浅谈综采自动化及发展趋势

赵宇星

（神华神东煤炭集团公司石圪台煤矿，陕西 榆林 719315）

摘 要：本文重点介绍了基于JOY采煤机及玛珂PM32支架电液控制系统的自动化综采工作面的硬件配套、组织结构及各设备相互间的通信方式；在此基础上，阐述了综采自动化需要编辑的程序及需要设计的参数。分析了跟机自动化割煤的工艺，并指出了关于如何进一步提升综采自动化水平的方向。

关键词：采煤机；电液控制系统；综采自动化

中图分类号：TD82 文献标识码：A

1引言

当今世界能源越来越受到人们的关注。作为工业生产中重要的能源，煤炭也倍受社会的关注。煤矿的出煤量主要来自于综采工作面，一个矿综采工作面出煤量的大小直接决定这个矿的产量。影响综采工作面出煤量的因素主要有两点：其一是工作面的采高；其二是采煤工艺。随着现代化采煤的不断发展，适合综采的中厚煤层越来越少，综采工作面的采高开始走向两个极端：一是向着低采高方向发展（采高小于3米），二是向着大采高方向发展（采高大于6米），不管从哪个方向发展都不适合人工操作机械割煤。这样的工作面人工操作机械割煤不仅工人的劳动强度大大增加，而且也存在巨大的安全隐患。为了提高劳动效率，同时减轻劳动量，就需要我们研究新的采煤工艺，与此同时自动化工作面也就应运而生。

2综采工作面自动化系统的硬件结构

自动化系统主要集中在三个层面：地面调度室、顺槽控制台、整个综采工作面，如图1所示。

2.1工作面设备

工作面主要的自动化设备为采煤机和支架控制器两部分：

采煤机机身上涉及自动化方面的设备主要有：

（1）摇臂角度传感器、机身俯仰摇摆传感器：两个角度传感器配合使用，通过一定计算可以精确的计算出此时煤机两个滚筒的实际高度或是高度差。

（2）D齿轮传感器：通过该传感器计数，煤机控制器可以精确的采集到煤机的行走距离，再除以每个支架的宽度就可以在JNA显示器上显示煤机所在的当前支架架号。

（3）煤机位置红外线发射器：与支架上的红外接收器配合使用，使得支架控制器能够得到煤机当前所在的支架位置。

（4）摇臂滚筒监测摄像头：该装置将煤机两滚筒与煤壁的接触状况转化为电信号，再通过光电转化器转化为光信号，最后通过光缆传递给控制台的显示器。

（5）工作面两端头复位开关：由于支架中间存在间隙，导致煤机不能依靠D齿轮准确的计算出所在支架的位置，为防止误差越来越大，就装设了该装置。通过该装置可以在煤机走到特定架时强制对其读数进行校准。

（6）远程监控系统：该系统主要是由调制解调器、隔离模块和网络耦合器组成。中央控制器（CCU）的所有信息都可以在该系统的作用下，通过动力载波技术沿煤机动力电缆传递到控制台。

支架方面的主要设备是玛珂pm32支架控制器。

2.2顺槽控制台处的设备

煤机方面的主要有：RPE、JOS（久益顺槽控制计算机）、光电信号转换装置、摇臂监测显示器。

（1） RPE：主要由动力载波模块（SPLM）、网络耦合器、隔离模块、光电转换模块组成，负责将高压电缆上传递的信号接收、解码，并且转换为光信号传递给JOS。

（2）JOS：主要由光电转换模块、中央处理器（CCU）、JNA显示器组成。当RPE将煤机的信号传递过来，JOS就可以通过JNA显示器实时的显示出煤机的各个信号。

（3）光电信号转换装置：主要由光电耦合器（OC1），JNA栅，电流环、光电转换器组成，主要负责将远程遥控器所发指令转换为本安信号后再转换为煤机可以识别的光信号，通过光缆传递到煤机的控制器上，完成远程控制。

（4）摇臂监视显示器：主要由四个本安液晶显示器组成，它们通过和煤机机身上装设的高清摄像头配合使用，可以将煤机滚筒和煤壁的相对位置实时的显示出来，可以有效的帮助煤机司机对摇臂进行远程操控。

放置在控制台的关于支架的设备主要是玛珂主控计算机。该设备一方面可以根据现场的需要设置支架跟机自动化的各项参数；另一方面可以通过显示界面实时的显示煤机位置、立柱的压力、推移油缸的伸缩量、工作面推进位置、支架的动作状态等等。

