＊張捷睿

（山西省地寶能源有限公司 山西 030045）

煤礦的發(fā)展對于促進國民經(jīng)濟的發(fā)展起著舉足輕重的作用，近幾年，煤礦企業(yè)越來越多地關(guān)注著這一領(lǐng)域。自動控制技術(shù)已被普遍地用于礦井生產(chǎn)。在礦井作業(yè)中，充分運用各種智能技術(shù)，對提高礦井生產(chǎn)經(jīng)營的實效性具有重要意義。將采煤機械的自動化技術(shù)用于礦井無人作業(yè)，已經(jīng)是目前國際上煤礦工業(yè)所關(guān)注的一個主要內(nèi)容。

1.無人開采技術(shù)研究

（1）關(guān)于無人工作面自動采煤技術(shù)介紹。無人開采采用了當今最尖端的技術(shù)，包含了隧道通信技術(shù)、開采技術(shù)，主要有：自動化鉆孔、自動裝煤、自動卸料等，其技術(shù)依據(jù)是高速隧道通信與高精密的地面定向，而無人開采技術(shù)則是在露天開采區(qū)之外的地方操作機械，實現(xiàn)工作面的破煤、裝煤、運煤等各個工序。

無人采掘具有廣泛的應(yīng)用前景，其中有在薄煤區(qū)內(nèi)可進行刨煤機的機械化采煤，無人工作面進行高瓦斯煤層的提前排出，確保了煤礦的安全。并對常規(guī)采礦技術(shù)進行了充實和提高，采用了先進、完善的采場監(jiān)控和監(jiān)視技術(shù)。通過運用先進的自動化技術(shù)，使企業(yè)的資源合理分配，提高了企業(yè)的生產(chǎn)能力和效益。

（2）無人工作面采煤機智能控制關(guān)鍵技術(shù)。該技術(shù)支持主要有：采煤機械的自控、刮板運輸機的自動推進、地下高速通信、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等。

煤礦井下作業(yè)的智能化控制系統(tǒng)可分為空調(diào)式和遙調(diào)式兩種，通過井口監(jiān)測與多個系統(tǒng)相連通，并在綜采工作面的輸送管道上進行采集，將采集到的信息傳送給工作面的操作平臺，視頻監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能是在電腦上進行實時圖像的實時顯示[1]。

對采煤機械進行智能化的控制，根據(jù)輥子的高低，智能化調(diào)整拖動速率，保證輥子能夠在工作臺上進行特定的作業(yè)。煤層的預(yù)報為以后調(diào)整輥身的工作提供了參考，如果50mm的高度變動則可實現(xiàn)對切高的調(diào)整。

智能化的采掘技術(shù)通過智能的感知，按照控制系統(tǒng)的命令對裝備進行操作。即便沒有工人參加的工作面支撐和各個生產(chǎn)工序，也能實現(xiàn)煤礦生產(chǎn)的特定知覺和控制作業(yè)[2]。

在研究過程中根據(jù)煤礦的實際需要，利用智能化的控制體系進行實時的防滲，通過采用自動化的方法實現(xiàn)相應(yīng)的生產(chǎn)作業(yè)。在進行采煤機的推進作業(yè)時需要以需求為基礎(chǔ)，采用全面的方法進行計算，從而得到最后的成果。

在智能化的自適應(yīng)采礦技術(shù)模型中，自適應(yīng)調(diào)整技術(shù)已得到了廣泛的運用。它在煤礦生產(chǎn)過程中起著關(guān)鍵的作用，其中包括對煤層進行自動識別和智能控制，以及煤巖的自動判別和感測技術(shù)保證機械化生產(chǎn)的高效。在進行采煤作業(yè)時，對提高采收率具有很大的幫助。但是這種技術(shù)的使用存在很大的不確定性。智能控制技術(shù)是根據(jù)煤體的邊界特征，對輥子進行自動調(diào)整，使輥子有較大的調(diào)整空間[3]。

