曹哲哲

(陜西黃陵二號煤礦有限公司，陜西 延安 727307)

0 引言

智能化煤礦的基本構(gòu)架按層次劃分可以分為感知層、傳輸層、平臺層與決策應(yīng)用層4個階段。

感知層主要由感知層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，感知層主要實現(xiàn)感知、采集功能，通過RFD讀寫器、傳感器、監(jiān)測監(jiān)控等相關(guān)通信技術(shù)對礦井主要設(shè)備的運行情況、重大生產(chǎn)隱患、礦井生產(chǎn)系統(tǒng)與輔助系統(tǒng)是否正常運行進行實時監(jiān)控[1]。傳輸層主要由有線接口和無線接口這2個重要架構(gòu)組成，主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸與反饋功能，將來自感知層的采集數(shù)據(jù)傳輸至運行終端，形成可讀性較強的數(shù)據(jù)資料。目前，有線接口主要通過千兆以太網(wǎng)處理運行，無線接口主要以WiFi、ZigBee、WSN等自組網(wǎng)通信技術(shù)為核心進行數(shù)據(jù)的傳輸工作。傳輸層能夠編譯、處理多種制式信號并完成對數(shù)據(jù)的傳輸與反饋，是智能化礦井實現(xiàn)高效信息傳輸通道的重要環(huán)節(jié)。智能化煤礦平臺層是提供礦井基礎(chǔ)設(shè)施與通用軟件連接的服務(wù)平臺接口，平臺層擁有多種類型的數(shù)據(jù)采集、處理、存儲與檢索功能，能夠高效地完成數(shù)據(jù)挖掘與數(shù)據(jù)融合，實現(xiàn)對資料數(shù)據(jù)的交互控制與統(tǒng)一管理維護，是決策應(yīng)用層的技術(shù)核心與服務(wù)接口[2]。決策應(yīng)用層是基于智能化煤礦生產(chǎn)、運輸?shù)裙に囬_發(fā)出的應(yīng)用系統(tǒng)，具有危險源辨識、災(zāi)害預(yù)警、事故分析、方案擬定等綜合功能，決策應(yīng)用層是實現(xiàn)礦井生產(chǎn)管理人員與信息采集數(shù)據(jù)直接接觸的關(guān)鍵層，該層能夠?qū)⒏鞣N數(shù)據(jù)資料整合處理，形成可讀性較強、便于生產(chǎn)管理人員閱讀、分析的電子類資料[3]，決策應(yīng)用層系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分主要包括人員定位系統(tǒng)、專家決策系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)、智能生產(chǎn)系統(tǒng)、GIS定位系統(tǒng)等。

1 智能化開采技術(shù)特征

1.1 液壓支架跟機自動化技術(shù)

液壓支架跟機自動化技術(shù)是指以采煤機的位置為基準(zhǔn)，結(jié)合礦井開采工藝，依據(jù)工作面頂板壓力、傾角、液壓支架姿態(tài)、采煤機運行狀態(tài)等信息，將整個生產(chǎn)過程劃分為不同的階段，確定合適的割煤工藝，自動決策并控制液壓支架中部跟機、端頭清浮煤、轉(zhuǎn)載機自動推進等動作，液壓支架跟機自動化工藝能夠有效保證工作面生產(chǎn)的銜接性，實現(xiàn)安全高效的生產(chǎn)[4]。

液壓支架跟機自動化工藝實現(xiàn)的主要條件包括：①采煤機位置的確定；②智能工作面設(shè)備處于正常運行狀態(tài)；③正確配置液壓支架電液控制系統(tǒng)的參數(shù)；④合理控制采煤機推進速度，保證工作面平穩(wěn)推進。

1.2 采煤機記憶截割技術(shù)

采煤機記憶截割技術(shù)是指在實現(xiàn)液壓支架跟機自動化的基礎(chǔ)上，結(jié)合支架跟機階段和象限轉(zhuǎn)換點，將采煤機記憶割煤象限分割，按照示范刀所記錄的工作參數(shù)、姿態(tài)參數(shù)、滾筒高度軌跡，進行智能化運算，形成記憶截割模板，在自動截割過程中不斷修正誤差，確保工作面液壓支架全工作面自動化控制與采煤機記憶割煤切換的準(zhǔn)確匹配[5]，實現(xiàn)自動調(diào)高、臥底、加速和減速等功能，降低人工干預(yù)的頻率，提高工作面自動化跟機生產(chǎn)效率。

1.3 工作面視頻監(jiān)控技術(shù)

工作面視頻監(jiān)控技術(shù)能夠?qū)⑷说囊暵牳泄傺由斓焦ぷ髅妫ㄟ^在工作面安裝攝像儀，實時跟蹤采煤機，自動完成視頻跟機推送、視頻拼接等功能，為工作面可視化遠程監(jiān)控提供“身臨其境”的視覺感受，指導(dǎo)遠程生產(chǎn)。

1.4 遠程集中監(jiān)控技術(shù)

