張 鴻

（晉能控股煤業(yè)集團晉圣公司億欣煤業(yè)）

煤礦井下的綜采作業(yè)模式直接決定了井下綜采作業(yè)的效率和安全性，一個完整的綜采作業(yè)過程主要包括采煤機的截割作業(yè)、液壓支架的支護作業(yè)、刮板輸送機的物料運輸作業(yè)、破碎機的破碎作業(yè)、轉(zhuǎn)載作業(yè)等多個流程。大量自動化機械設(shè)備的應(yīng)用極大提升了煤礦井下綜采作業(yè)效率，但也普遍存在著各設(shè)備的智能程度低、設(shè)備間的關(guān)聯(lián)控制缺失以及監(jiān)測難的問題，已經(jīng)成為制約井下綜采作業(yè)效率進一步提升的關(guān)鍵。

實現(xiàn)井下各設(shè)備的智能化作業(yè)及設(shè)備間的遠程協(xié)同控制，是解決以上難題的有效方式和煤炭開采產(chǎn)業(yè)升級的必然需求。目前國內(nèi)外的多位學者對井下智能綜采的應(yīng)用進行了研究，雷照源等［1］提出了“少人和智能復雜作業(yè)”技術(shù)，為實現(xiàn)井下智能綜采提出了破解對策；康紅普等［2］則針對性地提出了基于數(shù)據(jù)信息融合的液壓支架組跟機自適應(yīng)控制技術(shù)，為實現(xiàn)采煤機、液壓支架的聯(lián)動運行控制提出了一種解決思路。

本項目在以上研究的基礎(chǔ)上，提出了基于5G高速網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)動控制技術(shù)，實現(xiàn)對井下關(guān)鍵設(shè)備的聯(lián)動運行控制方案。

1 智能化綜采體系構(gòu)架

隨著煤礦井下綜采作業(yè)設(shè)備機械化水平的不斷提升，目前再通過增加自動化綜采設(shè)備的方案已經(jīng)很難大幅度提升井下綜采作業(yè)的經(jīng)濟性。而通過對井下綜采作業(yè)狀況的分析，井下最大的問題在于各類機械設(shè)備智能化程度低且運行缺乏統(tǒng)一的控制，不僅需要人工輔助運行，而且設(shè)備之間的上下游聯(lián)系需要通過人工來協(xié)調(diào)，導致無法充分發(fā)揮各設(shè)備的實際作業(yè)優(yōu)勢。因此，實現(xiàn)綜采面綜采作業(yè)效率、經(jīng)濟性、安全性提升的關(guān)鍵在于建立起各設(shè)備的智能化及集中控制體系，實現(xiàn)綜采的“一個流”連續(xù)作業(yè)。本項目所提出的智能化綜采體系架構(gòu)如圖1所示。

由圖1可知，該智能化綜采體系主要是以5G高速通信網(wǎng)絡(luò)為依托，將采煤機、液壓支架、刮板輸送機、乳化液泵站等綜采設(shè)備進行聯(lián)網(wǎng)控制，一方面對其智能化改造，提高設(shè)備的自主決策、自主運行能力，另一方面對各設(shè)備的運行情況進行動態(tài)監(jiān)測和預警，提高設(shè)備運行的可靠性，最后再通過聯(lián)合運行控制邏輯，實現(xiàn)對各設(shè)備的聯(lián)動運行控制。

該智能綜采體系構(gòu)架的核心主要包括5G高速數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)、采煤機的記憶截割智能控制、液壓支架的自主跟機運行控制、井下視頻監(jiān)控4個部分，這4個部分在智能綜采體系架構(gòu)下相互輔助運行，實現(xiàn)井下綜采作業(yè)面的“一個流”連續(xù)運行控制，極大地提升了井下作業(yè)的智能化和自動化水平。

2 5G高速數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)

為了滿足對煤礦井下綜采面各類設(shè)備運行狀態(tài)和生產(chǎn)的實時監(jiān)測和控制，在瞬間產(chǎn)生的數(shù)字通信量極大，同時為了保證整個智能化控制系統(tǒng)的運行可靠性，各類數(shù)據(jù)信息需要進行實時交互傳輸，加上井下作業(yè)環(huán)境復雜，各類干擾源干擾能力強，因此對井下數(shù)據(jù)通信提出了極高的要求。現(xiàn)有的井下數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)主要采用了電纜有線傳輸方案，由于傳輸條件的限制，數(shù)據(jù)傳輸能力差，極易出現(xiàn)數(shù)字信號不同步、數(shù)據(jù)傳輸衰減大的異常，而且有線傳輸方案存在著較大的局限性，需要鋪設(shè)較長的電纜，而采煤機、液壓支架運行過程中電纜極易折彎、破壞，難以滿足安全、可靠的數(shù)據(jù)傳輸需求［3］。

