周 波

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)大斗溝煤業(yè)公司, 山西大同 037000）

在我國(guó)的能源經(jīng)濟(jì)發(fā)展中, 煤炭是其賴以生存的食糧, 一直以來(lái)都在一次性能源消費(fèi)中占據(jù)著十分重要的地位。煤炭開采過(guò)程大約存在90%左右的方式為井工開采, 環(huán)境和條件極為惡劣, 且存在瓦斯透水等多種風(fēng)險(xiǎn)因素。多年以來(lái), 礦井開采工作從單機(jī)機(jī)械化實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化的發(fā)展, 并逐漸趨向于智能化。當(dāng)前, 我國(guó)正在全力建設(shè)智慧礦井和智能化綜采作業(yè)面, 與其相對(duì)應(yīng)的是綜采技術(shù)及裝備也取得較快的發(fā)展, 綜采技術(shù)及其裝備具有的智能化水準(zhǔn)也是對(duì)作業(yè)面智能化進(jìn)行衡量的一個(gè)重要指標(biāo)。

1 智能化綜采系統(tǒng)架構(gòu)

智能化綜采作業(yè)面指的是礦井開采工作引入了一系列機(jī)電一體化的成套裝備, 如采煤機(jī)、自動(dòng)化液壓支架等, 實(shí)現(xiàn)了作業(yè)面的無(wú)人化、自動(dòng)化及遠(yuǎn)程化, 可以確保開采工作的安全性及高效性。智能化綜采系統(tǒng)是將一系列智能化技術(shù)進(jìn)行較好的融合, 如液壓、電氣、語(yǔ)言、視頻等。智能化綜采系統(tǒng)的構(gòu)成包含了三個(gè)部分, 分別為作業(yè)面、順槽和地面, 該系統(tǒng)的框架詳見(jiàn)圖1。其中, 作業(yè)面處于礦井下作業(yè)面, 作業(yè)面采用的主要裝備有液壓支架、采煤機(jī)、刮板運(yùn)輸機(jī)等, 通過(guò)實(shí)現(xiàn)各個(gè)單機(jī)設(shè)備之間的協(xié)作, 促使煤炭開采工作實(shí)現(xiàn)采、支、運(yùn)等工作的順利進(jìn)行。礦井下順槽部位通過(guò)將供液、供電、集控等系統(tǒng)設(shè)定為輔助設(shè)備, 以遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)供電、供液及裝備的運(yùn)行。地面部分需要建設(shè)中心調(diào)度中心, 利用環(huán)網(wǎng)來(lái)對(duì)下方的設(shè)備、人員、車輛等一系列信息進(jìn)行全方位、動(dòng)態(tài)化的遠(yuǎn)程監(jiān)控[1]。

圖1 礦井智能綜采系統(tǒng)框架圖

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

綜采作業(yè)面配置的裝備主要是以刮板運(yùn)輸機(jī)、采煤機(jī)及液壓支架為核心的三機(jī)設(shè)備為主來(lái)作為一個(gè)執(zhí)行單元, 實(shí)現(xiàn)三機(jī)的智能化是綜采作業(yè)面智能化的前提, 采煤機(jī)主要是為了滿足煤層發(fā)生的變化, 對(duì)滾筒的采高及運(yùn)行速率來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié), 以實(shí)現(xiàn)“采”功能；液壓支架的配置主要是為了滿足巖層壓力的變化, 對(duì)支護(hù)幫板進(jìn)行調(diào)節(jié), 以實(shí)現(xiàn)“支”功能；刮板運(yùn)輸機(jī)組主要是為了滿足煤流的變化, 對(duì)破碎及運(yùn)輸?shù)乃俣冗M(jìn)行調(diào)節(jié), 以實(shí)現(xiàn)“運(yùn)”功能[2]。如圖2所示為三機(jī)裝備技術(shù)的功能圖。

圖2 三機(jī)技術(shù)功能圖譜

2.2 采煤機(jī)智能化技術(shù)