遠程集中監(jiān)控系統(tǒng)用于在控制中心對三機、泵站和液壓支架等設(shè)備進行集中監(jiān)測和控制，匯總?cè)龣C、泵站、開關(guān)、電液控主機和采煤機主機的監(jiān)控數(shù)據(jù)，再將這些數(shù)據(jù)分發(fā)給各個主機。遠程集中監(jiān)控技術(shù)系統(tǒng)原理，如圖1所示。

圖1 遠程集中監(jiān)控技術(shù)系統(tǒng)原理Fig.1 Principle of remote centralized monitoring technology

2 智能化放頂煤關(guān)鍵技術(shù)

2.1 振動法自動放煤

振動法自動放煤工藝是以振動傳感器為核心元件，通過感知識別不同硬度物體相互撞擊產(chǎn)生的信號差異，實現(xiàn)對煤矸的自動放落識別，尤其適用于礦井放頂煤開采工藝中煤矸硬度差異較大的情況。振動法自動放煤工藝分析感知流程主要包括：前端濾波平滑處理、電信號去降噪處理以及功率譜分析處理三大板塊。智能化工作面安設(shè)有多處傳感器，需借助信息融合算法對來自感知層采集的數(shù)據(jù)信號進行編譯處理，并將解析處理結(jié)果以信號指令的形式傳輸至液壓支架傳感器，從而實現(xiàn)對放煤口的開閉控制，完成液壓支架的智能放煤工序[6]。

在智能化工作面開采過程中，一般將振動傳感器安裝在綜放工作面液壓支架的尾梁處，通過連接裝置與液壓支架傳感器相連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)資料的傳輸與交換，在放頂煤工藝中，振動傳感器通過感知識別煤矸放落時煤矸撞擊尾梁的振動信號，對煤矸的狀態(tài)進行分析識別，待識別完成后，通過連接裝置將識別結(jié)果傳輸至液壓支架傳感板塊，判斷煤矸放落的情況，當(dāng)煤矸放落程度滿足系統(tǒng)定義的放落閾值時，由支架控制器執(zhí)行放煤口的關(guān)閉程序，實現(xiàn)智能化自動放煤。

2.2 記憶模式自動放煤

記憶模式自動放煤是區(qū)分于振動法自動放煤工藝的另一種智能化放頂煤工藝，主要適用于地質(zhì)條件穩(wěn)定、區(qū)域構(gòu)造良好、采煤工藝變化不大的生產(chǎn)礦井，放頂煤工藝具有一定的機械重復(fù)性與單調(diào)性，實現(xiàn)智能煤礦記憶模式的自動放煤，需利用采煤機的記憶截割功能，將采煤機記憶割煤象限分割，按照示范刀所記錄的工作參數(shù)、姿態(tài)參數(shù)、滾筒高度軌跡等基礎(chǔ)信息，進行智能化運算，形成記憶截割模板與完整的自動放煤程序，進行記憶放煤[7]。

在智能化工作面開采過程中，一般需將自動放煤控制器安裝在液壓支架上，利用放煤控制器的采集信息功能，將采煤機在現(xiàn)場示范進刀的工序、時序以及工作參數(shù)等關(guān)鍵信息進行記憶存儲，最后通過智能化處理運算，形成記憶截割模板與完整的自動放煤程序，實現(xiàn)智能化自動放煤。

3 智能化開采技術(shù)難題及應(yīng)對措施

3.1 采煤機智能調(diào)高

采煤機智能調(diào)高是指采煤機根據(jù)不同煤層賦存情況自動調(diào)整搖臂高度，從而實現(xiàn)對煤層的精確截割，目前，智能化采煤系統(tǒng)主要通過記憶截割模板實現(xiàn)對采煤機搖臂高度的精確調(diào)節(jié)，該工序主要通過固定模式的截割曲線進行自動截割，無法適應(yīng)煤層賦存情況復(fù)雜、變化趨勢較大的礦井生產(chǎn)。

從控制邏輯的層面分析，要想提高采煤機截割的精確度，需要實時感知煤巖體的分界面，實現(xiàn)對煤巖的精準(zhǔn)區(qū)分與識別，由于煤巖體的賦存情況、物理特性具有極大的不確定性，加之雷達探測、紅外線探測等探測技術(shù)的影響難以實現(xiàn)精確的控制，因此，單一基于煤巖體分界面識別的采煤機智能調(diào)高技術(shù)并不能有效地適應(yīng)煤礦智能化生產(chǎn)，要想實現(xiàn)對采煤機截割的精確智能化控制，應(yīng)探索基于煤層地質(zhì)信息精準(zhǔn)預(yù)測、智能模擬模型推演、截割參數(shù)動態(tài)分析以及最佳截割曲線智能擬合方面的技術(shù)工藝，從而完成對礦井生產(chǎn)的精確化控制[8]。

3.2 液壓支架群組與圍巖自適應(yīng)

液壓支架群組是煤礦進行機械化開采的關(guān)鍵性生產(chǎn)設(shè)備，目前，礦井基本實現(xiàn)了對液壓支架群組動作調(diào)整的自動化，但是針對支架動作準(zhǔn)確度、一致性的控制，還存在著諸多不足，因此，對液壓支架群組與圍巖的智能耦合自適應(yīng)的研究是必要的。

