鄭曉峰

（永定莊煤業(yè)公司，山西 大同 037003）

引言

煤礦井下綜采面煤層的平均煤厚5.6 m，基本頂為粉砂巖，平均厚度為3.35 m，直接頂為泥巖，平均厚度為5.39 m，偽頂為泥巖，平均厚度為1 m，直接底為砂質(zhì)泥巖，平均厚度為11.88 m。在綜采過程中采用了長壁綜合機(jī)械化放頂煤開采法，采放比為1.24∶1，放煤步距為800 mm。在綜采作業(yè)過程中由于沒有統(tǒng)一的智能化綜采控制系統(tǒng)，因此井下綜采作業(yè)主要是依靠調(diào)度員結(jié)合各處的信息進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度管理，效率低、易出錯(cuò)，無法滿足煤礦井下智能化綜采作業(yè)的發(fā)展趨勢。

針對這一現(xiàn)狀，煤礦組織技術(shù)攻關(guān)，最終提出了一種具有高度智能化的井下綜采智能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)以“感知、決策、執(zhí)行、運(yùn)維”4 個(gè)智能化控制模塊為基礎(chǔ)，通過對地質(zhì)狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)、開采環(huán)境的監(jiān)測，判斷目前的綜合綜采環(huán)境，針對性的進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)調(diào)整決策，然后將決策信息發(fā)送給各個(gè)執(zhí)行設(shè)備，同時(shí)系統(tǒng)還具有自主故障判斷和分析能力，提高設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)井下綜采作業(yè)的智能化。根據(jù)在煤礦的實(shí)際應(yīng)用可知，該自動(dòng)化綜采控制系統(tǒng)能夠?qū)⒕伦鳂I(yè)人員數(shù)量降低60%，將綜采效率提高25.7%。目前該系統(tǒng)已在多個(gè)煤礦得到了初步應(yīng)用，具有較大的應(yīng)用推廣價(jià)值。

1 智能化綜采系統(tǒng)架構(gòu)

結(jié)合煤礦井下的實(shí)際情況和智能化綜采作業(yè)的需求，以實(shí)現(xiàn)綜采作業(yè)的自動(dòng)化為目標(biāo)，所提出的智能化綜采控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，如第273 頁圖1 所示[1]。

由圖1 可知，該智能綜采控制系統(tǒng)主要分為感知模塊、決策模塊、執(zhí)行模塊和運(yùn)行維護(hù)模塊四個(gè)部分，四個(gè)模塊之間呈相互依存的關(guān)系，形成一個(gè)閉環(huán)的數(shù)據(jù)流，滿足綜合控制安全性和精確性的需求。感知模塊主要是通過各類傳感器設(shè)備對煤礦井下的地質(zhì)環(huán)境情況、綜采設(shè)備運(yùn)行情況和狀態(tài)、井下空氣狀態(tài)等進(jìn)行綜合判斷，為決策層的決策提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，便于控制人員及時(shí)了解煤礦井下綜采作業(yè)的實(shí)際狀態(tài)。決策模塊主要是根據(jù)對井下綜采作業(yè)狀態(tài)的判斷來確定綜采作業(yè)設(shè)備的聯(lián)動(dòng)運(yùn)行模式并對各綜采設(shè)備的綜采作業(yè)狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整。執(zhí)行模塊主要是各類綜采設(shè)備，當(dāng)接收到?jīng)Q策模塊傳遞過來的調(diào)整指令后，自動(dòng)控制設(shè)備進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)井下綜采作業(yè)的聯(lián)動(dòng)綜采控制和智能調(diào)控[2]。

圖1 煤礦智能化綜采控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

由于整個(gè)系統(tǒng)涵蓋了井下幾乎所有的監(jiān)測設(shè)備、綜采設(shè)備、通信設(shè)備等，因此為了確保整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，在系統(tǒng)能增加了“運(yùn)行維護(hù)”模塊，根據(jù)對各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測，自動(dòng)對設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性進(jìn)行判斷和預(yù)警，同時(shí)能夠輸出檢測報(bào)告，便于控制人員針對性的對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，提升井下綜采系統(tǒng)的運(yùn)行安全性。

2 智能感知模塊

智能感知模塊的目的是建立一個(gè)相對“透明”的綜采環(huán)境，目前對綜采設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測、井下空氣狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)相對成熟，能夠直觀、精確的判斷設(shè)備和井下空氣狀態(tài)。但由于井下地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，對井下地質(zhì)環(huán)境的監(jiān)測效率低、精確性差，成為影響綜采作業(yè)正常、高效運(yùn)行的關(guān)鍵。