（3）國內(nèi)外煤礦無人開采技術(shù)研究現(xiàn)狀。在我國社會經(jīng)濟發(fā)展水平不斷提高、煤炭資源需求量日益增加以及煤礦安全生產(chǎn)形勢日趨嚴峻等因素影響下，對于煤礦企業(yè)提出了更高要求。目前，在煤礦開采中應(yīng)用最為廣泛和先進的是無人化開采技術(shù)與裝備。但是由于相關(guān)領(lǐng)域的研究起步較晚且理論體系較為薄弱，導(dǎo)致該項技術(shù)還處于探索階段。

我國的科研機構(gòu)已經(jīng)開始研發(fā)采礦機械、礦井GPS等相關(guān)技術(shù)，并已初見成效。其中無人開采技術(shù)主要體現(xiàn)在無人運輸設(shè)備及自動控制設(shè)備兩方面。而自動控制設(shè)備則包括計算機系統(tǒng)及通信系統(tǒng)兩個部分。這些都為無人開采技術(shù)的進一步完善奠定了基礎(chǔ)，也使得其具備良好的可操作性。通過將上述兩種方式相結(jié)合可以實現(xiàn)對整個礦區(qū)進行全面有效的管理，從而達到高效安全開采的目的。同時這種新型開采模式具有很強的靈活性，能夠根據(jù)實際情況調(diào)整開采參數(shù)。

2.無人工作面采煤系統(tǒng)組成

無人作業(yè)系統(tǒng)是一種具有高度智能化的集成系統(tǒng)，它包括了集中式工作面控制系統(tǒng)、設(shè)備姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、通訊網(wǎng)絡(luò)平臺等多個核心技術(shù)。該智能化集成控制裝置是煤礦安全生產(chǎn)中的關(guān)鍵技術(shù)，同時也是礦井作業(yè)中與作業(yè)工人之間的聯(lián)系。

該系統(tǒng)主要由十大子系統(tǒng)組成：綜采工作面數(shù)據(jù)監(jiān)控及三維顯示子系統(tǒng)、刮板、轉(zhuǎn)載、破碎、皮帶運輸連鎖控制系統(tǒng)。其中供電設(shè)備及數(shù)據(jù)監(jiān)控子系統(tǒng)、綜采工作面視頻監(jiān)控子系統(tǒng)、自身具有遠程測控和姿態(tài)檢測的智能化效果。另外，工況檢測子系統(tǒng)、供電設(shè)備及數(shù)據(jù)監(jiān)控子系統(tǒng)、泵站控制與數(shù)據(jù)監(jiān)測子系統(tǒng)、刮板機俯仰傾角及曲線變化檢測傳感器子系統(tǒng)這些系統(tǒng)是通過建立工作面實時工業(yè)以太網(wǎng)與無線覆蓋網(wǎng)絡(luò)，將各個相關(guān)設(shè)備聯(lián)系在一起，完成對整個工作面的智能化操作管理[4]。

3.無人工作面的采煤機智能控制關(guān)鍵技術(shù)分析

眾所周知，煤是一種不可再生的能源，因為我國對煤礦的需求量越來越大，煤礦的開發(fā)也進入了一個新的階段，隨著煤礦的發(fā)展，厚煤層和中厚度煤層的開發(fā)也越來越頻繁，在這種情況下薄煤層的開發(fā)技術(shù)也進入了一個新的階段，成為了國際上最熱門的話題。其中提到了無法開采和難以采礦的煤礦，必須依靠無人采礦的采煤器，而薄煤層就是其中之一，因為在國外很少有人使用，所以需要進一步進行研究。

（1）采煤機自主定位與自動導(dǎo)航系統(tǒng)。煤礦無人開采技術(shù)是將地下通信系統(tǒng)與高精度地下定位、定向系統(tǒng)有機地結(jié)合起進行的，我國在此領(lǐng)域的發(fā)展并不順利，而將GIS技術(shù)與無人開采定位技術(shù)結(jié)合起的無人開采技術(shù)在國際上也尚屬首次，相關(guān)人員研制了自主定位系統(tǒng)的無人開采采煤機是一項重大的突破，它的研究主要有：采煤機動力學模型、運動目標定位精度計算、航位推算系統(tǒng)誤差補償模型、航位推算系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性問題、礦井電子地圖定位系統(tǒng)的構(gòu)建及地圖匹配（MM）技術(shù)[5]。為了提高無人開采采煤機的精準度和穩(wěn)定性，提出一種基于GPS衛(wèi)星信號的自主定位系統(tǒng)，該方法利用北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）獲取地面站坐標信息，通過采集數(shù)據(jù)對采掘面點的經(jīng)緯度坐標進行修正，然后再根據(jù)采煤機的運行狀態(tài)確定其當前所處點位，最后通過自主控制算法達到實時控制采掘面點的目的。

