▊ 文/張利剛 李 波 陳靖承

近年來，我國煤礦智能化建設(shè)不斷加速，煤礦智能化正逐步走向規(guī)范化及標(biāo)準(zhǔn)化，根據(jù)國家規(guī)劃，到2025年全部大型煤礦將基本實現(xiàn)智能化，但煤礦智能化蓬勃發(fā)展的同時，智能采煤系統(tǒng)仍然存在各系統(tǒng)之間交互融合與協(xié)調(diào)配合差、不能多系統(tǒng)聯(lián)動進(jìn)行智能協(xié)同分析決策等問題。通過應(yīng)用采煤工作面設(shè)備智能聯(lián)動控制技術(shù)，將有力提升采煤工作面設(shè)備智能控制的總體水平，使工作面設(shè)備向著成套智能化控制的方向發(fā)展，減少單班工作人員數(shù)量，提升采面安全條件，降低職工勞動強(qiáng)度，提高礦井經(jīng)濟(jì)效益。

一、研究背景

我國井工礦綜采工作面智能化技術(shù)發(fā)展分為3個階段。第1階段為獨立單元自動化控制階段，典型標(biāo)志為單機(jī)可視化遠(yuǎn)程干預(yù)控制；第2階段為采面自動化階段，典型標(biāo)志為工作面自動移架、找直，采煤機(jī)記憶割煤與控制；第3階段為基于透明地質(zhì)的智能化開采階段，典型標(biāo)志為在建立三維地質(zhì)模型條件下實現(xiàn)無人開采。與之相對應(yīng)，依據(jù)設(shè)備自動化應(yīng)用的寬度和廣度、時間和空間、設(shè)備的協(xié)調(diào)能力、故障自愈能力、視頻監(jiān)視范圍等因素，綜采工作面智能化控制系統(tǒng)也可以分為初級、中級、高級3個等級。

總體而言，目前我國煤礦綜采工作面智能化發(fā)展尚處于第1階段，大多數(shù)煤礦智能化綜采工作面是初級智能化控制系統(tǒng)，雖然也有部分煤礦采用基于采煤機(jī)記憶截割、液壓支架自動跟機(jī)移架、刮板輸送機(jī)變頻調(diào)速、全景視頻拼接等技術(shù)，實現(xiàn)了“有人巡視、無人值守”的自動化開采，但工作面精準(zhǔn)地質(zhì)建模、工作面人員與設(shè)備精準(zhǔn)定位、基于煤層厚度變化與識別的智能截割、液壓支架與圍巖智能自適應(yīng)支護(hù)，尤其是綜采設(shè)備群智能協(xié)同聯(lián)鎖控制等技術(shù)仍尚待突破，我國的煤礦綜采工作面智能化建設(shè)任重道遠(yuǎn)。

二、研究目標(biāo)

項目以智能化為核心，對煤礦地質(zhì)條件、裝備進(jìn)行研究，以智能礦山為依托，建設(shè)智能控制平臺等，研究適應(yīng)于煤礦條件的“三機(jī)協(xié)同”、俯仰導(dǎo)向、增強(qiáng)型防碰撞等功能為核心，將工作面裝備融合到智能化大平臺中，為工作面提供智能化成套解決方案。主要是通過支架跟機(jī)自動化、工作面設(shè)備集中控制、煤流負(fù)荷控制等功能，進(jìn)一步提升礦區(qū)綜采工作面自動化、智能化水平。

三、研究內(nèi)容

1.“三機(jī)”聯(lián)鎖控制技術(shù)

在智能采煤工作面，“三機(jī)”的作用不僅僅是運(yùn)輸煤炭、刮板輸送機(jī)的搭建以及確定采煤機(jī)的行走軌道這三方面，還要實現(xiàn)轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、刮板輸送機(jī)間啟停時的互鎖控制，其中，刮板輸送機(jī)更是綜合機(jī)械化采煤中不可缺少的主要設(shè)備?！叭龣C(jī)”連鎖控制系統(tǒng)分為兩部分。

（1）多點、多維度監(jiān)控（自動張緊、各類傳感器監(jiān)測）和啟動（變頻啟動、液力耦合器啟動）系統(tǒng)，并預(yù)留多種通信拓展接口。

（2）智能聯(lián)鎖啟停控制系統(tǒng)，設(shè)備的順序啟停、閉鎖控制與采煤工作面設(shè)備較為獨立，即一套“三機(jī)”設(shè)備可以配套多種集控系統(tǒng)。本項目主要實現(xiàn)轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、刮板輸送機(jī)間啟停時的互鎖控制。

2.采煤機(jī)與工作面“三機(jī)”負(fù)荷平衡智能控制技術(shù)