因此，為了滿足高度集成化的數(shù)據(jù)傳輸可靠性需求，本項目提出了一種基于5G高速傳輸?shù)臒o線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，該數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)包括了地面數(shù)據(jù)傳輸平臺和井下數(shù)據(jù)傳輸平臺。地面?zhèn)鬏斊脚_各設(shè)備之間采用了高速光纖網(wǎng)絡(luò)連接，提高數(shù)據(jù)通信的可靠性。井下數(shù)據(jù)傳輸平臺在各監(jiān)測設(shè)備上布置無線信號發(fā)射裝置，在井下布置多個5G數(shù)據(jù)通信基站，用于對監(jiān)測數(shù)據(jù)信號的增強處理，在井下控制中心處同步設(shè)置隔爆電源箱，確保供電的穩(wěn)定性和靈活性，能夠根據(jù)井下的監(jiān)測需求進行隨意的組合，此外，各數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)均進行了數(shù)據(jù)冗余設(shè)計，確保在特殊情況下系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。根?jù)實際應(yīng)用，該數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)能夠?qū)?shù)據(jù)傳輸效率提升17.6倍，將數(shù)據(jù)瞬時傳輸容量擴大9.4倍，有效保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎桶踩?。該高速?shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 采煤機的記憶截割智能控制

采煤機是煤礦井下綜采作業(yè)的核心，其運行的穩(wěn)定性和可靠性直接決定了井下綜采作業(yè)的安全性，由于井下地質(zhì)條件復雜，在綜采作業(yè)過程中，主要是依靠人工控制的模式進行截割作業(yè)，嚴重依賴于控制人員的操作經(jīng)驗，不僅難以實現(xiàn)塊煤率、截割比能耗的平衡性，而且也容易因為人工操作失誤而導致采煤機發(fā)生觸頂事故，影響綜采作業(yè)的效率和安全性。

因此，本項目提出了一種采煤機記憶截割智能控制系統(tǒng)［4］，通過對井下綜采面巖層數(shù)據(jù)的分析，快速判斷出巖層的硬度信息，然后傳輸?shù)讲擅簷C控制系統(tǒng)，根據(jù)硬度信息及地質(zhì)條件信息，控制采煤機的截割轉(zhuǎn)速、截割高度、進給速度等信息，實現(xiàn)對采煤機截割作業(yè)狀態(tài)的智能控制，該采煤機記憶截割智能控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

由圖3可知，該記憶截割控制系統(tǒng)主要包括了機械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)、反饋監(jiān)測系統(tǒng)等，在開始工作時采煤機首先在人工的控制下進行截割作業(yè)，反饋檢測系統(tǒng)則實時記錄采煤機的截割狀態(tài)信息，然后將截割路徑信息和截割參數(shù)信息儲存在采煤機內(nèi)，作為自動截割控制階段的調(diào)控依據(jù)。當采煤機進入到自動截割作業(yè)中時，系統(tǒng)調(diào)取記憶截割參數(shù)信息，然后通過控制采煤機按既定的截割參數(shù)進行自動截割作業(yè)。

為了進一步提升截割作業(yè)的可靠性，在系統(tǒng)中設(shè)置了截割電機監(jiān)控模塊，對截割電機的輸出電流進行監(jiān)測，通過電流的波動來對煤壁的硬度信息進行判斷［5］，采煤機記憶截割控制系統(tǒng)則根據(jù)煤壁的硬度情況和記憶截割參數(shù)信息，自動確定最佳的截割轉(zhuǎn)速、進給速度，從而在保證截割安全的情況下保證采煤機的塊煤率、截割比能耗等。

4 液壓支架的自主跟機運行控制

在井下綜采作業(yè)過程中，采煤機的位置不斷變化，綜采面上液壓支架的支護狀態(tài)不斷進行調(diào)整，滿足支護安全性的需求，防止截割滾筒和液壓支架護幫板出現(xiàn)片幫或者支護不及時現(xiàn)象。受井下復雜綜采作業(yè)條件影響，采煤機和液壓支架的相對位置難以實現(xiàn)精確判斷，因此多數(shù)煤礦主要采用人工監(jiān)測調(diào)整的方案，滿足液壓支架的跟機控制需求，不僅效率低下，而且經(jīng)常出現(xiàn)調(diào)節(jié)不到位、采煤機片幫等異常，嚴重影響了煤礦井下綜采作業(yè)的進行。