目前, 在礦井中, 無(wú)鏈電牽引采煤機(jī)是其核心產(chǎn)品, 采煤機(jī)實(shí)現(xiàn)智能化主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面。

多傳感器融合感知技術(shù)：采煤機(jī)所配置的傳感器設(shè)備主要包含四種類型, 其功能分別為運(yùn)行狀態(tài)的感知、運(yùn)行環(huán)境的監(jiān)測(cè)、電機(jī)的動(dòng)態(tài)化管理和位姿的監(jiān)測(cè)。對(duì)采煤機(jī)的運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)主要是對(duì)作業(yè)面的人員定位、瓦斯等進(jìn)行監(jiān)測(cè), 外部監(jiān)測(cè)可以充分反映出采煤機(jī)的運(yùn)行環(huán)境, 判斷采煤機(jī)是否可以正常啟動(dòng)運(yùn)行。運(yùn)行狀態(tài)的感知主要指的是對(duì)液壓系統(tǒng)的壓力、采煤機(jī)的電控箱溫度、液壓系統(tǒng)的壓力等一系列指標(biāo)進(jìn)行感知, 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以將采煤機(jī)運(yùn)行階段各個(gè)裝備的正常狀態(tài)進(jìn)行反映。位姿監(jiān)測(cè)是保證采煤機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行的基礎(chǔ), 利用傾角儀及編碼器來(lái)分別取得作業(yè)面中采煤機(jī)的位置、機(jī)身的俯仰角度等相關(guān)數(shù)據(jù)。電機(jī)動(dòng)態(tài)管理單元, 通過(guò)運(yùn)用內(nèi)部PT100及PTC來(lái)對(duì)其運(yùn)行的過(guò)程中形成的溫度信息來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè), 另外, 通過(guò)運(yùn)用電流傳感器來(lái)取得電機(jī)的三相電流, 控制模塊通過(guò)分析三相電流及電機(jī)溫度來(lái)獲取過(guò)流、過(guò)溫等一系列信息[3]。

自主截割技術(shù):傳統(tǒng)采煤機(jī)的自主截割操作是以采煤機(jī)的記憶截割系統(tǒng)為基礎(chǔ), 通過(guò)對(duì)采煤機(jī)割煤過(guò)程進(jìn)行學(xué)習(xí), 掌握煤機(jī)、搖臂滾筒等速度變化, 并儲(chǔ)存相應(yīng)的記憶數(shù)據(jù)；而后采煤機(jī)可以利用記憶數(shù)據(jù)來(lái)完成采煤機(jī)的自主割煤。當(dāng)前, 采煤機(jī)可以利用規(guī)劃截割系統(tǒng)來(lái)完成自主截割。通過(guò)對(duì)采煤機(jī)的截割系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃, 及時(shí)接收到上位機(jī)所傳輸?shù)慕馗钋€, 然后系統(tǒng)將該曲線進(jìn)行分解, 使其成為各個(gè)工藝段的速度、采高等數(shù)據(jù), 并及時(shí)傳輸?shù)讲擅簷C(jī)的各個(gè)單元, 做出對(duì)應(yīng)的動(dòng)作。

數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸及監(jiān)測(cè)技術(shù):完成作業(yè)面到順槽集控中心的數(shù)據(jù)傳輸, 這需要依托于有效的遠(yuǎn)程通信技術(shù)。數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸可以利用有線/無(wú)線通信、載波通信等技術(shù), 其中載波通訊一般要維持500m以下的傳輸距離, 其主要是借助主電纜控制線具有的頻分復(fù)用技術(shù), 其傳輸?shù)乃俣染S持在15ms, 延時(shí)抖動(dòng)的速度為1ms, 可以對(duì)CAN、485等通信協(xié)議進(jìn)行支持。有線通信主要存在兩種方式, 分別為動(dòng)力和光纖兩種電纜, 動(dòng)力電纜主要是利用電纜之內(nèi)的芯線來(lái)完成遠(yuǎn)程傳輸, 其安全的傳輸距離一般超出了1500m, 速率一般低于20ms；光纖通信的傳輸距離可以超出1500m, 其優(yōu)勢(shì)主要為延時(shí)較低、寬帶較高[4]。

