摘 要：礦產(chǎn)資源的短缺和供應(yīng)乏力阻礙了工業(yè)的發(fā)展，對我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展也造成了一定程度的影響。眾所周知，煤炭行業(yè)人員死亡率最高，資源回收率卻極低。因此要發(fā)展煤炭行業(yè)，首要提升的就是煤礦開采技術(shù)，以最少的人員獲取最大的收益。隨著科技的進(jìn)步，自動化無人工作面采煤技術(shù)被提出、應(yīng)用。本文基于無人工作面技術(shù)，簡述了采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)的控制方案和采煤機(jī)基本結(jié)構(gòu)及工作原理，同時對直線度控制和水平控制技術(shù)、自適應(yīng)調(diào)高技術(shù)及自動調(diào)度控制技術(shù)三種關(guān)鍵的智能自適應(yīng)開采技術(shù)模式進(jìn)行了闡述。

關(guān)鍵詞：采煤機(jī);無人工作面;智能控制技術(shù)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.04.078

煤炭產(chǎn)業(yè)處于我國工業(yè)基礎(chǔ)、能源的核心地位，是基礎(chǔ)能源產(chǎn)業(yè)。為了適應(yīng)當(dāng)今社會技術(shù)發(fā)展的趨勢，實(shí)現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)，在煤礦開采過程中使用信息化技術(shù)是非常普遍的事。目前，我國采煤業(yè)正在由傳統(tǒng)型向科學(xué)型邁進(jìn)，向自動化、智能化方向轉(zhuǎn)變[1]。自動化、智能化的煤礦開采能幫助煤礦企業(yè)實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)、高效管理。

無人工作面是不同領(lǐng)域技術(shù)的交叉和綜合，是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程。是在安全專家系統(tǒng)、災(zāi)害預(yù)測預(yù)報系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過三機(jī)自動控制系統(tǒng)、采煤工藝智能化系統(tǒng)、采礦模擬系統(tǒng)、采礦模擬系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)資源的合理化配置，大大降低現(xiàn)場作業(yè)人員的死亡率。無人工作面采煤技術(shù)的開采范圍包括薄煤層、厚煤層、特厚煤層以及中厚煤層。整個煤礦開采過程采用自動化技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)無人自動化采煤，保證員工的安全。

實(shí)現(xiàn)無人工作面的基礎(chǔ)是實(shí)現(xiàn)三級自動控制，三級包括采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)以及液壓支架。采煤機(jī)是無人工作面設(shè)備的核心部件，自動調(diào)高系統(tǒng)、自主定位以及自動導(dǎo)航系統(tǒng)組成了采煤機(jī)自動控制系統(tǒng)，采煤機(jī)自動控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)無人工作面的關(guān)鍵技術(shù)[2]。智能化刮板輸送機(jī)能實(shí)現(xiàn)自動推移控制，在各性能方面都屬于高水平的存在。液壓支架控制系統(tǒng)運(yùn)用了計(jì)算機(jī)、液壓、電子、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，既能實(shí)現(xiàn)隔架控制、鄰架控制、工作面礦壓監(jiān)測與運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程控制以及支架本架控制等，還能實(shí)現(xiàn)收護(hù)幫板、拉架、架間噴霧、打護(hù)幫板及推溜之間的隨機(jī)聯(lián)動自動化。

1 采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。由于采煤機(jī)工作環(huán)境惡劣，其智能控制系統(tǒng)被分為遠(yuǎn)程控制和機(jī)載控制，遠(yuǎn)程控制也就是地面監(jiān)控系統(tǒng)，而機(jī)載控制是機(jī)載監(jiān)控系統(tǒng)，此外還有一種順槽監(jiān)控系統(tǒng)在地面監(jiān)控系統(tǒng)和機(jī)載監(jiān)控系統(tǒng)之間起著重要的連接作用。其中地面監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控中心包括一臺采煤機(jī)智能控制數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器，和四臺監(jiān)控、管理系統(tǒng)主機(jī)，是智能控制系統(tǒng)狀態(tài)檢測終端、數(shù)據(jù)存儲終端以及命令控制終端。該系統(tǒng)所獲取的數(shù)據(jù)信息是通過順槽監(jiān)控系統(tǒng)得來的。

