李凱

摘要：煤炭對于一個國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著非常重要的作用，尤其是對于發(fā)展中國家，由于經(jīng)濟(jì)增長的需要，煤炭的需求量也會不斷上升。鑒于當(dāng)前煤炭在綜采作業(yè)時使用到的各種自動化和智能化綜采技術(shù)和綜采設(shè)備的應(yīng)用范圍不斷擴大，對綜采工作面常見的幾種智能化設(shè)備進(jìn)行了介紹，多滾筒采煤機自動化和智能化控制關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用進(jìn)行了闡述，最后對當(dāng)前采煤及自動化的調(diào)高系統(tǒng)和滾筒采煤機自動化和智能化控制的發(fā)展方向進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：經(jīng)濟(jì)發(fā)展、煤炭綜采工作面、液壓支架、自動化、智能化、

1 引言

伴隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛躍發(fā)展，帶動了相關(guān)行業(yè)的技術(shù)出現(xiàn)了革命性的變化。尤其是在傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域中，和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合后，給整個行業(yè)的技術(shù)帶來了全新的變化。由于煤炭在地下較深處，需要使用到各種設(shè)備才能完成煤炭的開采。在煤炭開采過程中由于地理環(huán)境的特殊性，很容易引發(fā)安全方面的問題。因此，在煤礦綜采工作面中使用各種自動化和智能化的設(shè)備，將會極大提高煤炭綜采過程中的安全性，而且還會提升綜采工作效率。

2 綜采工作面常見的幾種智能化設(shè)備

煤炭的開采需要使用到各種設(shè)備，這些設(shè)備并不是單一的工作，而實互相銜接，在整個綜采中發(fā)揮著這關(guān)鍵的作用。當(dāng)前綜采工作面常見的幾種智能化設(shè)備由如下幾種：

2.1滾筒采煤機的智能化

滾筒采煤機是綜采工作面中最常見的一種機械設(shè)備。與傳統(tǒng)的采煤機相比，滾筒采煤機是在統(tǒng)一方向放置截割電動設(shè)備和雙截割電動設(shè)備，它能解決傳統(tǒng)采煤機在應(yīng)用上的局限性。實際使用過程中，通過與自動化和智能化技術(shù)相結(jié)合，可以實現(xiàn)滾筒采煤機的人機操作、故障提前預(yù)判和智能保護(hù)等多種功能，以工控機為核心，實現(xiàn)開采過程中的自動化和智能化，從而提高了開采作業(yè)的安全性。

滾筒采煤機的自動化和智能化控制系統(tǒng)，是實現(xiàn)其智能化的核心所在。它是由工控機操作系統(tǒng)、動力系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)等部分組成，每個組成部分都發(fā)揮著不同的作用：工控機操作系統(tǒng)主要由電機智能保護(hù)裝置、工控機、控制鍵盤和啟動操作木塊構(gòu)成，是滾筒采煤機實現(xiàn)自動化和智能化控制的技術(shù)基礎(chǔ);動力系統(tǒng)主要由斷路器、高壓配電裝置和電力變壓器等組成，它為滾筒采煤機在操作自動化和智能化時提供足夠的電力系統(tǒng)以及提供電力智能保;

2.2液壓支架的智能化

將電液控制系統(tǒng)和綜合液壓支架進(jìn)行結(jié)合，實現(xiàn)傳感器、支架機械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的完美控制，從而實現(xiàn)液壓支架結(jié)構(gòu)的一體化和智能化。液壓支架的智能化，不僅能大幅降低液壓生產(chǎn)制造過程中的成本，更重要的是通過智能化技術(shù)的發(fā)展，實現(xiàn)對液壓支架的遠(yuǎn)程控制。在液壓支架的智能化技術(shù)應(yīng)用中，最為關(guān)鍵的技術(shù)是遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。通過該技術(shù)能夠在控制平臺直接對液壓支架控制臺進(jìn)行操作，并且結(jié)合工作面的各種實際工作環(huán)境完成一些列的輔助操作。不過在當(dāng)前煤炭開采過程中使用的綜采液壓支架，雖然有部分功能實現(xiàn)了智能化，不過系統(tǒng)內(nèi)部的電液控制系統(tǒng)和液壓支架結(jié)構(gòu)的技術(shù)融合仍有一定的發(fā)展空間;

