以采煤机为核心的自动化煤矿综采工作面的实现方法

王朝

摘 要：煤炭作为一种重要的能源和战略物资，在国民经济和社会发展中起着关键作用。煤炭井下开采环境恶劣，效率低，同时伴随着一定的人员伤亡。建国以后，尤其是近十几年的技术发展和设备更新，使得煤矿综采效率有了巨大飞跃。为了进一步提升工作面的开采效率和安全可控性，煤炭企业和煤机技术人员，以高水平的自动化和智能化开采作为目标，进行了大量的尝试，并取得了一定成效。

关键词：煤矿综采；智能化；自动化；仿形截割

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.12.053

0 前言

井下综采工作面，是我国目前井下煤炭机械化开采最为普遍的形式。其高效性、安全性和自动化程度被广泛认同为煤矿企业生产最高水平的标识。随着控制技术和通讯技术的不断发展，越来越多的技术人员和煤炭企业将构建自动化、智能化、无人化综采工作面视为工作的方向。

1 采煤机仿形截割的发展过程和现状

（1）基础仿形截割。初期的采煤机仿形截割的实现有很多不利因素——以PLC为核心的控制中心，存储和通讯能力有限，仅能够进行单一割煤工艺段的仿形。其实现途径是记录前一次的人工往返割煤过程的采煤机位置及对应的左右摇臂高度（示范刀），并在后一次自动割煤时回放，对应往返两次割煤的采煤机位置来调整滚筒高度。支架则需要人工干预，及时调整。这个阶段的仿形截割有以下缺点：1）缺乏人工干预调整和修正示范刀的功能设定；2）位置确定需要靠预设在电机轴一侧的接近开关计数实现，精确性差；3）摇臂调高的精度低；4）通讯能力差导致三机协同不理想 。

（2）引入设备联动的半自动仿形截割。这个阶段的采煤机控制系统经过升级，具有较强的数据处理和存储能力。并且很多煤矿企业在采煤机机身上加装本质安全型红外发射装置，在支架上安置接收装置，用来确定采煤机对于支架系统的相對位置，与采煤机原有的绝对位置相佐证，并连锁支架电液控系统，进行支架控制，配合采煤机仿形截割。这种方法一定程度上实现了自动化的三机联动，并解决了人工干预打断问题，具备示范刀修正的功能，但频繁的人工干预，仍然使其使用效果大打折扣。

（3）建立在集控平台之下的自动化三机联动仿形截割。随着技术的进一步发展，更多经过实际验证了稳定性的设备和技术应用于煤矿综采。以太重煤机的方案为例：在这个阶段，采煤机具有完善的数据处理和记录能力，可以实现多工艺段（包括斜切进刀、割三角煤刀、扫煤等），同一位置对应不同采高记忆；摇臂采用PID比例调高，确保了控制精度，控制器处理速度<10ns，保证控制的及时性；使用旋转编码器对采煤机进行精确定位，控制精度±5cm；内部使用CANBUS，总线通讯速率>250Kpbs。采煤机的工艺段设定及采高、位置、自动程序割煤都会上传至顺槽集控平台，集控平台再将数据逻辑处理，将控制指令发送给支架电液控系统，进行统一调度。采煤机、支架、刮板运输机任何一方有故障或者特殊情况发生，都有应急的处理和调整方案。也可以通过以井下环网，将工作面情况上传至煤矿管理上位机，以加入注入煤仓管理、煤流平衡之类的其他联动关系。构成一个通讯及时，管理统一的逻辑控制平台。一线人员人数降低，效率大大提升。目前我国煤矿综采工作面的技术水平就处于本阶段。

2 以采煤机为核心的自动化综采的实现方法

（1）采煤机的位置确定。区别于以往电机轴侧的计数和支架红外校准的方法，采用旋转编码器采样程序，确定采煤机的绝对位置，其定位精度更高，再配合变频设备与控制中心的CANBUS通讯，可以及时准确的对采煤机实际位置进行校正，控制精度±5cm。

（2）摇臂高度的控制。放弃原有开关阀组，采用比例阀PID的小闭环控制方案，程序控制摇臂逼近目标值，采高控制误差<±5cm。

（3）多工艺段的仿形截割和程序截割。细分综采工作面割煤工艺段，每个工艺段分别进行仿形记忆，建立自更新数据库，也可程序编辑各工艺段切割流程。（见图1）

（4）人工干预和修正技术。在程序割煤过程中，如果不同工艺段的原仿形数据设定与当前情况发生出入，可以使用遥控设备转为手动操作，对工艺段的现有数据进行局部修改——并可选则更新或者保持原数据设定。

（5）三机协同联动。首次示范全工艺段割煤，支架系统可以根据采煤机位置和摇臂高度实现被动跟随。在形成完整的数据库备份之后，支架系统就可以综合原有数据设定和目前采煤机实际工况，对于各种不同故障和临时状况做出及时反应，实现比较复杂的逻辑和动作。

（6）通讯与集控平台管理。采煤机和支架系统到顺槽集控平台的通讯可有多种选择：4G、wifi或者加强型RS485等方式。集控平台配置防爆工控机和相应的视频监视设备，集中处理、记录、修改各工艺段的数据，并在保证安全的前提下，逐步推进程序控制。敷设环网的煤矿企业可以将工作面全部设备的状态数据，经由顺槽集控平台传至煤矿企业调度中心，实现统一管理。

3 结语

在本阶段技术成熟的基础上，可以利用诸如煤层岩石层的识别和透视，等地质识别的方法。在整个煤层开采之前或者部分开采之后，将煤层模型输入和应用到集中控制平台，通过平台已有的数据库，制定整个煤层的开采方法并预计三机联动的各个工艺段模式。实现真正意义上的智能化、无人化煤矿综采。

参考文献：

[1]钱鸣高.煤炭的科学开采[J].煤炭学报，2010，35（04）：529-534.

[2]张勇.我国大功率采煤机的技术现状及发展方向探究[J].中国高新技术企业，2015（35）：149-150.

[3]马娜.采煤机电气部件安全运行与故障诊断研究[D].廊坊：华北科技学院，2016.