另外还有一台光纤交换机，可以将支架控制器上的信息和JOS上显示的关于煤机信息通过光纤发送到地面。

3综采自动化系统软件设置

3.1采煤机记忆割煤的初始化设定

如图2，在记忆割煤程序初始化中，对传感器的标定都是自动方法下进行了，既进入相应的标定界面，根据系统提示的步骤按顺序进行标定，精确的传感器标定是记忆割煤能否顺利进行的关键。

（1）标定俯仰、摇摆传感器：所谓的俯仰角度是沿采煤机机身和两摇臂方向与水平线的角度，而摇摆角度是指沿采煤机机身垂直于两摇臂方向的倾斜度。标定俯仰、摇摆传感器主要分为三个步骤：既根据相应界面提示利用手持式角度仪分别精确的测量出俯仰、摇摆的最大值和水平值，并输入到相应的系统；最后对俯仰、摇摆传感器的角度进行修正。

（2）标定摇臂角度传感器：摇臂角度传感器标定分为左右两部分，首先将摇臂尽可能的抬高，用手持式角度仪测量出此时的角度值，输入到系统内部；然后尽可能的将摇臂降到最低点，再用角度测量仪测出此时的值，将其输出到系统当中；最后进行摇臂角度修正值的设定：调节摇臂高度，直到摇臂铰链销轴的中心和滚筒的中心在一条水平线上，此时系统会自动计算出摇臂角度修正量的近视值。

（3）标定支架宽度：进入支架宽度设定界面，将煤机移动至红外发射器正对任意支架的中心停下，点击下一步后，将煤机向机尾方向牵引10架，在红外发射器对准支架中心时停止牵引，点击下一步，系统将自动计算支架的宽度，这样计算出的宽度带有支架的架间缝隙宽度，使得系统能够更精确的显示煤机所在的支架位置。endprint

（4）设定自动参数：需要设置两部分参数：a、记忆割煤参数；b、煤机支架联动参数。

记忆割煤参数主要包括最大、最小煤层厚度等煤层条件及采煤机机身长、宽、高，摇臂长度、支腿距离、滚筒直径、左右滚筒的卧底量等煤机的固有参数。煤机支架联动参数主要有左右端头支架架号、机头机尾自动停止支架架号、左右复位支架架号等与支架相关的参数。

（5）编辑过程列表：主要是创建新的列表、确定支架运行的起始和终止区间，如端头段的起始和终止架号、确定支架运行区间的方向（包括左向、右向和端头三种方向）、设定区间摇臂控制模式和设定区间程序控制高度。

3.2支架跟机自动化初始化步骤

（1）设置自动化类型：根据自己要实现的自动化类型来调整当前的设置，确定必需的设置。对于自动化来说有两个子部分：推溜、自动移架。这两个部分都可以单独或者是组合实现自动化。

（2）设置工作面自动化范围：当对整个工作面实行自动化的时候，工作面范围参数会影响到自动化的进行。所以在自动化的过程中对工作面范围的设定要准确。

（3）设置采煤机最大跳跃项：该项的功能是在自动化过程中如果前一次得到的采煤机位置数据和当前取得的采煤机位置数据相差的值超过这个参数时，跟机自动化就会停止。

（4）设置采煤机最大步距及特殊步距：这项参数规定了在采煤机运行的不同方向，不同位置时，运输机自动化的步距。

（5）设置支架自动化状态：支架的自动化状态是指该支架是否允许作自动动作。每一个支架的自动化可以分为三组：移架，推溜，自动移架。

（6）设置各种自动化参数：端头范围、端尾范围、采煤机范围、推溜距离、推溜范围、移架距离、移架范围等自动化有关的参数，如果有护帮板还要设置护帮板收打的相关参数。

4工作面实际应用情况

神东煤炭集团石圪台煤矿22上204综采工作面长度315m，全部跨落法管理顶板，设计采高为1.8m。工作面安装平煤2.2m液压支架173台，电控系统为玛珂的pm32，JOY公司的07LS1A--LWS632型采煤机。采煤工艺流程：采煤机中间向下斜切进刀→下行割煤→上行反空刀→自下而上移架推刮板运输机→采煤机由中间上行割煤→下行返空刀→采煤机中间向下斜切进刀（下行割煤）→由中间开始自下而上移架推刮板运输机。

采煤机根据示范刀的存储数据，随着工作面的地质变化自动升降摇臂，使滚筒达到适合的高度自动割煤。液压支架通过判断采煤机的位置，自动的实现降住、拉架、升柱、推溜等各个工序。

