智能化采煤装备的关键技术

刘富贵

（鄂尔多斯市东胜区能源管理综合行政执法大队，内蒙古自治区 鄂尔多斯 017000）

一、综采自动化采煤技术概述

综采自动开采技术是应用于煤矿工作面生产的一项技术，在实际应用过程中机械设备可以代替人工完成多项开采工作，提高煤矿生产效率和质量。现如今，随着科技的不断发展和进步，煤矿开采过程中，所应用到的自动化机械设备不断增多，因此越来越多的煤矿企业提高了对机械化自动开采技术的重视度，相关技术虽然前期投入比较大，但是从长远来看，自动化智能无人化技术的应用使得生产效率和质量大幅度提升，而且人工成本降低，因此其对于煤矿企业的发展显然是利大于弊的。当前，综采自动化技术的主要组成部分包含有采煤机液压支架和铲运机等等，其系统应用的自化水平比较高。为了能够及时地将所采取的煤炭运送工作面运送到地面上，还应当使用破碎机、输送机、运输机，这些设备对于改善综采自动化开采工艺，提高采煤效率有着极为重要的促进作用。此外，综采自动化技术在采矿过程中的应用，也可以实现记忆采矿和及时收集各种信息，在此基础上进行分析对保证信息的真实性有着极为重要的意义。相较于人工采煤工艺来说，自动化智能无人化技术有效保证了采煤的可靠性与科学性。同时，该技术的远程监控功能还可以实现对矿山一应情况的监控和管理，实现对矿山生产的无人操作，诸多危险的开采工作都可以依靠智能无人化技术完成，其对于职工的安全性也有一定的保障作用。

二、综采自动化智能无人化技术的应用现状

（一）智能化开采技术制约因素

通过学习、参与智能化工作面建设及实际生产现场调研，笔者认为综采智能化工作面就是传感器、通信、信息、自动化等技术的高度融合。通过采用采煤机的自主截割、三机联动、地面和井下集控中心对设备、系统、环境的实时监测与控制等功能，实现综采工作面的少人化、无人化和智能化开采。因此，技术人员还需不断通过现场的使用情况进行总结，对智能化装备和技术进行有效筛选，选用符合矿井实际工况的技术和装备，不断提升技术应用及改造的适用性和实用性。智能化开采技术在推广应用过程中仍受地质条件、矿井灾害治理、设备设计缺陷等客观因素制约，局限性较大，地质赋存条件复杂多变，个别技术难以普遍适用;部分关键技术已经遇到了瓶颈，未能在实践中得到验证。如:系统自诊断功能、工作面直线度检测技术、煤岩分界技术、刮板运输机煤流负荷控制技术等，需要制定可行技术路线和实施方案，更需要大量实践来验证;工作面环境恶劣，粉尘、湿度、光线等因素制约着相关传感器的快速反应能力和可靠性;乳化液泵站、刮板输送机、胶带输送机、电液控均通过各自的控制系统最终融合到控制中心，各控制系统在接口、软件协议、冗余功能等方面存在差异，缺乏统一标准和平台，难以保证信息传输的时效性及同步性;专家库存储内容和开发深度不足等制约因素。

（二）传感器性能不稳定

生产过程中大部分数据均利用传感器进行采集，对传感器的精度及稳定性要求较高，但井下生产环境较差，个别传感器失真，会造成数据错误传输，对人员远程操作造成一定难度。

（三）支架自动找直功能受地质条件限制

工作面支架不具有自动或协调找直功能。智能化工作面已实现全工作面自动跟机移架，但由于地质条件变化，移架动作不适应这种变化，生产过程中需人工不定期对支架进行调整。

（四）通信信号转换频繁

工作面设备生产厂家不同，设备相互之间均采用不同的通信协议，日常远程控制过程中，控制逻辑信号需频繁转换，对控制系统的稳定性和可靠性有一定制约。

（五）检修维护困难

生产现场检修维护的解决思路，还停留在“头疼治头、脚疼治脚”的阶段，仅仅通过增加供液管路、更换传感器等手段，只能简单的、表面性的解决部分问题，内因并未真正被消除。采煤工作面的地面或井下控制中心可以实现工作面设备的一键联启，但现有智能化操作也仅限于此。实际上，工作面仍然按照原人工操作的模式进行生产，智能化控制系统功能未被有效利用，也与采场实现“少人化、无人化”的目的相去甚远。

三、智能化采煤装备的关键技术

（一）长壁开采极限卸压采厚

在某些地质条件下，例如煤层之间的间隔，采矿过程中覆盖层厚度的选择直接影响采矿过程中压力降低的效果。采矿期间覆盖层厚度的确定通常与煤层的倾斜角度，煤层的深度，层之间的间隔，层之间的岩性以及层之间是否存在关键层等因素相关。由于许多原因，使用理论公式或基于经验公式的估计进行直接计算的准确性较低。因此，通常使用数值模型或类似模型基于应力，应变和裂纹扩展进行判断和选择。作为覆盖层的煤层通常是厚度较小的薄煤层。在许多情况下，煤层的厚度大于煤层的厚度以满足采矿要求。为减少数量，必须指定采矿作业的最低临界覆盖率。屠世浩等基于应力－裂纹－渗流黏附模型，提出了一种通过合理确定不同工作厚度下盖层渗透率的演变规律，确定合理的工作厚度并限制工作厚度的方法。