針對井下實(shí)際情況，提出了采用虛擬現(xiàn)實(shí)和高精度三維動(dòng)態(tài)建模的方式，將前期地質(zhì)勘探結(jié)果，轉(zhuǎn)換為直觀而清晰的三維結(jié)構(gòu)模型，實(shí)現(xiàn)對綜采作業(yè)過程中地質(zhì)狀態(tài)的精確感知，煤礦井下地質(zhì)狀態(tài)三維模型構(gòu)建原理及構(gòu)建結(jié)果，如第273 頁圖2 所示。

圖2 井下地質(zhì)狀態(tài)智能感知判別原理

在建立地質(zhì)三維模型時(shí)，為了提高建模的效率和準(zhǔn)確性，煤礦綜合采用了紅外巖層界面識(shí)別技術(shù)、超寬帶電磁波精確探測技術(shù)、超寬帶雷達(dá)探測、井下鉆孔復(fù)測修正技術(shù)等[3]，滿足井下地質(zhì)建模的準(zhǔn)確性和效率需求。

3 智能決策及執(zhí)行模塊

智能決策模塊是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，在對感知模塊監(jiān)測信息進(jìn)行分析判斷的基礎(chǔ)上，需要結(jié)合煤礦井下的實(shí)際情況來設(shè)置綜采作業(yè)的工藝流程，滿足綜采作業(yè)的智能決策和自動(dòng)化控制需求，煤礦井下智能決策模塊智能開采工藝流，如第274 頁圖3所示[4]。

由圖3 可知，在該智能決策和執(zhí)行模塊中，提出了液壓支架的自動(dòng)姿態(tài)判斷和調(diào)整原理，用于實(shí)現(xiàn)對液壓支架支護(hù)狀態(tài)的自動(dòng)調(diào)整并保證跟機(jī)運(yùn)行過程中的調(diào)控精確性。通過分布式系統(tǒng)控制技術(shù)來確保在綜采作業(yè)過程中采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架等設(shè)備的協(xié)同運(yùn)行穩(wěn)定性。

圖3 自動(dòng)化截割工藝流程

煤礦在進(jìn)行該智能化綜采控制系統(tǒng)構(gòu)建時(shí)，充分考慮了井下綜采作業(yè)工藝流程，結(jié)合對自動(dòng)綜采結(jié)構(gòu)控制穩(wěn)定性的需求，首先對綜采工藝流程進(jìn)行了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，使其滿足井下綜采設(shè)備布置和控制邏輯，然后在此基礎(chǔ)上對綜采控制邏輯進(jìn)行優(yōu)化，提升控制穩(wěn)定性和可靠性。

4 應(yīng)用效果分析

該自動(dòng)化綜采控制系統(tǒng)投入應(yīng)用以來，經(jīng)過近一年的調(diào)試運(yùn)行，表現(xiàn)出了極高的穩(wěn)定性，井下綜采面的作業(yè)人員數(shù)量由最初的65 人/班降低到了目前的39 人/班，人員數(shù)量降低了60%。井下巷道綜采速度由最初的11.4 m/d，提升到了目前的14.33 m/d，極大的提升了井下綜采作業(yè)的效率和安全性，初步實(shí)現(xiàn)了“少人化”的綜采作業(yè)，為后續(xù)實(shí)現(xiàn)“無人化”綜采作業(yè)奠定了基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

針對煤礦井下自動(dòng)化綜采技術(shù)落后、綜采效率低、安全性差的情況，開發(fā)了一種新的煤礦井下自動(dòng)化綜采控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了井下綜采作業(yè)的自主判斷和決策，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明：

1）智能綜采控制系統(tǒng)主要分為感知模塊、決策模塊、執(zhí)行模塊和運(yùn)行維護(hù)模塊四個(gè)部分，四個(gè)模塊之間呈相互依存的關(guān)系，形成一個(gè)閉環(huán)的數(shù)據(jù)流，滿足綜合控制安全性和精確性的需求。

2）綜合采用了紅外巖層界面識(shí)別技術(shù)、超寬帶電磁波精確探測技術(shù)、超寬帶雷達(dá)探測、井下鉆孔復(fù)測修正技術(shù)等，能有效提升井下地質(zhì)三維建模的準(zhǔn)確性；

3）該自動(dòng)化綜采控制系統(tǒng)能夠?qū)⒕伦鳂I(yè)人員數(shù)量降低60%，將綜采效率提高25.7%，為后續(xù)實(shí)現(xiàn)“無人化”綜采作業(yè)奠定了基礎(chǔ)。