順槽監(jiān)控系統(tǒng)連接著地面監(jiān)控系統(tǒng)和機(jī)載監(jiān)控系統(tǒng)，是兩者之間的橋梁。該系統(tǒng)的控制中心設(shè)置在綜采工作面運(yùn)輸巷中，其數(shù)據(jù)來自機(jī)載控制器，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控系統(tǒng)的同時下發(fā)到機(jī)載監(jiān)控系統(tǒng)。對于遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，其最重要的設(shè)備就是綜采工作面視頻監(jiān)視平臺，該監(jiān)視平臺的作用就是在順槽監(jiān)控中心的計(jì)算機(jī)上顯示井下傳來的畫面，及時了解綜采工作面的地下工作環(huán)境。

機(jī)載監(jiān)控系統(tǒng)主要用于收集采煤機(jī)的狀態(tài)信息，執(zhí)行本地或遠(yuǎn)程的指令[3]。機(jī)載監(jiān)控系統(tǒng)主要由機(jī)載控制器、傳感器以及本安型無線交換機(jī)等組成，其核心是機(jī)載控制器，傳感器是為其提供實(shí)時數(shù)據(jù)的媒介，而實(shí)現(xiàn)工作面和順槽監(jiān)控系統(tǒng)之間的實(shí)時通訊功能的是本安型無線交換機(jī)。

（2）采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)的控制方案。采煤機(jī)智能控制方法可以從牽引智能調(diào)速和滾筒智能調(diào)高兩方面入手，牽引智能調(diào)速是通過控制牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)速來控制采煤機(jī)的運(yùn)動速度，從而在滾筒切割矸石、頂板、底板時，有足夠的時間和空間進(jìn)行調(diào)節(jié)，避免截割到巖石。滾筒智能調(diào)高是使?jié)L筒的截割高度隨著煤巖界面的變化而變化，保證滾筒沿著工作面運(yùn)行，提高采煤效率。在進(jìn)行牽引智能調(diào)速和滾筒智能調(diào)高動作時，采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)能根據(jù)傳感器了解設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，并預(yù)測煤層分布點(diǎn)，將分布點(diǎn)合成曲線，為調(diào)整滾筒高度作指引。在滾筒截割高度調(diào)整中，允許的高度變化范圍是50毫米，超過這個數(shù)值采煤機(jī)將自動調(diào)整截割高度[4]。

（3）采煤機(jī)基本結(jié)構(gòu)及工作原理。采煤機(jī)主要包括牽引部、截割部、電氣系統(tǒng)以及其他輔助裝置。采煤機(jī)牽引部的作用是控制采煤機(jī)在行走銷軌上做往復(fù)運(yùn)動。牽引部組成部分包括行走箱、左右牽引電動機(jī)以及減速箱等。牽引部控制采煤機(jī)做往復(fù)運(yùn)動的原理是，在牽引減速機(jī)箱內(nèi)有多級齒輪減速機(jī)構(gòu)，利用這個減速機(jī)構(gòu)可以使?fàn)恳妱訖C(jī)將動力向行走箱傳遞，然后行走箱里的內(nèi)齒輪與輸送機(jī)上的齒輪吻合，從而驅(qū)動采煤機(jī)工作。截割部的主要工作是落煤以及割煤，安裝在采煤機(jī)左右兩端，由左右兩個截割滾筒、截割電機(jī)以及搖臂組成[5]。其中兩個截割滾筒的旋轉(zhuǎn)方向不一致，是為了適應(yīng)裝煤的需要。采煤機(jī)搖臂的升降控制著截割滾筒的高低以適應(yīng)煤層分布。電氣系統(tǒng)的作用是為采煤機(jī)的運(yùn)行提供動力，并對瓦斯的量進(jìn)行性檢測，如果危害氣體過量就會自動觸發(fā)報警機(jī)制。電氣系統(tǒng)的組成部分包括電控箱和交流電動機(jī)。采煤機(jī)實(shí)際工作流程：首先是牽引部控制其在工作面往復(fù)運(yùn)動，運(yùn)動中由滾筒完成截割工作，然后由刮板輸送機(jī)將落煤卸到轉(zhuǎn)載機(jī)上，最后在轉(zhuǎn)載機(jī)的運(yùn)送下，將煤送到帶式輸送機(jī)。

2 智能自適應(yīng)開采技術(shù)模式

智能自適應(yīng)開采技術(shù)模式是采煤技術(shù)發(fā)展的最終目標(biāo)。這種技術(shù)模式是通過控制系統(tǒng)發(fā)出的指令，在煤層賦存條件和環(huán)境因素下，通過智能感知，自動執(zhí)行調(diào)度，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的調(diào)節(jié)控制和任務(wù)動作。在工作面的支護(hù)、推進(jìn)過程以及整個采煤過程中是無人工參與操作，依賴無人工作面自動控制系統(tǒng)，自主實(shí)現(xiàn)采煤過程的智能感知和控制。在智能自適應(yīng)開采技術(shù)模式中，因?yàn)楹诵年P(guān)鍵技術(shù)沒有被突破，所以只應(yīng)用了部分技術(shù)，完整技術(shù)的實(shí)踐還沒有實(shí)現(xiàn)。