2.3 液壓支架智能化技術(shù)

液壓支架智能化的核心標(biāo)志是電液控制技術(shù)的日益成熟, 其關(guān)鍵功能是完成作業(yè)面自動(dòng)化的放煤、移架、噴霧等功能, 作業(yè)面對(duì)上百臺(tái)液壓支架進(jìn)行成組排列, 以有效支撐頂板, 并為設(shè)備構(gòu)建起安全空間。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的科研, 液壓支架的智能化技術(shù)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

自適應(yīng)控制技術(shù):該技術(shù)主要包含了自適應(yīng)的調(diào)斜、護(hù)幫等功能。通過(guò)在設(shè)備之中安裝壓力、行程、傾角等傳感器, 對(duì)液壓支架在跟機(jī)移架之中狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè), 通過(guò)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比來(lái)完成千斤頂或者護(hù)幫板的控制。

液壓系統(tǒng)智能控制技術(shù):傳統(tǒng)液壓支架中安裝的自動(dòng)跟機(jī)及移架是通過(guò)對(duì)電液閥進(jìn)行人為控制來(lái)完成一系列操作。人工操作具有一定的缺點(diǎn), 如靈活性較低、操作較為滯后等。液壓系統(tǒng)的智能化控制則是通過(guò)收集各種類型支架的動(dòng)作、用液量、動(dòng)作時(shí)間等一系列數(shù)據(jù), 針對(duì)不同的自動(dòng)化跟機(jī)動(dòng)作程序來(lái)對(duì)用液量進(jìn)行預(yù)判, 并傳輸?shù)奖谜镜目刂葡到y(tǒng), 對(duì)泵站的壓力進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié), 從而確保液壓支架實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的移架及跟機(jī)[5]。

自動(dòng)調(diào)直技術(shù):液壓支架在反復(fù)推進(jìn)的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)一定的誤差, 導(dǎo)致煤壁平直度出現(xiàn)彎曲, 更有甚至?xí)?dǎo)致煤機(jī)出現(xiàn)脫軌。目前, 該技術(shù)主要是利用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn), 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)需要搭載在采煤機(jī)上, 伴隨著采煤機(jī)的運(yùn)行而形成一個(gè)曲線, 通過(guò)采取插值算法, 基于標(biāo)準(zhǔn)的采煤刀數(shù)來(lái)對(duì)電液系統(tǒng)中的推移量進(jìn)行控制, 已完成作業(yè)面的自動(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)組又被稱之為“小三機(jī)”, 其所包含的裝備主要為破碎機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)和運(yùn)輸機(jī), 作用在于對(duì)開采煤塊進(jìn)行破碎、裝載及運(yùn)輸, 另外, 在采煤機(jī)中, 刮板運(yùn)輸機(jī)也是液壓支架和行走軌道持續(xù)推進(jìn)的支點(diǎn), 其中所采用的智能化技術(shù)主要包含以下兩個(gè)方面。

智能調(diào)速技術(shù):該技術(shù)主要是利用電機(jī)電流的反饋方式來(lái)明確運(yùn)輸?shù)呢?fù)載。系統(tǒng)依據(jù)負(fù)載的實(shí)際情況來(lái)對(duì)運(yùn)輸機(jī)鏈條的速度進(jìn)行調(diào)節(jié), 保證運(yùn)速與運(yùn)量之間的正相關(guān)性, 以減少刮板運(yùn)輸機(jī)的能源消耗。

