路艷萍，周 展

(1.西安重工裝備制造集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710000；2.西安煤礦機(jī)械有限公司，陜西 西安 710200)

0 引言

煤炭作為我國能源經(jīng)濟(jì)的“工業(yè)糧食”，一直以來占據(jù)一次能源消費(fèi)的主導(dǎo)地位[1]。煤炭開采中有90%左右為井工方式，井工環(huán)境復(fù)雜、開采條件惡劣、存在瓦斯透水等多種安全隱患。多年來，井工開采經(jīng)歷了從單機(jī)機(jī)械化、綜合機(jī)械化到自動(dòng)化的跨越，并逐步向智能化邁進(jìn)[2]。當(dāng)前，我國正大力推進(jìn)建設(shè)智慧礦井、智能化工作面，與之對應(yīng)的綜采技術(shù)與裝備也處于迅猛發(fā)展階段，綜采技術(shù)與裝備的智能化水平也成為衡量智能化工作面的重要指標(biāo)。近年來，一些學(xué)者和機(jī)構(gòu)在煤礦井下智能裝備的研發(fā)與應(yīng)用過程中起到了積極推進(jìn)作用，基于此，論述了智能化綜采系統(tǒng)的基本架構(gòu)，并針對綜采工作面核心裝備的智能化關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分解詳述。

1 智能化綜采系統(tǒng)架構(gòu)

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、自主學(xué)習(xí)和決策、自動(dòng)執(zhí)行功能的液壓支架、采煤機(jī)、刮板運(yùn)輸機(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，能夠安全高效開采[3]。智能化綜采系統(tǒng)則是將多種技術(shù)，如電氣、液壓、控制、網(wǎng)絡(luò)通信、語音視頻等進(jìn)行全面融合。智能化綜采系統(tǒng)主要由3部分組成：工作面部分、順槽部分、地面部分，智能化綜采系統(tǒng)框架，如圖1所示。其中，工作面部分位于井下采場，工作面核心裝備采煤機(jī)、液壓支架、刮板運(yùn)輸機(jī)等，通過不同單機(jī)智能化裝備之間的協(xié)同配合，實(shí)現(xiàn)采場煤的采、支、運(yùn)等工作。井下順槽部分通過布設(shè)供電系統(tǒng)、供液系統(tǒng)以及集控系統(tǒng)等作為輔助設(shè)備，為工作面裝備提供電液及裝備運(yùn)行的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。地面部分建設(shè)中心調(diào)度室，通過礦井環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)井下巷道、工作面、設(shè)備、人員、車輛等的全方位動(dòng)態(tài)監(jiān)測及相關(guān)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

圖1 智能化綜采系統(tǒng)框架Fig.1 Framework of intelligent fully mechanized mining system

2 綜采核心裝備智能化技術(shù)

2.1 綜采三機(jī)裝備技術(shù)功能圖譜

綜采工作面裝備主要以采煤機(jī)、液壓支架、刮板運(yùn)輸機(jī)組為主的三機(jī)設(shè)備為核心作為底層行為執(zhí)行單元，三機(jī)智能化是整個(gè)綜采工作面智能化的基礎(chǔ)。采煤機(jī)主要為適應(yīng)煤層變化，調(diào)節(jié)滾筒采高及運(yùn)行速度實(shí)現(xiàn)功能“采”；液壓支架主要為適應(yīng)巖層壓力變化，調(diào)節(jié)支護(hù)幫板實(shí)現(xiàn)功能“支”；刮板運(yùn)輸機(jī)組主要為適應(yīng)煤流變化，調(diào)節(jié)運(yùn)輸、破碎速度等實(shí)現(xiàn)功能“運(yùn)”[4]。綜采三機(jī)裝備技術(shù)功能圖譜如圖2所示。

圖2 綜采三機(jī)裝備技術(shù)功能圖譜Fig.2 Technical function of fully mechanized mining equipment

2.2 采煤機(jī)智能化技術(shù)