（二）视频监控技术

在综采工作面顺槽内的设备列车上安放一套集中监控平台，可实现工作面可视系统的视频图像实时显示；视频系统的工作面摄像头具有防尘功能。当采煤机到达对应的可视系统单元时，可视功能开启，视频效果清晰流畅，确保采煤机割煤过程始终处于视频系统的监控中。工作面视频系统由矿用本质安全型云台摄像仪、矿用本质安全型一体机和安装电缆及附件等组成。其中摄像仪采用本质安全型网络摄像仪，每6 架配备1 台，安装于支架的顶梁上，利用以太网进行视频传输，传输速率为100Mbps。该摄像仪具有LED 补光、红外补光、彩色成像功能和330°云台旋转及自清洁功能，在低照度（0.001Lux）环境中可获得真实自然的图像，适合光照条件差的工作面使用。摄像仪清晰度720PHDTV，帧速25fps。此外在前部刮板输送机机头和机尾、后部运输机机头、转载机机头等特殊区域也安装了视频摄像仪，确保实现对特殊区域设备的运行、安全及煤流情况的实时观测。

（三）支架姿态智能监测和防片帮控制系统

对液压支架支护状态的监测，主要是通过在支架上设置倾角传感器、压力传感器、行程传感器等，通过对支架支护高度、支护俯仰角、液压缸工作压力的监测来判断支架的支护状态，对支架的最大支护高度、俯仰角度等设置超限报警，报警后系统自动对支护状态进行调整，避免支架出现支护失稳现象。为了避免在调节过程中各支架因支护高度不同而导致的煤矸石从夹缝中滑落伤人的情况，设置两个相邻支架间的支护高度差不能超过400mm[4]，否则会触发报警，并自动调整。由于综采作业高度越大，作业过程中越容易发生片帮现象，因此在大采高支护作业时，需要对支架的支护压力和强度进行监控，若各个支架超压严重说明存在较大的片帮和冒顶隐患，因此控制系统发出报警控制信号，对液压支架进行自动补压和支护状态调整，防止综采作业过程中出现片帮和冒顶事故。在液压支架的顶部设置有接近传感器，用于对支架护帮板是否到位进行检查，若回收到位则不会触发警戒信号，若出现回收不到位情况，则系统发出声光报警同时控制停止采煤机的进给综采作业，防止采煤机和液压支架发生碰撞[1]。

（四）采煤机自主定位和自动导航技术

现阶段采煤机智能控制技术具备定位和导航的工作，但我国在这一技术方面的研究还处于初级阶段尚未取得有效进展，而且对于定位技术如何与无人采矿定位技术的结合也属于研究的初级阶段，因此在开展相关技术研究的过程中仍然将其作为研究的关键和重点，针对采煤机自主定位和自动导航技术研究的主要内容有以下几方面：采煤机动力学模型、航位推算系统环境适应性问题等[2]。

（五）行走控制与截割技术

滚筒采煤机在进行采煤操作时，对采煤高度以及行走控制的要求一直都比较高，如果这两项工作没有落实好，那么采煤的质量效果必将会受到影响和干扰。地下采煤环境十分恶劣，滚筒采煤机以自动化与智能化技术为依托，可以自主的分辨出煤矿岩石的变化情况，这样才能更加高效地对煤矿开采的深度以及采煤机行走速度进行理性的控制。随着科技的不断发展和进步，采煤机辨别煤炭岩石情况的能力不断提升，据相关研究统计表明辨别方式多达十几种，但是其在具体应用范围方面还存在有一定的局限性。在采煤机具体应用过程中，即便是应用记忆截割方式，也无法实现滚筒采煤机的智能化操作。但是在应用相关技术时，如果能够现代化的摄像摄影技术融入采煤机之中，做好图像数据的采集与传输工作，那么则可以保证采煤机在矿井中更加高效的应用，可以及时有效地规避多个领域的问题与不足，进而能够更好地对采煤机行走速度以及截割进行控制[3]。

（六）自动化智能无人化技术

采煤机是煤矿综采工作顺利实施的前提所在，如果没有采煤机作为支撑，那么煤矿开产的一系列工作都将会成为空谈。采煤机的自动化智能控制可以优化设备的操作效果，人工操作减少，人力成本因此得到了有效的控制，这样采煤机应用过程中，操作人员只需要对设备进行必要的参数设备，做好煤矿开采全局规划，那么一系列工作就可以有条不紊地实施。采煤机的运作是以自动化技术为依托的，同时还需要借助数据控制技术对采煤机的运作方式进行管控和监督，一旦发现设备应用出现任何问题，第一时间予以反馈。在煤炭资源开采起价，采煤机需要明确自身的开采条件，然后结合实际开采条件，做好调高以及切割设置工作，科学合理地制定开采方案，避免因为操作不当，损坏采煤机或者是影响采煤质量效果，以保证之后的自动割煤操作能够稳定高效的运行，但在此过程中需要注意的是割煤量不能高于实际存储尺寸值，否则也将会影响煤矿开采质量效果。综采自动化智能无人化技术可以有效地提高采煤机等设备运行的规范性与效率性，自动化作业水平得到了显著的提升[4]。

结束语

为了解决采高厚煤层综放工作面自动化放煤常态化应用难题，对国家能源集团宁夏煤业有限责任公司枣泉煤矿综放工作面自动放煤工艺进行了研究，介绍了工作面概况和自动化控制系统配置情况，确立了综放工作面的放煤方式，提出了一种综放工作面放煤方法的下行和上行自动化放煤控制设计思路，建立了综放工作面自动化放煤程序，通过在郑州采煤机液压电控有限公司ZE07 04 型电液控制系统的工业试验表明，该程序解决了大采高综放工作面自动化放煤工艺难题，实现了综放工作面自动化放煤[5]。