（1）直線度控制和水平控制技術(shù)。如果在推進(jìn)過程中，輸送機(jī)及支架等設(shè)備沒有排列整齊，會在推進(jìn)中產(chǎn)生阻礙，使得輸送機(jī)、支架等呈現(xiàn)過度彎曲狀態(tài)，從而對設(shè)施造成損壞，而直線度控制技術(shù)可以避免這種情況的發(fā)生。這項(xiàng)技術(shù)能保證刮板輸送機(jī)和液壓支架整齊的排列在一起，并且有序的持續(xù)性向前推進(jìn)，同時確保在工作面傾斜長度方向上綜采裝備處于直線狀態(tài)。水平控制技術(shù)的目的是自動控制采煤機(jī)和輸送機(jī)進(jìn)行俯仰和傾斜動作，其控制依據(jù)是地理信息數(shù)據(jù)，利用工作面高精度慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，將煤層地質(zhì)特征精確繪制出來的三維地質(zhì)模型。

（2）自適應(yīng)調(diào)高技術(shù)。自適應(yīng)調(diào)高技術(shù)在智能自適應(yīng)開采技術(shù)模式有著很重要的作用，關(guān)系著該模式的應(yīng)用能否成功，是其核心關(guān)鍵技術(shù)。該技術(shù)目前已較為成熟，在實(shí)際采煤工作中被廣泛應(yīng)用。自適應(yīng)調(diào)高技術(shù)是由兩種重要技術(shù)組成，一種是煤巖界面自動識別感知技術(shù)。要實(shí)現(xiàn)無人自動化開采，其前提條件就是煤巖界面自動識別感知技術(shù)。該技術(shù)能根據(jù)煤巖賦存的彎曲程度，使采煤機(jī)在割煤過程中對滾筒高度進(jìn)行合理的調(diào)節(jié)，確保得到高質(zhì)量煤炭，并能提高采煤效率。但由于已知煤層界面賦存彎曲程度復(fù)雜且多樣，煤巖層自動識別感知存在著不確定性，對自適應(yīng)調(diào)高技術(shù)的發(fā)展有著很大的阻礙。自適應(yīng)調(diào)高技術(shù)的另一種組成技術(shù)是智能化控制技術(shù)。該技術(shù)是根據(jù)煤巖層界面的識別曲線，調(diào)節(jié)滾筒實(shí)時高度，智能化控制能達(dá)到幾十毫秒的控制延時，為滾筒的調(diào)節(jié)爭取時間。

（3）自動調(diào)度控制技術(shù)。自動調(diào)度控制技術(shù)處于研究階段，還沒有在實(shí)際工作中正式運(yùn)用。自動調(diào)度控制技術(shù)是利用智能控制系統(tǒng)，根據(jù)煤炭生產(chǎn)需求量，計(jì)算采煤機(jī)的推進(jìn)速度及采煤速度，從而對其進(jìn)行自動控制，達(dá)到按需生產(chǎn)的目的。在計(jì)算采煤速度以及推進(jìn)速度時，是以需求量作為主要參數(shù)，以工作面傾角、煤層厚度、瓦斯、運(yùn)輸能力等參數(shù)為輔，綜合計(jì)算得出。

3 總結(jié)語

為確保綜采工作面的安全高效生產(chǎn)，首要選擇就是實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)智能控制技術(shù)。采煤機(jī)的自動化程度對整個煤礦開采有著直接的影響。在采煤機(jī)智能控制中，通過調(diào)節(jié)牽引速度和滾筒截割高度，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)高效率、高品質(zhì)采煤工作。同時智能控制技術(shù)能讓工人遠(yuǎn)程操作設(shè)備，自動化完成割煤、落煤、裝煤、運(yùn)煤等一系列過程，實(shí)現(xiàn)少人或無人工作面，減少現(xiàn)場作業(yè)人員，降低人員死亡率。

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課題項(xiàng)目：本文系2016年度蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級技術(shù)積累項(xiàng)目課題《無人工作面智能采煤機(jī)技術(shù)收集》，課題編號J2016-03

作者簡介：李明（1986-），女，甘肅天水人，研究生，講師，研究方向：機(jī)械制造及自動化。