（2）井上、井下的雙向高速通訊技術(shù)。煤礦通訊在煤礦開采中起著舉足輕重的作用，如何準確、清晰、完整、快速的將各種數(shù)據(jù)、現(xiàn)場情況、實際參數(shù)等數(shù)據(jù)發(fā)送到煤礦中是當前的重點，相關(guān)人員需要將上下數(shù)據(jù)的雙向傳送，而如何進行雙向的數(shù)據(jù)傳送是一個需要進一步完善和改善的問題。目前，我國已經(jīng)有很多礦井都建立了自己的無線通信系統(tǒng)，但是這些系統(tǒng)大多是單向傳輸數(shù)據(jù)，并且只能實現(xiàn)單方向通信功能，而無法實現(xiàn)雙向通信功能，這就導(dǎo)致礦工與管理人員之間不能及時有效地獲取到最新的信息，同時由于受到地理環(huán)境以及外界環(huán)境因素影響，一些偏遠地區(qū)的通訊信號也比較差。

（3）采礦工藝智能化技術(shù)。無人開采技術(shù)本身就是一種智能化的技術(shù)，而無人機的關(guān)鍵在于智能系統(tǒng)應(yīng)用，無人開采技術(shù)的目的是為了實現(xiàn)無人生產(chǎn)，為了確保生產(chǎn)的安全才會讓礦井更加的智能化。從而使整個采掘機械與生產(chǎn)流程協(xié)調(diào)、匹配、調(diào)整、修復(fù)乃至再利用，其技術(shù)的智能化還有待進一步的探索和實驗[6]。在煤礦開采過程中，對于采煤機進行維修時，需要根據(jù)實際情況選擇合適的維修方法，并結(jié)合實際需求制定相應(yīng)的方案。同時要注意到采掘設(shè)備的運行狀態(tài)以及相關(guān)參數(shù)是否存在異常情況等，一旦發(fā)現(xiàn)有任何問題就要立即采取措施加以解決，以免造成不必要的損失，影響正常作業(yè)效率及質(zhì)量。

（4）工作面組件式軟件與模型。基于采煤機的特點，開發(fā)了工作面的組合程序及建模，其功能是進行采煤作業(yè)過程中將危險報警、煤礦環(huán)境安全評價、自動開采、實時監(jiān)測、故障診斷等集合在一起，為了確保工作的安全性，則需要努力研發(fā)出更多種類和多功能的型號和模塊化的軟件?；诖?，首先對采煤機的基本參數(shù)、傳感器的類型、測量方法等進行了詳細地介紹，然后通過計算機軟件對采集到的信息進行整理分析，最后將收集到的各種數(shù)據(jù)進行分類整理后形成一個完整的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，這樣可以方便后期的維護管理。該系統(tǒng)還能夠?qū)Σ杉降臄?shù)據(jù)進行存儲管理，便于以后的數(shù)據(jù)分析使用。

圖1 無人開采技術(shù)工作流程圖

（5）多傳感器技術(shù)。在無人作業(yè)的過程中，由于工作人員要收集各種數(shù)據(jù)，所以必須要收集到很多功能各異的采煤設(shè)備，同時進行多個功能與多個感應(yīng)器的聯(lián)合應(yīng)用，以獲得更多的數(shù)據(jù)，而有些時候數(shù)據(jù)收集還得靠多個感應(yīng)器進行集成，這些都是無人機的核心技術(shù)，還有待于不斷的改進和調(diào)整。多傳感器由雷達傳感器、激光雷達傳感器以及攝像頭等組成，它們之間相互配合實現(xiàn)自動化的操作控制。其中雷達傳感器主要用于檢測煤巖的位置變化。激光雷達傳感器則用監(jiān)測煤礦周圍環(huán)境的情況。攝像頭則負責記錄下現(xiàn)場的實時圖像并傳送給電腦。這種多傳感器技術(shù)不僅提高了工作效率，也降低了成本。

