综放工作面智能化开采关键技术研究

徐东飞

(大同煤矿集团 塔山煤矿，山西 大同 037003)

煤炭的智能化开采一直是煤矿人多年的梦想，随着《中国制造2025》的提出，国内装备制造技术的进步使得煤矿智能开采成为可能，智能开采势必会成为未来煤炭开采的主流。煤矿智能开采的原理是将传统的煤炭生产工艺通过自动化程序记录下来，在生产过程中辅以多类传感器进行生产信息感知反馈，再通过控制器来将反馈信息处理并生成指令，从而实现工作面生产自动化和智能化。国内已在一次采全高综采工作面进行了自动化开采尝试，并取得了一定的成果[1-3]。本文在汲取前人经验的基础上，对特厚煤层综放工作面实现智能开采所遇技术难题提出了五项关键技术，从而为特厚煤层智能化开采提供了解决思路。

1 智能开采关键技术

1.1 采煤机记忆截割关键技术

采煤机记忆割煤技术包括：采煤机精准定位技术、记忆割煤技术、对环境的安全感知技术等，其中实现采煤机记忆割煤的基础是采煤机精准定位。采集工作面两端头坐标参数建立三维坐标系，其中：工作面倾向投影设为X轴，沿工作面走向设为Y轴，铅垂方向设为Z轴。考虑到在生产过程中，采煤机移动速度最快，因此要建立以采煤机为坐标原点的载体坐标系：第一步要确定采煤机初始位置，第二步采用倾角传感器来采集机身偏转角和俯仰角，第三步采用惯性导航推算方法计算采煤机位置和姿态，从而实现采煤机动态精准定位。

由于综采放顶煤工作面煤层赋存厚度大，因此煤机采高基本保持不变。通过前期煤机运行过程收集的煤层底板参数，再结合地质资料来确定采煤机运行在不同位置的下切深度，通过采煤机自动控制系统实现采煤机采高、牵引速度的实时控制。通过红外感知传感器感知定位液压支架顶梁，确保顶梁不被采煤机割到。当工作面地质条件变化较大，原有程序不能较好地控制生产时，通过启用人工干预的方法，来确保工作面正常推进，如图1所示。

图1 采煤机记忆截割技术

1.2 液压支架自动追机移架关键技术

液压支架自动追机移架技术使液压支架、采煤机、刮板输送机联动配合，协同运行，从而实现采煤工作面智能化。该程序的实现基于对放顶煤开采工艺流程、支架电液控制系统、采煤机实施精准定位等多项技术的整合，并用编程语言表述。液压支架通过电液控制系统实现升降支架、推移刮板输送机、伸缩护帮板等动作。通过安设在支架上的红外位置检测装置，实时将采煤机的位置信息传送至支架控制器，当采煤机运行时，超前采煤机三架开始收支架护帮板，对应采煤机支架实现自动喷雾降尘，滞后采煤机三架位置进行即时移架与护帮操作，随后再推移刮板输送机。液压支架自动追机移架工艺流程如图2所示。

图2 液压支架自动追机移架流程

1.3 智能放顶煤关键技术

利用“煤矸自动识别系统”的煤岩识别技术可以改变单纯依靠人工放煤的现状，使得割煤、放煤、支护、运输等整个循环自动完成。之前煤岩识别技术主要借助于红外线、超声波、无线电波或射线等实现，但因工作面煤矸实际赋存条件复杂，上述技术现场适应性较差，下面介绍两种具有工业实用性的煤矸识别放煤方法。

1) 振动法自动放煤。振动法是依据不同硬度物体相互撞击产生的振动信号的差异，通过分析和感知振动信号来识别撞击物，该方法特别适应于开采过程中煤矸硬度差异大的实际情况。依靠振动传感器，识别煤炭和岩石撞击液压支架尾梁发出的不同振动信号，并对传感器所采集数据进行处理，具体过程为：前端滤波处理与平滑处理；电信号去噪处理；功率谱分析处理；最终依据功率谱值的差别对放煤过程中的煤炭和岩石进行识别。由于现场安设多传感器，需采用信息融合算法对采集信号数据综合解析处理，然后将处理后的数据生成信号指令发送至液压支架控制器，从而使放煤口适时关闭，实现支架智能放煤。现场具体操作为：将煤矸识别传感器安装在综放工作面液压支架的尾梁下，通过连接器与支架控制器进行连接，进行数据交换。在放煤过程中，煤矸识别传感器开始采集煤矸放落过程中煤矸撞击尾梁的振动信号，并将振动信号进行煤矸放落自动识别，识别完成后将识别结果实时传输给支架控制器。当矸石放落满足系统设置的煤矸放落阈值时，由支架控制器执行关闭放煤口的动作，实现自动放煤。

2) 记忆模式自动放煤。基于现实工作面地质条件较稳定，每刀煤生产工艺变化不大，放顶煤是个单调重复工作，利用记忆功能将放煤操作人员对支架的控制过程记忆下来，在后续的放煤过程中，可以实现记忆放煤。现场具体操作为：支架安设自动放煤控制器，控制器具备采集人工操作信息功能，通过先行人工示范，控制器将现场操作人员操作支架的工序和时序进行记忆存储，然后经数据处理后形成一套自动放煤程序，从而实现自动放煤。

1.4 工作面防片帮控制技术

将压力传感器安装在支架护帮板处，当工作面液压支架打开护帮板支护煤壁时，压力传感器可实时将采集到的液压支架护帮板对煤壁的支护压力发送给液压支架控制器，若压力数值没有达到规定值，支架则按照预先设定压力自动升紧护帮板，确保护帮板支护煤壁达标，有效防止片帮危害。

1.5 液压支架的姿态控制技术

在支架上安装倾角传感器，可进行支架姿态检测，并通过控制系统对支架在运动过程中的姿态进行控制，当支架的相关部件角度大于规定值或相邻支架之间的角度大于限定值时，对支架动作实施闭锁控制，避免咬架和倒架等事故发生。

2 结 语

本文详细介绍了实现特厚煤层综放工作面智能化开采关键技术，以液压支架电液控制系统为基础，形成了以采煤机记忆割煤技术、液压支架自动追机移架技术、自动放顶煤技术、工作面防片帮控制技术、液压支架姿态控制技术为核心的五大综放工作面智能化开采技术。该技术的实现，必将对促进矿井减人、提效、安全生产，以及智慧矿山建设产生重要影响。