因此，本項目首先對液壓支架在跟機運行時的控制邏輯進行了分析，支架在整個運行過程中的支護狀態(tài)主要包括調(diào)節(jié)支護高度、調(diào)節(jié)頂梁支護角度、控制支架護幫板的收放等，為了滿足采煤機安全割煤的需求，在采煤機綜采作業(yè)方向上，需要不斷收起液壓支架的護幫板，避免采煤機截割滾筒和護幫板干涉，而在采煤機后側(cè)的液壓支架需要根據(jù)采煤機的截割作業(yè)情況不斷地完成降架—移架—升架—支護，保證對截割后煤層的可靠支撐。

為了保證對液壓支架、采煤機相互位置的精確監(jiān)測，本項目采用了編碼器+紅外線定位雙結(jié)合的定位判斷系統(tǒng)［6］，在液壓支架上安裝紅外線發(fā)射裝置，在采煤機上安裝紅外線接收裝置，紅外線發(fā)射裝置不斷地發(fā)出紅外線定位信號，液壓支架上的接收裝置接收到紅外線定位信號后會對接收角度進行判斷，從而解析處理采煤機和液壓支架的相對位置關(guān)系，進而實現(xiàn)定位。同時在采煤機上設(shè)置編碼器對采煤機的運行速度、運行距離進行記錄，再根據(jù)各支架和采煤機的位置關(guān)系進行判斷。當2種定位方式的定位結(jié)果一致時，系統(tǒng)控制液壓支架執(zhí)行相關(guān)動作，當2種定位方式的定位結(jié)果出現(xiàn)偏差后，系統(tǒng)自動進行二次定位分析，若依舊存在偏差，則系統(tǒng)暫停執(zhí)行并發(fā)出報警，由人工判斷后執(zhí)行。通過2種定位相結(jié)合的方式來實現(xiàn)采煤機、液壓支架位置的精確判斷，解決了單一定位方式定位不精確的難題，而且組合式定位的精度達到了±0.15 m，完全滿足井下采煤機、液壓支架的精確定位需求。

在液壓支架執(zhí)行自動跟機運行控制時，為了保證控制的精確性，對液壓支架的移架流程進行了劃分，液壓支架的移架主要包括移架開始時間、移架暫停范圍、移架暫停時間、到達移架時間、支架抬底開始時間、支架抬底到達時間6個部分，對各個部分的動作配合順序進行了優(yōu)化。液壓支架的移架開始時間與達到移架時間的循環(huán)與支架抬底開始時間、支架抬底到達時間要形成邏輯順序，在達到移架時間范圍內(nèi)，要包括支架的暫停時間、支架暫停范圍2組循環(huán)。為了保證跟機的穩(wěn)定性，在移架過程中可以暫停多次，而且每個支架可以多次調(diào)整支護姿態(tài)，滿足支護安全性的需求。液壓支架的自主跟機調(diào)節(jié)流程如圖4所示。

5 井下視頻監(jiān)控

井下視頻監(jiān)控主要目的是為了對井下各設(shè)備的運行狀態(tài)和協(xié)同運行情況進行直觀監(jiān)測，便于地面控制中心人員及時調(diào)整井下設(shè)備的運行情況，滿足綜采作業(yè)安全性需求。為了保證視頻監(jiān)控的準確性，在采煤機及井下巷道位置處均設(shè)置高清攝像裝置，同時攝像裝置具有360°全面監(jiān)控能力，能夠根據(jù)實際需求切換，保證了對井下綜采作業(yè)流程監(jiān)測的準確性和可靠性，監(jiān)測數(shù)據(jù)通過5G高速網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)降孛婵刂浦行?，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎途_性。該視頻監(jiān)測系統(tǒng)畫面如圖5所示。

6 結(jié)論

（1）5G高速數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)能夠?qū)?shù)據(jù)傳輸效率提升17.6倍，將數(shù)據(jù)瞬時傳輸容量擴大9.4倍，有效保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎桶踩浴?/p>

（2）采煤機自動截割控制系統(tǒng)，能夠根據(jù)記憶截割參數(shù)信息，自動確定最佳的截割轉(zhuǎn)速、進給速度，從而有效提升綜采作業(yè)的效率。

（3）紅外線定位+編碼器組合式定位的精度達到了±0.15 m，保證了液壓支架跟機運行時的控制精度和可靠性。

（4）該智能綜采控制體系能夠?qū)⒕伦鳂I(yè)人員數(shù)量降低39.7%，將綜采作業(yè)效率提升27.3%，為實現(xiàn)井下智能綜采控制和煤炭產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級奠定了基礎(chǔ)。