煤”工藝

原有三角煤截割工藝主要依靠采煤機(jī)自動(dòng)記憶截割來執(zhí)行割煤任務(wù)，液壓支架則根據(jù)采煤機(jī)的實(shí)時(shí)位置進(jìn)行三角煤區(qū)域的跟機(jī)。但在實(shí)際運(yùn)行過程中，由于兩者動(dòng)作完成信息不能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，容易出現(xiàn)支架與采煤機(jī)同步配合不到位，影響三角煤截割效果，為此，開發(fā)了“機(jī)架協(xié)同控制”割三角煤工藝。其技術(shù)核心是通過加大兩者數(shù)據(jù)交互應(yīng)用范圍，使采煤機(jī)和液壓支架在執(zhí)行當(dāng)前動(dòng)作和轉(zhuǎn)換下一動(dòng)作時(shí)，都能從對方得到“其動(dòng)作執(zhí)行是否到位”的信號;當(dāng)對方上個(gè)動(dòng)作還未完成時(shí)，自身則要逐漸減速甚至停機(jī)等待對方完成動(dòng)作后，才觸發(fā)執(zhí)行下一道工序，大幅提升了三角煤自動(dòng)化截割水平。

2.2綜采工作面智能技術(shù)

（1）綜采工作面連續(xù)推進(jìn)影響因素研究。建立完整的數(shù)據(jù)模型，分析影響工作面連續(xù)推進(jìn)的因素，摸清目前國內(nèi)外綜采工作面的自動(dòng)化現(xiàn)狀，對現(xiàn)有的自動(dòng)化綜采工作面進(jìn)行調(diào)研、數(shù)據(jù)采集和分析建模，形成綜采工作面連續(xù)推進(jìn)影響因素研究報(bào)告。

（2）綜采工作面連續(xù)推進(jìn)方法研究。研究內(nèi)容包括3個(gè)方面：①設(shè)計(jì)綜采工作面設(shè)備運(yùn)行統(tǒng)計(jì)分析程序，建立設(shè)備運(yùn)行時(shí)間、開機(jī)率、故障率等數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障的分析功能;②設(shè)計(jì)綜采工作面設(shè)備運(yùn)行優(yōu)化控制程序，提高設(shè)備使用壽命，減少維護(hù)量和維護(hù)時(shí)間;③綜采工作面推進(jìn)精準(zhǔn)控制系統(tǒng)，通過高精度定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對支架千斤頂推移動(dòng)作的精確控制。

（3）設(shè)備姿態(tài)定位及防碰撞實(shí)時(shí)檢測控制技術(shù)。內(nèi)容包括：綜采工作面坐標(biāo)系建立的研究，自動(dòng)化操作連續(xù)推進(jìn)過程中設(shè)備的姿態(tài)實(shí)時(shí)檢測、控制技術(shù)研究及裝置研制實(shí)現(xiàn)設(shè)備姿態(tài)定位，采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)協(xié)調(diào)動(dòng)作過程中的自我防碰撞感知技術(shù)研究，例如采煤機(jī)滾筒與護(hù)幫板之間的碰撞問題，能夠達(dá)到智能化工作面裝備姿態(tài)定位的精度≤5°。

（4）綜采工作面連續(xù)推進(jìn)實(shí)時(shí)檢測控制技術(shù)研究及裝置研制。研究內(nèi)容包括自動(dòng)化操作連續(xù)推進(jìn)運(yùn)動(dòng)過程中設(shè)備的直線度實(shí)時(shí)檢測、控制技術(shù)研究及裝置研制，實(shí)現(xiàn)綜采裝備的直線度控制，在工作面連續(xù)推進(jìn)的過程中，保證工作面的傾斜長度方向上始終處于直線狀態(tài)，確保輸送機(jī)、支架排列整齊，避免因彎曲度過大導(dǎo)致設(shè)備的損壞。進(jìn)行自動(dòng)化綜采工作面調(diào)偽斜技術(shù)研究，解決傾斜工作面自動(dòng)化操作過程中綜采裝備的防滑防側(cè)倒問題。

2.3開發(fā)超前支架遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

在智能化綜采監(jiān)控系統(tǒng)及超前支架電液控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，擴(kuò)展開發(fā)了超前支架遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，建立符合實(shí)際的仿真界面，利用“視頻 + 模型”的監(jiān)控方式，實(shí)現(xiàn)超前支架的選架、移架等遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制。

結(jié)語

智能化無人綜采技術(shù)的成功實(shí)踐，填補(bǔ)了煤炭智能化開采技術(shù)空白，是中國煤炭工業(yè)開采史上的重大創(chuàng)舉，引領(lǐng)了煤炭行業(yè)技術(shù)發(fā)展方向，推動(dòng)了我國煤炭工業(yè)升級轉(zhuǎn)型和科技進(jìn)步。但該技術(shù)的成功實(shí)踐離不開機(jī)械化、自動(dòng)化、信息化技術(shù)的廣泛應(yīng)用，需要規(guī)范化、精細(xì)化管理水平的支撐，更要有一支素質(zhì)高、執(zhí)行力強(qiáng)的職工隊(duì)伍作保障;這些因素的疊加，加大了該項(xiàng)技術(shù)的推廣應(yīng)用難度。同時(shí)，目前我國智能化無人開采技術(shù)尚處于起步階段，從技術(shù)、工藝、管理上還存在許多未解的難題，還需要在傳感、監(jiān)測、控制等方面繼續(xù)加大研發(fā)力度，不斷提高綜采裝備的智能控制水平，提升智能化綜采技術(shù)的系統(tǒng)性、適用性、穩(wěn)定性和協(xié)調(diào)性，全面推動(dòng)我國采煤技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)煤炭的安全、高效、綠色開采。

參考文獻(xiàn)：

[1]范京道.智能化無人綜采技術(shù)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2017：1-18.

[2]黃樂亭，黃曾華，張科學(xué).大采高綜采智能化工作面開采關(guān)鍵技術(shù)研究[J].煤礦開采，2016，21（1）：1-6.

[3]王金華，黃曾華.我國煤礦智能化采煤技術(shù)的最新發(fā)展[J].礦業(yè)工程，2017，3（4）：24-35.

（作者單位：河南平寶煤業(yè)有限公司）