圖2 煤堆專用傳感器

（6）無人工作面數(shù)據(jù)庫技術(shù)。在任何一個產(chǎn)業(yè)中數(shù)據(jù)庫都是非常關(guān)鍵的，因為許多工作都是建立在大量的細節(jié)數(shù)據(jù)上，比如做計劃、查詢、修改等。同時，通過對煤礦開采過程中的信息進行查詢、分析和應(yīng)用，對礦井的安全問題可以實現(xiàn)模擬分析和預(yù)測，為礦井的安全管理奠定基礎(chǔ)。無人作業(yè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫包含了大量的資料，其中包含了大量的地質(zhì)工程資料以及一些被加工的數(shù)據(jù)。如何快速地實現(xiàn)三維實體的拓撲描述和表達、組織和動態(tài)的維護，是目前數(shù)據(jù)庫技術(shù)亟待解決的問題。

4.案例分析

某煤礦生產(chǎn)技術(shù)選擇了綜合采掘，依據(jù)礦壓參數(shù)選擇工作面設(shè)備ZY3300/07/13D電液控井架操作和SGZ630/220工作面刮板運輸機運輸能力450t/h，SPJ-800膠帶運輸機運輸容量350t/h，監(jiān)控系統(tǒng)采用超低光、寬角度的視頻監(jiān)視，采煤機采用遙控系統(tǒng)，中央控制室安裝視頻檢測裝置，3套聯(lián)動控制系統(tǒng)。

利用內(nèi)置式工業(yè)計算機對采煤機進行狀態(tài)信息的實時采集，由采煤機駕駛員在集控中心通過設(shè)置采煤機的傳感器完成搖臂式傾斜，從而在不需要人工介入的情況下，由采煤機的工控機對采煤進行自動的存儲和操作。采煤機駕駛員在確定了樣機后，可以讀取采煤機的歷史工作狀況，當系統(tǒng)顯示出的設(shè)備運行狀況有問題時，可以在任何時候由采煤機遙控裝置自動終止。該工作臺的油管支架是由井下主電腦、紅外發(fā)送機、耦合器、網(wǎng)端子、架間線、電磁式導(dǎo)向閥門等構(gòu)成。該系統(tǒng)采用了機械跟蹤、導(dǎo)架和人工操縱等多種作業(yè)模式。

液壓托架自動跟蹤功能是基于采煤機的定位，通過在采煤機的紅外線發(fā)射裝置實現(xiàn)定位，通過紅外接收裝置將探測到的采煤點位置信息發(fā)送到主控制中心，再對采煤機的定位進行指令。

由于采高受限等原因必須采取割頂破底法，造成采煤機鎬式截齒量較大，由于CIA區(qū)內(nèi)裝煤效率較低，因此，采取增加卷筒的螺旋式上升角度和增設(shè)采煤機上的采煤板，可以有效地解決這一問題。

5.無人工作面的采煤機智能控制技術(shù)未來展望

在煤炭行業(yè)快速發(fā)展的背景下，為了進一步提升我國煤礦開采水平、降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)經(jīng)濟效益，需要將計算機技術(shù)應(yīng)用到煤礦開采中，并對其進行合理運用?，F(xiàn)階段，國內(nèi)很多煤礦企業(yè)都采用了先進的信息系統(tǒng)輔助開采作業(yè)，以達到高效管理生產(chǎn)流程的目的。同時，在實際操作過程中也取得了一定成效，如對礦井地質(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)條件進行分析，實現(xiàn)自動控制設(shè)備運行。在未來發(fā)展中應(yīng)當加強人工智能技術(shù)與自動化系統(tǒng)之間的結(jié)合，從而使得整個煤礦開采流程更加科學合理。

6.結(jié)束語

綜上所述，對于礦井的開發(fā)涉及到的問題很多，比如礦井的智能化管理，這是一個非常復(fù)雜的過程，要做到這一點，必須要做很多的工作，需要結(jié)合實際情況做好適度調(diào)整，并加強智能化的應(yīng)用，為了讓無人機的智能化開采系統(tǒng)變得更好，還需要進一步的研究。