要實現(xiàn)液壓支架群組與圍巖的耦合自適應(yīng)，要求液壓支架具有自主感知、智能調(diào)整支護參數(shù)以及隨工作面采動情況實時改變支護狀態(tài)的功能，液壓支架群組協(xié)同控制邏輯，如圖2所示。

圖2 液壓支架群組協(xié)同控制邏輯關(guān)系Fig.2 Logic relationship of hydraulic support group cooperative control

當(dāng)前，為更好地實現(xiàn)液壓支架群組與圍巖智能自適應(yīng)功能，需在以下幾方面進行研究創(chuàng)新。

液壓支架群組智能控制：目前，大多研究工作都以單個液壓支架為研究對象展開，而對液壓支架群組的支護特性鮮有研究，由于工作面礦壓具有一定的不確定性與非均勻性，因此，要實現(xiàn)對整個回采工作面的合理支護，必須將液壓支架群組作為重點進行深入研究，其研究方向可歸納為①研究液壓支架群組支護參數(shù)與支護應(yīng)力場分布特性的關(guān)系；②研究液壓支架群組支護阻力變化規(guī)律；③建立液壓支架群組與圍巖的智能耦合條件[9]。

支架狀態(tài)自主感知功能控制：當(dāng)前液壓支架的自主感知控制功能主要依據(jù)立柱壓力感知，對工作環(huán)境、巖層破壞程度的探測以及支架頂板破斷情況感知功能方面尚有很大的提升空間，優(yōu)化支架狀態(tài)的自主感知控制功能，還應(yīng)在提高工作面仰/俯角自動監(jiān)測、健全液壓支架關(guān)鍵位置受力情況分析以及對工作面超前壓力的提前感知預(yù)報等方面展開深入研究。

支架結(jié)構(gòu)自主調(diào)控控制：要實現(xiàn)對支架的智能化控制，優(yōu)化支架的初撐力、工作阻力、護幫力以及推移速度是最重要、最關(guān)鍵的，在當(dāng)前階段，礦井應(yīng)加強對傳統(tǒng)支架結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新性調(diào)整，增強液壓支架的可調(diào)節(jié)范圍，以便適應(yīng)特殊地質(zhì)環(huán)境下對不同采高煤層的開采工藝。

3.3 工作面直線推進控制

液壓支架群組在推移的過程中受到工作面地質(zhì)構(gòu)造、工作面仰、俯采及浮煤對刮板輸送機推移行程以及推移耳軸的配合間隙等諸多因素的影響，每次推進距離都存在一定的偏差，累計的偏差往往會造成各液壓支架推移進度不一，刮板輸送機呈錯落不齊的狀態(tài)，影響工作面沿直線推進的現(xiàn)象，產(chǎn)生液壓支架“咬架”、刮板輸送機彎曲、啞鈴銷損壞等破壞，嚴(yán)重影響工作面安全生產(chǎn)的效率。當(dāng)前，多數(shù)礦井主要通過拉線和紅外光束確定工作面直線推進的尺度，根據(jù)實際測量情況利用人工對刮板輸送機進行調(diào)直，該技術(shù)工藝效率較低，難以適應(yīng)工作面智能化開采的需求。

針對此類難題，引入激光對位技術(shù)和慣導(dǎo)定位技術(shù)對工作面進行直線度智能化控制，其中，利用慣導(dǎo)定位技術(shù)應(yīng)用效果良好，基本實現(xiàn)了對工作面直線推進的智能化控制，該技術(shù)在采煤機上安裝陀螺儀，實現(xiàn)對采煤機的精確定位，在采煤機的推進過程中，實時記錄采煤機的截割情況并繪制截割軌跡，液壓支架根據(jù)繪制的截割軌跡對推移行程進行修正，通過三方聯(lián)動實現(xiàn)工作面的直線推進。慣導(dǎo)調(diào)直采煤機軌跡曲線示意，如圖3所示。

A-修正后采煤軌跡線；C-實際采煤機軌跡線；B、D-理想軌跡線圖3 慣導(dǎo)調(diào)直采煤機軌跡曲線Fig.3 Track curve of inertial navigation straightening shearer

4 結(jié)語

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，生產(chǎn)的智能化已被應(yīng)用于各個領(lǐng)域，近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的進一步發(fā)展，使智能化走向煤礦開采工作面得以實現(xiàn)，文中著眼于智能化工作面的建設(shè)，詳細(xì)闡述了智能化煤礦開采關(guān)鍵技術(shù)，以液壓支架電液控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，形成了以液壓支架跟機自動化技術(shù)、采煤機記憶截割技術(shù)、工作面視頻監(jiān)控技術(shù)、遠程集中監(jiān)控技術(shù)、自動放頂煤技術(shù)為核心的五大綜放工作面智能化開采技術(shù)。對當(dāng)前智能化開采存在的技術(shù)難題進行分析與思考，提出采煤機智能調(diào)高、液壓支架群組與圍巖自適應(yīng)以及工作面直線推進控制等相關(guān)技術(shù)手段，旨在為智能化礦井的建設(shè)與推廣應(yīng)用提供一定借鑒與參考。