當(dāng)前無鏈電牽引采煤機(jī)作為主流產(chǎn)品，以艾柯夫、久益、卡特彼勒為代表的國外采煤機(jī)制造企業(yè)，從20世紀(jì)90年代開始逐步開展采煤機(jī)智能化方面的技術(shù)攻關(guān)[5]。國內(nèi)智能化采煤機(jī)的研制起步較晚，2007年，太重煤機(jī)自主研發(fā)了我國第1臺智能化電牽引采煤機(jī)，并在潞安集團(tuán)漳村煤礦進(jìn)行了實(shí)踐應(yīng)用[6]；此后以西安煤礦機(jī)械有限公司、中煤上海天地煤機(jī)有限公司為主，相繼展開采煤機(jī)遠(yuǎn)程通訊、記憶截割、智能診斷等方面的研究，并根據(jù)市場需要逐步研制出功率范圍238～3 050 kW，采高范圍1.5～8.8 m的全系列采煤機(jī)設(shè)備[7]。發(fā)展至今，采煤機(jī)智能化技術(shù)主要體現(xiàn)在以下3方面。

多傳感器融合感知技術(shù)：采煤機(jī)配置4大類型傳感設(shè)備，其功能分別是運(yùn)行環(huán)境監(jiān)測、運(yùn)行狀態(tài)感知、位姿監(jiān)測和電機(jī)動(dòng)態(tài)管理。采煤機(jī)運(yùn)行環(huán)境監(jiān)測主要指綜采工作面通風(fēng)、瓦斯、人員定位等，外部監(jiān)測用于反映采煤機(jī)所處工作環(huán)境，決定采煤機(jī)是否具備啟動(dòng)運(yùn)行條件。運(yùn)行狀態(tài)感知主要指采煤機(jī)電控箱溫濕度、液壓系統(tǒng)壓力、傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)、冷卻、噴霧流量及壓力等指標(biāo)，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)反映采煤機(jī)在運(yùn)行過程中各組成機(jī)構(gòu)的健康狀態(tài)。位姿監(jiān)測是實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)自動(dòng)化運(yùn)行的基礎(chǔ)，通過編碼器及傾角儀，分別獲取采煤機(jī)在工作面的相對位置及機(jī)身俯仰角度和搖臂滾筒采高數(shù)據(jù)。電機(jī)動(dòng)態(tài)管理單元，通過各電機(jī)內(nèi)部的PT100及PTC監(jiān)測電機(jī)運(yùn)行過程中的溫度信息，此外通過電流傳感器獲取電機(jī)三相電流，控制單元通過對電機(jī)溫度及三相電流進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得出電機(jī)過溫、過流、缺相等信息，同時(shí)根據(jù)牽引電機(jī)電流等負(fù)載信息實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的智能調(diào)速控制。各類型傳感單元通過數(shù)據(jù)采集、清洗、融合、分析等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)全過程的智能感知。

自主截割技術(shù)：傳統(tǒng)的采煤機(jī)自主截割基于采煤機(jī)記憶截割系統(tǒng)，通過示范刀學(xué)習(xí)采煤機(jī)在割煤工藝過程中，搖臂滾筒及煤機(jī)速度等動(dòng)態(tài)變化，并存儲相關(guān)記憶數(shù)據(jù)；而后采煤機(jī)根據(jù)記憶數(shù)據(jù)控制采煤機(jī)實(shí)現(xiàn)自主割煤。當(dāng)前，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)自主截割還可以由采煤機(jī)規(guī)劃截割系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。通過采煤機(jī)規(guī)劃截割系統(tǒng)，實(shí)時(shí)接收上位機(jī)發(fā)送的截割曲線，系統(tǒng)將截割曲線分解為不同工藝段的對應(yīng)采高、速度、折返標(biāo)志位等數(shù)據(jù)，并傳輸給采煤機(jī)相應(yīng)機(jī)構(gòu)執(zhí)行動(dòng)作。自主截割技術(shù)是實(shí)現(xiàn)綜采工作面無人化的關(guān)鍵。

