劉東升

（內蒙古黃陶勒蓋煤炭公司巴彥高勒煤礦，內蒙古 鄂爾多斯 017312）

關鍵字：采煤機；煤巖截割；智能識別；系統(tǒng)構建；流程設計

0 引言

長期以來，煤炭一直是支撐國民經濟快速發(fā)展的基礎能源之一，煤礦安全高效生產關系到國家的經濟發(fā)展和社會穩(wěn)定[1-2]。有關資料顯示，煤礦機械設備自動化、智能化水平低是導致煤炭行業(yè)死亡事故頻發(fā)的根本原因，雖然我國是最大的煤礦機械設備制造國家，但創(chuàng)新能力和先進技術有所欠缺，整體智能化水平或關鍵設備技術相對落后[3-4]。

采煤機是綜采工作面的主要設備，如何提高或保障采煤機連續(xù)、安全以及智能化運行是目前面臨的主要技術難題[5-6]，其中如何煤巖識別是實現(xiàn)智能化工作面的關鍵技術之一[7-9]。在采煤截割煤巖過程中，截割煤層和巖層時產生的聲音具有明顯的差異性，經驗豐富的采煤機司機根據(jù)截割聲音，可以判斷是否截割巖層，人為調整截割高度和行走速度，這種根據(jù)聲音判斷采煤機煤巖截割狀態(tài)為煤巖截割智能識別提供了一種新的思路或方法，基于此，本文分析了采煤機基本結構和原理，構建了采煤機煤巖截割智能識別系統(tǒng)，設計了采煤機煤巖截割智能識別流程，為完善智能化工作面提供一種新技術或新思路。

1 采煤機基本結構和原理分析

采煤機、液壓支架和刮板輸送機是綜采面的關鍵設備，采煤機沿工作面方向截割煤層，破碎后的原煤掉落至刮板輸送機被輸送至后續(xù)的運輸系統(tǒng)；液壓支架主要完成采煤機和刮板輸送機工作時的支護作用，圖1給出了綜采面主要設備布置示意圖。

采煤機按照其行走機構的牽引方式不同可分為機械、液壓以及電牽引式，其中電牽引式應用最為廣泛。電牽引式采煤機主要由截割機構、行走機構、破碎機構、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)以及其他輔助機構組成，圖2為常見的電牽引式采煤機基本結構示意圖。

圖2 電牽引式采煤機基本結構示意圖

1）截割機構主要用于完成破煤和落煤，能耗相對最大，占采煤機功率的四分之三以上，由電機通過傳動系統(tǒng)帶動截割滾筒旋轉，滾筒上的截齒呈螺旋分布，在滾筒旋轉過程中，實現(xiàn)破煤工序，破碎的原煤掉落至采煤機下方的刮板輸送機，實現(xiàn)裝煤工序。

2）行走機構主要用于牽引采煤機行走，通過嚙合方式傳遞驅動，配合截割機構實現(xiàn)連續(xù)割煤，目前行走機構主要采用電牽引式變頻驅動，可實現(xiàn)無極調速。

3）破碎機構主要用于大尺寸煤體破碎，由于截割機構破碎煤體形成的原煤塊體大小、形狀隨機，破碎機構可防止煤塊卡堵刮板輸送機。

4）液壓系統(tǒng)主要用于調節(jié)截割機構、破碎機構以及機身防護板相對位置和結構，一般來說，破碎機構和機身防護板位置相對穩(wěn)定，而由于煤巖賦存不穩(wěn)定導致截割機構高度需動態(tài)調整。

5）電氣系統(tǒng)主要用于調節(jié)行走機構和滾筒高度，通過P LC控制器和數(shù)據(jù)傳感器，輸出和接受本地或地面調度中心的指令。

6）輔助機構主要用于實現(xiàn)采煤機長時安全運行，同時實現(xiàn)噴霧降塵、機構潤滑等作用。

2 煤巖截割智能識別系統(tǒng)構建與流程設計

智能識別煤巖截割狀況，基于采煤機運行工況，實現(xiàn)截割機構和行走機構的自動調節(jié)，以適應現(xiàn)有煤層地質條件，本章利用截割機構的截齒破碎煤層、巖層、含矸煤層產生的不同聲音信號，在線處理以實現(xiàn)煤巖截割智能識別，從而實現(xiàn)采煤機的智能控制。