2.3綜采過程監(jiān)控技術(shù)的智能化

由于煤炭綜采過程的環(huán)境比較復(fù)雜，需要對綜采過程中的環(huán)境進(jìn)行準(zhǔn)確把握，這樣才能實現(xiàn)綜采過程中的穩(wěn)定性和安全性。通過使用視頻監(jiān)控技術(shù)建立一個三維狀態(tài)的綜采工作面并設(shè)定工藝過程，并對所有設(shè)備的工作以及實際采礦作業(yè)進(jìn)行直觀模擬。操作人員通過控制系統(tǒng)隨時進(jìn)入到系統(tǒng)中的任何區(qū)域，不僅能第一時間對所達(dá)到區(qū)域的工作狀態(tài)進(jìn)行確認(rèn)，而且能隨時把握各設(shè)備的運行狀態(tài)，確保設(shè)備工作中的安全性和穩(wěn)定性。再利用控制平臺中的操作系統(tǒng)實現(xiàn)人和設(shè)備的互動，擺脫了時間和空間限制，極大地提高了工作效率。此外，通過對設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)控，可以模擬其運行規(guī)律，并以此建立一個完全虛擬化的空間，該空間和現(xiàn)實開采中的空間狀態(tài)非常接近，這樣就能更加準(zhǔn)確地對煤礦開采作業(yè)進(jìn)行準(zhǔn)確把握，實際生產(chǎn)中遇到的各種故障，可以通過該模擬系統(tǒng)進(jìn)行方案的對策，從而實現(xiàn)生產(chǎn)流程的優(yōu)化。

3 ? 滾筒采煤機自動化與智能化控制關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

滾筒采煤機自動化和智能化控制的關(guān)鍵技術(shù)主要包含以下五個方面：

①機載控制計算機技術(shù)

作為煤礦開采行業(yè)中當(dāng)前所應(yīng)用的具有較高的智能化和自動化控制的核心技術(shù)，通過機載控制計算機技術(shù)的應(yīng)用，可以實現(xiàn)采煤機的一體化和自動化運行，并且能夠有效保證生產(chǎn)過程中的穩(wěn)定性和安全性。機載控制技術(shù)對滾筒采煤機的控制主要是從邏輯和反饋控制這兩方面來實現(xiàn)。對煤礦開采過程中的設(shè)備溫度、液壓系統(tǒng)的壓力、負(fù)載和流量等多方面因素進(jìn)行監(jiān)測和保護(hù)。同時對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行采集的過程中還能進(jìn)行數(shù)據(jù)化分析，將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)制作成圖形傳遞到人機交互界面，便于操作人員的迅速掌握設(shè)備情況，及時進(jìn)行處理。

在記載控制計算機技術(shù)中，對整體采煤機的核心部分進(jìn)行控制和保護(hù)時，主要體現(xiàn)在對單板機和工板機的控制。隨著自動化和智能化的升級，已逐漸延伸到拓展功能。通過對單板機和工控機的相結(jié)合，使得整體記機載計算機系統(tǒng)能夠在粉塵和較潮濕的惡劣環(huán)境中也能夠獲得很好的控制效果，從而提高了采煤機整體的適應(yīng)性;

②截割高度和行走控制技術(shù)

為了更好地控制采煤機運行速度，關(guān)機在于截割高度和行走技術(shù)的控制。通過該技術(shù)，可以實現(xiàn)當(dāng)前滾筒采煤機實現(xiàn)自動化的難題，其核心技術(shù)在于對采煤機的門沿界面進(jìn)行自動識別。這也是當(dāng)前各國研究的方向和重點。由于滾筒采煤機在自動調(diào)節(jié)本身運行速度和方向時，使用的主要方式為記憶截割技術(shù)。但是當(dāng)前的技術(shù)還不能準(zhǔn)確地識別煤層賦層的變化。另外，準(zhǔn)確地控制采煤機的運行狀態(tài)、運行速度和位置也是技術(shù)控制的關(guān)鍵。通過將多圈絕對型編碼器安裝在低速軸上，能夠?qū)崿F(xiàn)定位刮板運輸機的準(zhǔn)確定位。這樣在復(fù)雜多變的煤層的工作面上就可以準(zhǔn)確定地控制采高。通過三維空間建模模擬運行軌跡，實現(xiàn)液壓支架和刮板輸送機之間的順利對接;