數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸及監(jiān)測技術(shù)：實(shí)現(xiàn)綜采工作面至順槽集控中心的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，需依賴于穩(wěn)定可靠的遠(yuǎn)程通信技術(shù)。數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸可通過載波通信技術(shù)、有線通信技術(shù)、無線通信技術(shù)。其中載波通訊的傳輸距離一般小于500 m，其主要通過主電纜控制線的頻分復(fù)用技術(shù)，其傳輸速率在15 ms，延時(shí)抖動(dòng)小于1 ms，可支持CAN、TCP/IP、485等通信協(xié)議。有線通信主要有動(dòng)力電纜及光纖2種方式，動(dòng)力電纜通過電纜內(nèi)的通信芯線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸，其穩(wěn)定傳輸距離一般不大于1 500 m，傳輸速率小于20 ms；光纖通信適用于傳輸距離大于1 500 m的環(huán)境，其優(yōu)點(diǎn)是高帶寬、低延時(shí)。此外，無線通信技術(shù)以4G、Wi-Fi、Mesh以及5G技術(shù)為代表，采用無線通信方式進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，需要在工作面及順槽巷道布設(shè)相應(yīng)的無線基站，成本相對較高，但可以避免遠(yuǎn)程布線，且傳輸速率亦有較大提升。

2.3 液壓支架智能化技術(shù)

液壓支架智能化是以電液控制系統(tǒng)技術(shù)成熟為重要標(biāo)志。其主要功能是實(shí)現(xiàn)工作面自動(dòng)移架、自動(dòng)推移刮板輸送機(jī)、自動(dòng)放煤、自動(dòng)噴霧等成組或單架控制功能，工作面成組排列數(shù)百臺液壓支架用以實(shí)現(xiàn)頂板支撐和設(shè)備安全空間構(gòu)建。經(jīng)過多年科研攻關(guān)，液壓支架智能化技術(shù)體現(xiàn)在以下3方面。

自適應(yīng)控制技術(shù)：液壓支架自適應(yīng)控制技術(shù)主要包括自適應(yīng)護(hù)幫、自適應(yīng)調(diào)斜等功能。通過安裝在設(shè)備上的壓力傳感器、行程傳感器、傾角傳感器等，實(shí)時(shí)監(jiān)測液壓支架在跟機(jī)移架過程中的狀態(tài)，經(jīng)監(jiān)測數(shù)據(jù)與控制器預(yù)設(shè)參數(shù)比較，控制相應(yīng)護(hù)幫板或千斤頂動(dòng)作。

液壓系統(tǒng)智能控制技術(shù)：傳統(tǒng)液壓支架的自動(dòng)移架、自動(dòng)跟機(jī)是通過人為控制電液閥實(shí)現(xiàn)相應(yīng)規(guī)律性動(dòng)作。人為操作存在靈活性低、操作滯后等缺點(diǎn)。液壓系統(tǒng)智能控制技術(shù)則是通過對不同支架動(dòng)作、支架用液量、支架動(dòng)作時(shí)間等數(shù)據(jù)搜集，針對不同自動(dòng)化跟機(jī)動(dòng)作程序預(yù)判用液量，傳遞給泵站控制系統(tǒng)，自動(dòng)調(diào)節(jié)泵站壓力，從而實(shí)現(xiàn)液壓支架的自動(dòng)移架及跟機(jī)動(dòng)作。

自動(dòng)調(diào)直技術(shù)：液壓支架在多次推移行程中會(huì)產(chǎn)生累計(jì)誤差，導(dǎo)致煤壁平直度產(chǎn)生彎曲，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成煤機(jī)脫軌。當(dāng)前，液壓支架調(diào)直技術(shù)主要通過慣性導(dǎo)航系統(tǒng)輔助完成，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)搭載于采煤機(jī)身上，跟隨采煤機(jī)運(yùn)行生成刮板運(yùn)輸機(jī)彎曲度曲線，經(jīng)插值算法，在規(guī)定采煤刀數(shù)下定量控制液壓支架電液控系統(tǒng)推移量，實(shí)現(xiàn)工作面自動(dòng)調(diào)直。

2.4 刮板運(yùn)輸機(jī)組智能化技術(shù)

刮板運(yùn)輸機(jī)組俗稱“小三機(jī)”，包括刮板運(yùn)輸機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)。其主要作用是裝載煤、轉(zhuǎn)載煤及破碎大塊煤，此外刮板運(yùn)輸機(jī)還是采煤機(jī)的行走軌道和液壓支架的推移支點(diǎn)，其主要智能化技術(shù)體現(xiàn)在以下2方面。