鏈條張力自動(dòng)控制技術(shù):該技術(shù)主要是利用機(jī)尾自動(dòng)化伸縮裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。通過(guò)對(duì)油缸腔內(nèi)的壓力變化值進(jìn)行感應(yīng)來(lái)完成刮板運(yùn)輸機(jī)的實(shí)時(shí)控制, 從而使油缸的伸縮量可以得到較好的控制, 同時(shí)也可以對(duì)伸縮量設(shè)置臨界點(diǎn), 確保鏈條在啟停時(shí)可以得到較好的控制[6]。

3 智能化綜采技術(shù)發(fā)展歷程

隨著《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》的頒發(fā), 對(duì)礦井的智能化建設(shè)提出明確的規(guī)劃, 即“三步走”, 綜采技術(shù)也由此實(shí)現(xiàn)了智能化。綜采智能化的發(fā)展與裝備技術(shù)的智能化發(fā)展是相輔相成的, 我國(guó)依據(jù)綜采技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程, 將其智能化階段劃分為四個(gè)技術(shù)階段：一為1.0, 即可視化遠(yuǎn)程干預(yù)；二為2.0, 即作業(yè)面自動(dòng)化找直；三為3.0, 即透明化作業(yè)面；四為4.0, 即透明化礦井, 綜采技術(shù)發(fā)展的每一個(gè)階段都有著不同的技術(shù)水平。1.0階段的發(fā)展源于2010年, 其核心技術(shù)為液壓支架的自動(dòng)化跟機(jī)、采煤機(jī)的記憶截割、可視化的遠(yuǎn)程監(jiān)控, 輔助刮板運(yùn)輸機(jī)及其相關(guān)的設(shè)備, 確保作業(yè)面生產(chǎn)的高效和安全。2.0時(shí)期是以1.0時(shí)期為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的, 其加入了以慣性導(dǎo)航為技術(shù)核心的控制技術(shù), 有助于完成作業(yè)面找直工作的自動(dòng)化, 這一時(shí)期的發(fā)展有效解決了采煤階段中持續(xù)平直推進(jìn)的問(wèn)題。3.0時(shí)期所研究的核心技術(shù)為以透明化作業(yè)面為基礎(chǔ)的高精度三位地質(zhì)模型、大數(shù)據(jù)智能化分析的決策平臺(tái)、作業(yè)面綜采裝置的空間導(dǎo)航定位等。這一時(shí)期的技術(shù)十分依賴于透明作業(yè)面模型的精確度, 在作業(yè)面中三機(jī)裝備的智能化及其協(xié)作基礎(chǔ)之上, 將控制及決策的權(quán)限拓展至大數(shù)據(jù)決策中心, 各個(gè)不同的技術(shù)相互協(xié)作, 促使作業(yè)面實(shí)現(xiàn)了無(wú)人化開采。4.0階段是對(duì)3.0階段的深入延伸, 也是礦井實(shí)現(xiàn)智慧建設(shè)的必要支撐, 其中涉及到了十分全面系統(tǒng)的技術(shù), 這就要求裝備實(shí)現(xiàn)更為高級(jí)的智能化水平, 對(duì)于綜采工作而言, 這也可以成為全智能化自適應(yīng)的開采階段[7]。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)綜采智能化系統(tǒng)進(jìn)行闡述, 對(duì)其整體框架進(jìn)行明確認(rèn)識(shí), 以綜采作業(yè)面的智能化裝置為主, 對(duì)采煤機(jī)、液壓支架、刮板運(yùn)輸機(jī)當(dāng)前所運(yùn)用的智能化技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)闡述。另外, 對(duì)各種裝置的智能化技術(shù)所對(duì)應(yīng)的綜采智能化發(fā)展進(jìn)行總結(jié)。由此可以看出, 在礦井日后的發(fā)展中, 綜采智能化是其開采作業(yè)的必然趨勢(shì), 隨著科技的日益發(fā)展, 裝置的智能化水準(zhǔn)也得了極大的改善。裝置技術(shù)的不斷創(chuàng)新也將會(huì)促進(jìn)生產(chǎn)模式及能源領(lǐng)域的創(chuàng)新。