③遠(yuǎn)程通信和監(jiān)控技術(shù)

由于煤礦的開采大多數(shù)工藝過程屬于地下作業(yè)，這就要保障開采人員要一直處于安全的作業(yè)環(huán)境。由于地下空氣的稀薄，以及易燃?xì)怏w的產(chǎn)生，如果不遵守規(guī)范操作，很容易給作業(yè)人員帶來安全隱患。另外，煤礦開采時也容易引起塌方事故。通過設(shè)備的自動化和智能化控制，并有效通過遠(yuǎn)程通信和監(jiān)控技術(shù)，用機器代替人員進(jìn)行井下作業(yè)，尤其是井下一些危險系數(shù)高的崗位，這樣就能充分人員受傷事件的發(fā)生。機器在井下作業(yè)時，最關(guān)鍵的是要時刻對其進(jìn)行監(jiān)視。這就要使用遠(yuǎn)程通信和監(jiān)控技術(shù)。操作人員只需要在控制中心通過屏幕實現(xiàn)人機對話，就可以對井下設(shè)備進(jìn)行控制。在遠(yuǎn)程通信和監(jiān)控技術(shù)中，由于要實施掌握井下開采作業(yè)情況，就必須采用較高寬帶的光纖通信無線局域網(wǎng)技術(shù)。不過由于整個通信系統(tǒng)在工作面之上需要安裝光纖通訊，需要考慮到大量的接入點等問題。因此，在滾筒采煤機控制過程中如果要很好地發(fā)揮遠(yuǎn)程通信和監(jiān)控技術(shù)，還需要解決很多通信技術(shù)問題;

④各設(shè)備間的協(xié)同自動化控制技術(shù)

在工作面回采工作中，不是某個設(shè)備單一的工作，而是需要互相協(xié)調(diào)配合。比如液壓支架、輸送機和采煤機等設(shè)備的之間的互相結(jié)合。開采過程中需要及時將開采出來的煤礦輸送至地面，因此，運輸系統(tǒng)、液壓支架和采煤機之間要協(xié)調(diào)配合，通過紅外發(fā)射器的位置監(jiān)測功能直接將傳煤運輸機的運行速度等數(shù)據(jù)利用通信系統(tǒng)發(fā)送到液壓支架的控制系統(tǒng)中。當(dāng)液壓支架收到這些信息后，會自動調(diào)節(jié)采煤機的位置和運行速度。整個系統(tǒng)互相銜接，環(huán)環(huán)相扣，最終保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

為了實現(xiàn)更高效的自動化回采工作，滾筒采煤機在控制本身行走截割速度中，由于工作面的系統(tǒng)運行本身能夠承受一定的負(fù)載，它可以調(diào)節(jié)自身的移動速度，以確保整個系統(tǒng)具備高效率的生產(chǎn)，并且根據(jù)刮板輸送機所傳遞的工作負(fù)載高低而制定不同的調(diào)節(jié)機制。這樣就達(dá)到了根據(jù)負(fù)載情況來自動調(diào)節(jié)速度的靈活操作;

⑤對故障診斷和早期預(yù)警技術(shù)

不同于地上作業(yè)，地下開采過程中的任何一個環(huán)節(jié)，都有可能影響到整個開采過程中的穩(wěn)定性和安全性。地下開采中設(shè)備的長期運行，難免會出現(xiàn)故障，除了定期的維護(hù)和更換零部件，從日常監(jiān)控中的數(shù)據(jù)及早發(fā)現(xiàn)設(shè)備的運行異常，才能最大化保證各設(shè)備的運行安全性。當(dāng)采煤機出現(xiàn)故障后先及時進(jìn)行停機，通過一定的技術(shù)手段進(jìn)行診斷，以計量減少停機時間。除此以外，為了實現(xiàn)早期預(yù)警，對系統(tǒng)本身控制模塊進(jìn)行工作，并對通信連接和傳感器所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對分析，結(jié)合在線監(jiān)測系統(tǒng)，早期發(fā)現(xiàn)設(shè)備的異常，這樣能避免故障的擴大化。早期預(yù)警技術(shù)如果能夠充分發(fā)揮作用，還能夠最大化發(fā)揮設(shè)備的運行效率，給企業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)效益。