2.1 采煤機煤巖截割智能識別系統(tǒng)構建

煤巖截割智能識別系統(tǒng)主要由信號識別前端、數(shù)據(jù)交換傳輸基站以及遠程監(jiān)測控制中心構成。

1）信號識別前端。前端主要包括截割機構聲音采集裝置、前端接收處理和傳輸模塊、網(wǎng)絡交換模塊以及采煤機P LC控制模塊，其中，截割機構聲音采集裝置分別設置于兩側滾筒處，用于采集兩側截齒截割煤巖產生的聲音信號，前端接收處理和傳輸模塊將采集的聲音信號進行傳輸、預處理、提取關鍵信息等，并通過網(wǎng)絡交換模塊將處理后的信號傳輸至采煤機P LC控制模塊，該信號作為實現(xiàn)采煤機煤巖截割智能調控的基礎。

圖3 信號識別前端部件構成

2）數(shù)據(jù)無線交換傳輸基站。采煤機截割行走，處于持續(xù)運動狀態(tài)，需采用無線方式進行數(shù)據(jù)傳輸，因此采用無線MES H技術的無線交換機，分別設置在采煤機機身和液壓支架上，交換機可實現(xiàn)自動網(wǎng)絡配置，得到最優(yōu)傳輸路徑，信號識別前端中的網(wǎng)絡交換模塊、P LC控制模塊可實現(xiàn)網(wǎng)絡實時傳輸。

圖4 數(shù)據(jù)無線交換傳輸基站

3）遠程監(jiān)測控制中心?？刂浦行膶崟r監(jiān)測采煤機截割機構截割狀態(tài)，顯示采煤機工況條件，實現(xiàn)采煤機運行3D再現(xiàn)，并可完成必要的數(shù)據(jù)儲存功能。

2.2 采煤機煤巖截割智能識別流程設計

由于采煤機截割機構破煤時，往往與多臺部件或設備同時工作，存在多個聲源，造成聲音信號雜亂，截割煤巖產生的聲音信號信噪比較低，無法有效識別該信號，造成煤巖識別難度較大，因此，需采用必要的去噪方法提取關鍵信號。

采煤機煤巖截割智能識別大概分為4個流程，包括：信號增強、信號去噪、模式識別、智能控制。首先，根據(jù)采集原始聲音信號，利用隨機共振模型進行信號增強，以提高信噪比，具體流程包括：原始信號預處理、時頻特征分析、增強算法參數(shù)確定；原始聲音信號增強后，進行信號去噪，消除其他聲源信號對截割聲音信號的干擾，提高關鍵信號的精準性，具體流程包括：選擇去噪方法、改進優(yōu)化去噪方法、分析閾值影響、確定最優(yōu)去噪閾值；信號去噪后，進行模式識別，基于提取的自適應特征，進行機器學習和煤巖識別，確定煤巖截割模式；最終利用采煤機P LC控制模塊實現(xiàn)采煤機行走速度和截割高度的智能調控，圖5給出了采煤機煤巖截割智能識別流程圖。

圖5 采煤機煤巖截割智能識別流程圖

3 結論

采煤機如何煤巖識別是實現(xiàn)煤礦智能化工作面的關鍵技術之一，利用截齒截割煤、巖層產生的差異性聲音信號，通過分析電牽引式采煤機基本結構和原理，構建了采煤機煤巖截割智能識別三大系統(tǒng)：信號識別前端、數(shù)據(jù)交換傳輸基站以及遠程監(jiān)測控制中心，設計了采煤機煤巖截割智能識別四大流程：信號增強、信號去噪、模式識別、智能控制，為智能化工作面建設提供一種新技術或思路。