5总结与展望

经过一个工作面的运行，取得了明显的效果。相对于以前人工操作割煤，月增产约20%，节省人工约40%。但是目前这套自动化割煤系统也美中不足，主要表现在以下几点：

由于生产过程中工作面的粉尘比较大，导致摄像头无法清楚的显示煤壁的实际情况，影响煤机司机的远程操控效果；

由于煤机的自动割煤是基于示范刀的设定高度，如果脱离煤机司机就只能按照上刀的位置行走，无法实时的跟进工作面的实际情况。

基于以上的不足，综采自动化工作面需要从以下几个方面发展：

（1）投入高清摄像装备，能够尽量减少粉尘对画面清晰度的影响；

（2）加入煤岩辨识装置，区分煤层和岩层的分界线，从而更好的实现煤机沿煤层走动；

（3）加入先进的控制算法和行走路线辨识方法，使得煤机能够更加精确地按照预想路线行走。

参考文献

[1] 翁明月，孙茂新. 艾柯夫采煤机自动化割煤实验及分析[J] .煤矿开采.2009，14（2）：67-68.

[2] 杨景才，王继生，李全生.神东矿区1.5～2.0m煤层自动化开采方案研究[J].神华科技.2009，7（2）：13-16.

[3] 于月生，左腾，周娟等.薄煤层综采工作面自动化技术综述[J].工矿自动化.2013，39（5）：27-30.endprint

（4）设定自动参数：需要设置两部分参数：a、记忆割煤参数；b、煤机支架联动参数。

记忆割煤参数主要包括最大、最小煤层厚度等煤层条件及采煤机机身长、宽、高，摇臂长度、支腿距离、滚筒直径、左右滚筒的卧底量等煤机的固有参数。煤机支架联动参数主要有左右端头支架架号、机头机尾自动停止支架架号、左右复位支架架号等与支架相关的参数。

（5）编辑过程列表：主要是创建新的列表、确定支架运行的起始和终止区间，如端头段的起始和终止架号、确定支架运行区间的方向（包括左向、右向和端头三种方向）、设定区间摇臂控制模式和设定区间程序控制高度。

3.2支架跟机自动化初始化步骤

（1）设置自动化类型：根据自己要实现的自动化类型来调整当前的设置，确定必需的设置。对于自动化来说有两个子部分：推溜、自动移架。这两个部分都可以单独或者是组合实现自动化。

（2）设置工作面自动化范围：当对整个工作面实行自动化的时候，工作面范围参数会影响到自动化的进行。所以在自动化的过程中对工作面范围的设定要准确。

（3）设置采煤机最大跳跃项：该项的功能是在自动化过程中如果前一次得到的采煤机位置数据和当前取得的采煤机位置数据相差的值超过这个参数时，跟机自动化就会停止。

（4）设置采煤机最大步距及特殊步距：这项参数规定了在采煤机运行的不同方向，不同位置时，运输机自动化的步距。

（5）设置支架自动化状态：支架的自动化状态是指该支架是否允许作自动动作。每一个支架的自动化可以分为三组：移架，推溜，自动移架。

（6）设置各种自动化参数：端头范围、端尾范围、采煤机范围、推溜距离、推溜范围、移架距离、移架范围等自动化有关的参数，如果有护帮板还要设置护帮板收打的相关参数。

4工作面实际应用情况

神东煤炭集团石圪台煤矿22上204综采工作面长度315m，全部跨落法管理顶板，设计采高为1.8m。工作面安装平煤2.2m液压支架173台，电控系统为玛珂的pm32，JOY公司的07LS1A--LWS632型采煤机。采煤工艺流程：采煤机中间向下斜切进刀→下行割煤→上行反空刀→自下而上移架推刮板运输机→采煤机由中间上行割煤→下行返空刀→采煤机中间向下斜切进刀（下行割煤）→由中间开始自下而上移架推刮板运输机。

采煤机根据示范刀的存储数据，随着工作面的地质变化自动升降摇臂，使滚筒达到适合的高度自动割煤。液压支架通过判断采煤机的位置，自动的实现降住、拉架、升柱、推溜等各个工序。

5总结与展望

经过一个工作面的运行，取得了明显的效果。相对于以前人工操作割煤，月增产约20%，节省人工约40%。但是目前这套自动化割煤系统也美中不足，主要表现在以下几点：

由于生产过程中工作面的粉尘比较大，导致摄像头无法清楚的显示煤壁的实际情况，影响煤机司机的远程操控效果；

由于煤机的自动割煤是基于示范刀的设定高度，如果脱离煤机司机就只能按照上刀的位置行走，无法实时的跟进工作面的实际情况。

基于以上的不足，综采自动化工作面需要从以下几个方面发展：

（1）投入高清摄像装备，能够尽量减少粉尘对画面清晰度的影响；

（2）加入煤岩辨识装置，区分煤层和岩层的分界线，从而更好的实现煤机沿煤层走动；

（3）加入先进的控制算法和行走路线辨识方法，使得煤机能够更加精确地按照预想路线行走。

参考文献

[1] 翁明月，孙茂新. 艾柯夫采煤机自动化割煤实验及分析[J] .煤矿开采.2009，14（2）：67-68.