4 ? 采煤及自動調(diào)高系統(tǒng)分析

在采煤機開采過程中，隨著煤層厚度的變化，采煤機的滾筒也需要做出相應(yīng)的變化。因此，需要采煤機調(diào)高機構(gòu)能準(zhǔn)確進(jìn)行調(diào)高。由于開采的工作量大，煤層厚度變化的次數(shù)比較頻繁，采煤機在開采過程中需要頻繁使用調(diào)高機構(gòu)，以準(zhǔn)確調(diào)整采煤機的高度，適應(yīng)煤層厚度的不斷變化，不僅有利于采煤機的穩(wěn)定工作，也有利于整個開采工作的安全性。自動調(diào)高系統(tǒng)顧名思義，就是面對不同煤層的厚度，通過采煤機的液壓系統(tǒng)，對設(shè)備的調(diào)高機構(gòu)按照事先設(shè)定好的邏輯關(guān)系進(jìn)行自動化的調(diào)高。自動調(diào)高系統(tǒng)結(jié)合了采煤機的自動化和智能化控制技術(shù)，具有高精度的特點。

4.1自動調(diào)高系統(tǒng)的組成部分

自動調(diào)高系統(tǒng)一般來說有兩個組成部分：一是記憶路徑的跟蹤，主要是指通過人對采煤機的操作，先對煤巖體進(jìn)刀，在進(jìn)刀過程中，可以通過自動調(diào)高系統(tǒng)對采煤機運行中的位置信息以及油缸傳感器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并進(jìn)行保存。記憶數(shù)據(jù)庫中這些數(shù)據(jù)會被調(diào)出來，并使用PLC控制器對采煤機的滾筒高度進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。此時油缸活塞的位移、信號驅(qū)動電液壓換向閥的動作均已實現(xiàn)自動化控制，從而達(dá)到了自動調(diào)高的目的;二是能夠自動適應(yīng)調(diào)高。當(dāng)遇到煤層厚度發(fā)生變化時，根據(jù)記憶路徑的跟蹤，PLC控制器對截割負(fù)載的異常狀況進(jìn)行判斷，并進(jìn)一步對驅(qū)動液壓控制系統(tǒng)，實現(xiàn)滾筒的自動調(diào)節(jié)。由于記憶功能的存在，可以記錄下滾筒高度調(diào)整的相關(guān)參數(shù)，以此作為下一刀滾筒自動調(diào)高的依據(jù)。通過上述兩個組成部分可以準(zhǔn)確定實現(xiàn)調(diào)高液壓系統(tǒng)的自動控制;

4.2自動調(diào)高系統(tǒng)的工作原理

采煤工作面中會使用到多種設(shè)備，其中雙滾筒采煤機是一種比較常見的采煤設(shè)備。它在工作時通過對切割部、搖臂以及機身自身的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)滾筒的調(diào)高。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，調(diào)高方式也呈現(xiàn)處多樣化化，不過究其根本原理，都是通過對活塞的伸縮來實現(xiàn)高度的調(diào)整。從調(diào)高的細(xì)節(jié)上來看，根據(jù)各調(diào)高的技術(shù)不同，調(diào)節(jié)驅(qū)動方式和調(diào)節(jié)的位置會有所不同。從目前采煤實際中所使用到的技術(shù)來看，搖臂調(diào)節(jié)因為靈活性強、準(zhǔn)確度高、操作穩(wěn)定等優(yōu)點，是采用比較多的一種調(diào)高方式。搖臂調(diào)節(jié)是通過液壓控制系統(tǒng)來實現(xiàn)高度的改變。當(dāng)滾筒采煤機進(jìn)行割煤的時候，采煤機中的電動機會調(diào)節(jié)油箱中的壓力油進(jìn)入液壓泵進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)調(diào)節(jié)結(jié)束后，壓力又會又回到油箱;