智能調(diào)速技術(shù):刮板運(yùn)輸機(jī)的智能調(diào)速，主要通過運(yùn)行電機(jī)電流反饋的方式確定運(yùn)輸負(fù)載。系統(tǒng)根據(jù)負(fù)載情況自動(dòng)調(diào)節(jié)刮板運(yùn)輸機(jī)鏈速，實(shí)現(xiàn)運(yùn)速與運(yùn)量的正比關(guān)系，從而降低刮板運(yùn)輸機(jī)的能耗。

鏈條張力自動(dòng)控制技術(shù)：刮板運(yùn)輸機(jī)的鏈條張力自動(dòng)控制主要通過機(jī)尾自動(dòng)伸縮裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)。通過感應(yīng)油缸腔內(nèi)壓力的變化實(shí)時(shí)控制刮板運(yùn)輸機(jī)在運(yùn)行過程中的油缸伸縮量，同時(shí)設(shè)定伸縮量臨界點(diǎn)，保證在啟停過程中的緊鏈與松鏈控制。

3 智能化綜采技術(shù)發(fā)展歷程

隨著國家發(fā)改委、國家能源局等8部委聯(lián)合印發(fā)的《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》出臺，對智能化礦井的建設(shè)提出了三步走的明確規(guī)劃[8]，智能化綜采技術(shù)的發(fā)展隨之進(jìn)入了快車道。綜采智能化的發(fā)展離不開智能化裝備技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)業(yè)界根據(jù)綜采裝備的技術(shù)發(fā)展，普遍將智能化綜采分為4個(gè)技術(shù)階段，分別是可視化遠(yuǎn)程干預(yù)(1.0)、工作面自動(dòng)找直(2.0)、透明工作面(3.0)以及未來的發(fā)展方向即透明礦井(4.0)，每個(gè)技術(shù)階段其裝備的技術(shù)水平有所不同?？梢暬h(yuǎn)程干預(yù)階段起步于2010年，以采煤機(jī)記憶截割、液壓支架自動(dòng)跟機(jī)及可視化遠(yuǎn)程監(jiān)控為核心技術(shù)手段，協(xié)調(diào)刮板運(yùn)輸機(jī)組及其輔運(yùn)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)工作面少人、高效、安全生產(chǎn)。工作面自動(dòng)找直階段在可視化遠(yuǎn)程干預(yù)的基礎(chǔ)上，加入以慣性導(dǎo)航為核心的控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)工作面的自動(dòng)找直功能，解決了采煤過程中的連續(xù)平直推進(jìn)難題。透明工作面該段主要研究基于透明工作面的高精度三維地質(zhì)模型、大數(shù)據(jù)智能分析決策平臺及工作面綜采設(shè)備空間導(dǎo)航定位及精準(zhǔn)控制技術(shù)。該階段極大地依賴透明工作面模型的精確度，在綜采工作面三機(jī)裝備智能化及協(xié)同配合基礎(chǔ)上，將控制及決策權(quán)限下放至大數(shù)據(jù)決策中心，不同技術(shù)組成之間相互配合基本實(shí)現(xiàn)工作面的無人化。透明礦井階段是透明工作面的進(jìn)一步延伸，也是未來智慧礦井建設(shè)的必然支撐，其涉及到的技術(shù)更為全面系統(tǒng)，這也要求裝備的智能化水平更為高級，于綜采而言亦可成為全智能自適應(yīng)開采階段。

4 結(jié)語

在概述綜采智能化系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，明晰了綜采智能化系統(tǒng)整體架構(gòu)，以綜采工作面智能裝備為主，詳細(xì)闡述了采煤機(jī)、液壓支架、刮板運(yùn)輸機(jī)現(xiàn)階段的智能化技術(shù)。此外，總結(jié)了不同裝備智能化技術(shù)對應(yīng)的綜采智能化發(fā)展階段?？梢钥闯?，綜采智能化是未來煤礦開采的必然發(fā)展趨勢，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，裝備的智能化水平也將得到極大提升。裝備技術(shù)的革新也必將推動(dòng)能源產(chǎn)業(yè)和生產(chǎn)方式的變革。