[2] 杨景才，王继生，李全生.神东矿区1.5～2.0m煤层自动化开采方案研究[J].神华科技.2009，7（2）：13-16.

[3] 于月生，左腾，周娟等.薄煤层综采工作面自动化技术综述[J].工矿自动化.2013，39（5）：27-30.endprint

（4）设定自动参数：需要设置两部分参数：a、记忆割煤参数；b、煤机支架联动参数。

记忆割煤参数主要包括最大、最小煤层厚度等煤层条件及采煤机机身长、宽、高，摇臂长度、支腿距离、滚筒直径、左右滚筒的卧底量等煤机的固有参数。煤机支架联动参数主要有左右端头支架架号、机头机尾自动停止支架架号、左右复位支架架号等与支架相关的参数。

（5）编辑过程列表：主要是创建新的列表、确定支架运行的起始和终止区间，如端头段的起始和终止架号、确定支架运行区间的方向（包括左向、右向和端头三种方向）、设定区间摇臂控制模式和设定区间程序控制高度。

3.2支架跟机自动化初始化步骤

（1）设置自动化类型：根据自己要实现的自动化类型来调整当前的设置，确定必需的设置。对于自动化来说有两个子部分：推溜、自动移架。这两个部分都可以单独或者是组合实现自动化。

（2）设置工作面自动化范围：当对整个工作面实行自动化的时候，工作面范围参数会影响到自动化的进行。所以在自动化的过程中对工作面范围的设定要准确。

（3）设置采煤机最大跳跃项：该项的功能是在自动化过程中如果前一次得到的采煤机位置数据和当前取得的采煤机位置数据相差的值超过这个参数时，跟机自动化就会停止。

（4）设置采煤机最大步距及特殊步距：这项参数规定了在采煤机运行的不同方向，不同位置时，运输机自动化的步距。

（5）设置支架自动化状态：支架的自动化状态是指该支架是否允许作自动动作。每一个支架的自动化可以分为三组：移架，推溜，自动移架。

（6）设置各种自动化参数：端头范围、端尾范围、采煤机范围、推溜距离、推溜范围、移架距离、移架范围等自动化有关的参数，如果有护帮板还要设置护帮板收打的相关参数。

4工作面实际应用情况

神东煤炭集团石圪台煤矿22上204综采工作面长度315m，全部跨落法管理顶板，设计采高为1.8m。工作面安装平煤2.2m液压支架173台，电控系统为玛珂的pm32，JOY公司的07LS1A--LWS632型采煤机。采煤工艺流程：采煤机中间向下斜切进刀→下行割煤→上行反空刀→自下而上移架推刮板运输机→采煤机由中间上行割煤→下行返空刀→采煤机中间向下斜切进刀（下行割煤）→由中间开始自下而上移架推刮板运输机。

采煤机根据示范刀的存储数据，随着工作面的地质变化自动升降摇臂，使滚筒达到适合的高度自动割煤。液压支架通过判断采煤机的位置，自动的实现降住、拉架、升柱、推溜等各个工序。

5总结与展望

经过一个工作面的运行，取得了明显的效果。相对于以前人工操作割煤，月增产约20%，节省人工约40%。但是目前这套自动化割煤系统也美中不足，主要表现在以下几点：

由于生产过程中工作面的粉尘比较大，导致摄像头无法清楚的显示煤壁的实际情况，影响煤机司机的远程操控效果；

由于煤机的自动割煤是基于示范刀的设定高度，如果脱离煤机司机就只能按照上刀的位置行走，无法实时的跟进工作面的实际情况。

基于以上的不足，综采自动化工作面需要从以下几个方面发展：

（1）投入高清摄像装备，能够尽量减少粉尘对画面清晰度的影响；

（2）加入煤岩辨识装置，区分煤层和岩层的分界线，从而更好的实现煤机沿煤层走动；

（3）加入先进的控制算法和行走路线辨识方法，使得煤机能够更加精确地按照预想路线行走。

参考文献

[1] 翁明月，孙茂新. 艾柯夫采煤机自动化割煤实验及分析[J] .煤矿开采.2009，14（2）：67-68.

[2] 杨景才，王继生，李全生.神东矿区1.5～2.0m煤层自动化开采方案研究[J].神华科技.2009，7（2）：13-16.

[3] 于月生，左腾，周娟等.薄煤层综采工作面自动化技术综述[J].工矿自动化.2013，39（5）：27-30.endprint