4.3自動調(diào)高系統(tǒng)的作用

由于煤炭開采中面臨的環(huán)境不僅油嚴(yán)重的粉塵污染，還有潮濕、噪聲等因素，嚴(yán)重影響刀采煤機司機的的判斷。這樣就會造成采煤機的截割和頂?shù)装逦恢玫恼`判，使得采煤機滾筒高度調(diào)整的不合適，造成采煤機在工作中截齒的加劇磨損，從而影響到采煤機的壽命。而且在井下作業(yè)過程中產(chǎn)生的火花容易引起瓦斯爆炸;如果采煤機的滾筒位置偏低，當(dāng)采煤機進(jìn)行工作時，和煤層接觸的較少，會影響到生產(chǎn)效率。而通過自動調(diào)高系統(tǒng)，能有效減少上述問題的發(fā)生，調(diào)高采煤的生產(chǎn)安全性，確保人們生命財產(chǎn)不受威脅。

5 ? 滾筒采煤機自動化與智能化控制技術(shù)的發(fā)展方向

科學(xué)技術(shù)在不斷發(fā)展，電子信息技術(shù)和自動化技術(shù)也得到了極大的提高。這些技術(shù)不斷滲透到機械和電子設(shè)備的行業(yè)中，為工業(yè)的自動化和智能化提供了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。在煤炭綜采工作面領(lǐng)域，傳統(tǒng)的機械設(shè)備和現(xiàn)代化的電子控制技術(shù)相結(jié)合，使得綜采工作面變得越來越智能化和自動化，而且呈現(xiàn)出多樣化的發(fā)展特點。從工作強度和工作負(fù)載方面來說，采煤作業(yè)中利用相應(yīng)的識別控制方法來建立放煤模型，實現(xiàn)放煤自動化，從而減少了人力的付出，提高了工作效率和放煤的準(zhǔn)確度;從對煤巖界面的識別響應(yīng)性來說，通過使用無線電波和紅外線等技術(shù)，提高傳感器識別的分辨率，從而提高不同煤層時采煤機滾筒自動調(diào)高的響應(yīng)性，這也是自動調(diào)高技術(shù)實現(xiàn)自動化控制的關(guān)鍵技術(shù)之一。另外，和雷達(dá)探測等技術(shù)相結(jié)合，不斷提高工作面高度調(diào)整的準(zhǔn)確度，這也是未來滾筒采煤機自動化和智能化控制的發(fā)展方向。

由于井下作業(yè)的特殊性，綜采工作面巷道很難做到像地面那樣寬敞，一般來說都是很狹窄，這種環(huán)境下不利于測量定位，因此會對采煤過程中的定位精確性造成一定的影響。為了消除這種不利影響，首先根據(jù)各裝置的實際分布情況對調(diào)整定位裝置進(jìn)行合理的布置。拋開以往的對工作面直線進(jìn)行檢測的固定思維，對機械裝置進(jìn)行多樣化的組合，提高檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和檢測效率。對相鄰的液壓支架和刮板輸送機的位置要準(zhǔn)確定位，確保工作面運行過程中能在一條實現(xiàn)上，從而實現(xiàn)調(diào)直的目的。

對于智能化控制技術(shù)的發(fā)展，主要集中在綜采工作面的液壓支架能夠?qū)δ硢雾棽僮骱湍承┳詣踊δ軐崿F(xiàn)連續(xù)不斷的操作。這項技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn)是頂?shù)装宓墓ぷ鳝h(huán)境比較惡劣，影響支架的預(yù)期動作。改善對策為對自動化水平進(jìn)一步強化，使得設(shè)備運行過程中能根據(jù)實際情況及時進(jìn)行修正和調(diào)整，以消除采煤機和刮板機的不利影響。

6 ?結(jié)語

煤炭開采行業(yè)的歷史比較長，在過去的若干年使用的開采技術(shù)都屬于傳統(tǒng)性技術(shù)，不僅影響工作效率，而且在安全方面也存在一定的隱患。通過智能化和自動化技術(shù)的應(yīng)用，提高了采煤的整體工作效率和開采水平，使得煤炭開采這項勞動密集型產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)向技術(shù)密集型。隨著電子信息技術(shù)的不斷發(fā)展，煤礦開采領(lǐng)域?qū)褂玫皆絹碓蕉嗟闹悄芑妥詣踊O(shè)備，不僅體現(xiàn)在硬件上，結(jié)合各種軟件系統(tǒng)，將各系統(tǒng)之間工作高效地進(jìn)行銜接，為煤炭企業(yè)的高效率開采和經(jīng)濟(jì)效益的發(fā)展提供扎實的技術(shù)支持。

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