矿井自动化综采关键技术的应用分析

郑晓峰

（永定庄煤业公司，山西 大同 037003）

引言

煤矿井下综采面煤层的平均煤厚5.6 m，基本顶为粉砂岩，平均厚度为3.35 m，直接顶为泥岩，平均厚度为5.39 m，伪顶为泥岩，平均厚度为1 m，直接底为砂质泥岩，平均厚度为11.88 m。在综采过程中采用了长壁综合机械化放顶煤开采法，采放比为1.24∶1，放煤步距为800 mm。在综采作业过程中由于没有统一的智能化综采控制系统，因此井下综采作业主要是依靠调度员结合各处的信息进行统一调度管理，效率低、易出错，无法满足煤矿井下智能化综采作业的发展趋势。

针对这一现状，煤矿组织技术攻关，最终提出了一种具有高度智能化的井下综采智能控制系统，该系统以“感知、决策、执行、运维”4 个智能化控制模块为基础，通过对地质状态、设备状态、开采环境的监测，判断目前的综合综采环境，针对性的进行设备运行状态调整决策，然后将决策信息发送给各个执行设备，同时系统还具有自主故障判断和分析能力，提高设备运行的稳定性，进而实现井下综采作业的智能化。根据在煤矿的实际应用可知，该自动化综采控制系统能够将井下作业人员数量降低60%，将综采效率提高25.7%。目前该系统已在多个煤矿得到了初步应用，具有较大的应用推广价值。

1 智能化综采系统架构

结合煤矿井下的实际情况和智能化综采作业的需求，以实现综采作业的自动化为目标，所提出的智能化综采控制系统的整体结构，如第273 页图1 所示[1]。

由图1 可知，该智能综采控制系统主要分为感知模块、决策模块、执行模块和运行维护模块四个部分，四个模块之间呈相互依存的关系，形成一个闭环的数据流，满足综合控制安全性和精确性的需求。感知模块主要是通过各类传感器设备对煤矿井下的地质环境情况、综采设备运行情况和状态、井下空气状态等进行综合判断，为决策层的决策提供基础数据支撑，便于控制人员及时了解煤矿井下综采作业的实际状态。决策模块主要是根据对井下综采作业状态的判断来确定综采作业设备的联动运行模式并对各综采设备的综采作业状态进行调整。执行模块主要是各类综采设备，当接收到决策模块传递过来的调整指令后，自动控制设备进行调整，实现井下综采作业的联动综采控制和智能调控[2]。

图1 煤矿智能化综采控制系统结构示意图

由于整个系统涵盖了井下几乎所有的监测设备、综采设备、通信设备等，因此为了确保整个系统运行的稳定性，在系统能增加了“运行维护”模块，根据对各设备运行状态的监测，自动对设备的运行稳定性进行判断和预警，同时能够输出检测报告，便于控制人员针对性的对设备运行状态进行调整，提升井下综采系统的运行安全性。

2 智能感知模块

智能感知模块的目的是建立一个相对“透明”的综采环境，目前对综采设备运行状态监测、井下空气状态监测技术相对成熟，能够直观、精确的判断设备和井下空气状态。但由于井下地质环境复杂，对井下地质环境的监测效率低、精确性差，成为影响综采作业正常、高效运行的关键。

针对井下实际情况，提出了采用虚拟现实和高精度三维动态建模的方式，将前期地质勘探结果，转换为直观而清晰的三维结构模型，实现对综采作业过程中地质状态的精确感知，煤矿井下地质状态三维模型构建原理及构建结果，如第273 页图2 所示。

图2 井下地质状态智能感知判别原理

在建立地质三维模型时，为了提高建模的效率和准确性，煤矿综合采用了红外岩层界面识别技术、超宽带电磁波精确探测技术、超宽带雷达探测、井下钻孔复测修正技术等[3]，满足井下地质建模的准确性和效率需求。

3 智能决策及执行模块

智能决策模块是整个控制系统的核心，在对感知模块监测信息进行分析判断的基础上，需要结合煤矿井下的实际情况来设置综采作业的工艺流程，满足综采作业的智能决策和自动化控制需求，煤矿井下智能决策模块智能开采工艺流，如第274 页图3所示[4]。

由图3 可知，在该智能决策和执行模块中，提出了液压支架的自动姿态判断和调整原理，用于实现对液压支架支护状态的自动调整并保证跟机运行过程中的调控精确性。通过分布式系统控制技术来确保在综采作业过程中采煤机、刮板输送机、液压支架等设备的协同运行稳定性。

图3 自动化截割工艺流程

煤矿在进行该智能化综采控制系统构建时，充分考虑了井下综采作业工艺流程，结合对自动综采结构控制稳定性的需求，首先对综采工艺流程进行了适当的调整，使其满足井下综采设备布置和控制逻辑，然后在此基础上对综采控制逻辑进行优化，提升控制稳定性和可靠性。

4 应用效果分析

该自动化综采控制系统投入应用以来，经过近一年的调试运行，表现出了极高的稳定性，井下综采面的作业人员数量由最初的65 人/班降低到了目前的39 人/班，人员数量降低了60%。井下巷道综采速度由最初的11.4 m/d，提升到了目前的14.33 m/d，极大的提升了井下综采作业的效率和安全性，初步实现了“少人化”的综采作业，为后续实现“无人化”综采作业奠定了基础。

5 结语

针对煤矿井下自动化综采技术落后、综采效率低、安全性差的情况，开发了一种新的煤矿井下自动化综采控制系统，实现了井下综采作业的自主判断和决策，根据实际应用表明：

1）智能综采控制系统主要分为感知模块、决策模块、执行模块和运行维护模块四个部分，四个模块之间呈相互依存的关系，形成一个闭环的数据流，满足综合控制安全性和精确性的需求。

2）综合采用了红外岩层界面识别技术、超宽带电磁波精确探测技术、超宽带雷达探测、井下钻孔复测修正技术等，能有效提升井下地质三维建模的准确性；

3）该自动化综采控制系统能够将井下作业人员数量降低60%，将综采效率提高25.7%，为后续实现“无人化”综采作业奠定了基础。