通過接收各測量點煤量負(fù)載信息，由工作面控制中心根據(jù)負(fù)載及數(shù)據(jù)分析，結(jié)合多點煤量掃描、實時功率算法及綜合參數(shù)算法實現(xiàn)單元負(fù)荷智能控制。根據(jù)采煤機(jī)截割、牽引電機(jī)的電流和溫度，刮板輸送機(jī)電機(jī)電流溫度以及泵站、“三機(jī)”等其他相關(guān)數(shù)據(jù)，由地面服務(wù)器智能分析煤流實時負(fù)荷，根據(jù)負(fù)荷情況，調(diào)節(jié)各設(shè)備轉(zhuǎn)動速度等。工作面單元設(shè)備故障停機(jī)時，智能閉鎖采煤工作面系統(tǒng)。例如，當(dāng)刮板輸送機(jī)故障停機(jī)時，智能實現(xiàn)對帶式輸送機(jī)、破碎機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、采煤機(jī)等按邏輯關(guān)系順煤流閉鎖停機(jī)的功能。

（1）煤位傳感器原理。GUH2.5礦用隔爆兼本安型紅外煤位傳感器，適用于煤礦井下爆炸性氣體環(huán)境。煤位傳感器以“各點煤流量”為對象，包含刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、帶式輸送機(jī)等“煤流流經(jīng)設(shè)備”，可以實時掃描煤流的斷面形狀，通過精確算法，得出實時煤量，并將數(shù)據(jù)通過多種通信端口傳給控制器或顯示器。煤位傳感器通過紅外掃描部件，實時采集各個角度上的紅外線測距離；通過主控板對這些反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行積分運(yùn)算和差值運(yùn)算，獲得所測煤流的形狀、剖面積、高度等信息；通過多種通信接口，將流量信息提供給煤流控制系統(tǒng)，實現(xiàn)礦用運(yùn)輸電機(jī)的實時精準(zhǔn)變頻。

（2）煤位傳感器安裝。煤位傳感器為紅外掃描設(shè)備，應(yīng)吊裝固定在需檢測煤流斷面中點的正上方0.8～2.5m處。測量窗向下，沿測量窗長邊對著煤流斷面以50～100Hz的頻率往復(fù)掃射。煤位傳感器安裝位置如圖1所示。

圖1 煤位傳感器安裝位置示意圖

依據(jù)圖1，煤位傳感器要安裝在煤流橫向面的中線上，傳感器和測量窗的安裝高度要滿足傳感器掃描的角度范圍，能夠覆蓋整個煤流的橫向范圍，也就是圖1的測量面的寬度。

3.采煤機(jī)與噴霧系統(tǒng)聯(lián)動控制技術(shù)

隨著大采高工作面開采割煤、運(yùn)輸、設(shè)備前移等動作強(qiáng)度的增大，產(chǎn)生的煤塵量也大幅增加。采煤機(jī)啟動牽引電機(jī)后，自動開啟采煤設(shè)備噴霧和支架噴霧功能，當(dāng)采煤機(jī)停止?fàn)恳姍C(jī)后，噴霧泵可自動停止噴霧。采煤設(shè)備噴霧聯(lián)動控制技術(shù)具有多點同時噴霧、延時噴霧、自動噴霧等功能，能夠有效控制煤塵的擴(kuò)散。

4.一鍵啟?？刂?/h3>

在地面生產(chǎn)指揮控制中心操控平臺按下啟動、停止按鈕，可以自動控制采煤工作面泵站、帶式輸送機(jī)、破碎機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、刮板輸送機(jī)、采煤機(jī)的順序啟停；軟件采用邏輯算法，根據(jù)設(shè)備之間的互聯(lián)互鎖關(guān)系，進(jìn)行設(shè)備的順序邏輯啟停控制，通過工業(yè)環(huán)網(wǎng)實現(xiàn)對采煤工作面設(shè)備的遠(yuǎn)程一鍵控制。一鍵啟?？刂萍夹g(shù)實現(xiàn)了啟停過程全自動化，啟動和停止流程遵循“逆煤流啟動，順煤流停止”原則。

四、研究創(chuàng)新點

首次采用人機(jī)智能融合控制的生產(chǎn)模式，通過多點煤流實時測量，經(jīng)服務(wù)器邏輯運(yùn)算，對工作面采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、破碎機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、帶式輸送機(jī)、泵站等主要設(shè)備進(jìn)行智能控制，有效提升了采煤工作面整體裝備的智能化水平，是我國采煤裝備重大科技成果的集中體現(xiàn)，體現(xiàn)了我國工業(yè)化和信息化的水平。

五、結(jié)論

采煤工作面設(shè)備智能聯(lián)動控制應(yīng)用研究主要是進(jìn)行“三機(jī)”聯(lián)鎖控制和采煤機(jī)與“三機(jī)”的負(fù)荷平衡智能調(diào)節(jié)控制兩方面的研究，為智能化采煤工作面提供了成套的解決方案。

（1）研究適用于煤礦的轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、刮板輸送機(jī)，實現(xiàn)“三機(jī)”智能協(xié)同、聯(lián)鎖控制。

（2）研究建立“三機(jī)”為一體的智能閉鎖采煤工作面系統(tǒng)，并在此系統(tǒng)增加煤位傳感器，采集煤流煤量實時數(shù)據(jù)，再結(jié)合采煤機(jī)和“三機(jī)”動作時的相關(guān)實時數(shù)據(jù)，智能分析煤流的實時負(fù)荷，根據(jù)負(fù)荷情況，自主對相關(guān)單元進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)采煤機(jī)與“三機(jī)”的負(fù)荷平衡智能調(diào)節(jié)控制。