煤矿综合机械化掘进系统智能化建设研究

刘向鹏 王祥剑 孙明磊

摘要：在煤矿的现代化生产中，掘进配套设施逐步发展为智能化方向，以往的掘进模式难以适应当前时期煤炭快速增长的需求。为此，应实现煤矿综合机械化掘进系统的智能化建设和创新，以提升配套装备的运行效率，确保煤矿企业的可持续发展。为此，本文主要分析了煤矿综合机械化掘进系统智能化建设措施以及实际应用，并阐述了煤矿综合机械化掘进系统智能化建设的完善建议。

关键词：机械化掘进智能化建设应用

党的十九大会议上倡导发展煤矿事业需要注重智能化示范煤矿的建设、强化地质保障、改进煤矿开拓设计，以及确保运行的自动化、传输的数字化、决策的智能化。发展到2025年，煤矿企业能够实现智能化水平的大大提升，建设智能化和多信息系统，以及升级煤矿智能系统技术设备，确保系统的协同运行实现，以及推广应用安控以及作业机器人等。鉴于此，探究煤矿综合机械化掘进系统智能化建设显得非常迫切和有必要。

1煤矿综合机械化掘进工作面智能化技术的类别

煤矿综合机械化掘进工作面智能化控制系统应有效应用各种技术进行完善，探究系统运行能力、生产性能、地质状况等，其中重点结合下面几点探究掘进设备智能化控制系统的核心技术。一是无线遥感、数据采集、电气控制、电液比例控制、人机交互、无线通信等系统构成了单机控制技术系统。结合上述技术系统，能够实现设备间的一致协作，在智能控制系统当中，能够结合设计的程序控制设备。基于掘进设备系统的一致协同下，能够结合设计的系统流程进行远程遥控、电磁阀监控、数据采集等工作。二是智能截割、自动截割、自动定位等技术属于智能结构技术的范畴[1]。其中，自动定位技术能够通过机组导航系统监控监控设备机身姿态以及掘进方位，确保监控运行状态，结合工作需要发送指令，从而确保在既定的路线中运行设备，从而提升掘进效率和精准控制掘进方向。而自动截割技术重点是结合高度传感器取得截割滚筒的部位，结合参数设计截割滚筒的结构高度、切槽前景参数、滚筒终止以及起始部位、截割高度等[2]，即结合设备具备的记忆功能实现截割的智能化和自动化。三是多机协同控制技术重点在掘进装备配套控制系统中中应用，能够协同控制迈步自移机尾运输系统以及输送系统。其中，协同控制的智能化技术设备有胶带运輸机、破碎机、梭车、掘锚机等。

2煤矿综合机械化掘进系统智能化建设措施

2.1煤矿综合机械化掘进工作面智能化开采流程

综合机械化掘进工作面智能化开采重点以煤壁充当输入对象，其输出对象是原煤和支护成型巷道，确保有效控制视频、生产、探测，从而协同控制工作面电液控制系统，最终实现智能化开采模式。工作面信号状态是交叉存在的，且具备较为复杂的来源。工作面探测流程涵盖瓦斯抽采、超前地质勘探、岩层移动、水源探测等，而生产流程涵盖输送、支护、割煤等，视频流程则涵盖瓦斯和顶板监测、排水、供电、通风等[3]。

2.2煤矿综合机械化掘进工作面智能化控制系统

结合工作面智能化开采流程，工作面智能化控制系统涵盖视频监控、生产控制、围岩探测等一些系统。

2.3煤矿综合机械化掘进智能化开采的重要技术

智能化开采的重要技术有视频监控智能化技术、锚杆支护智能化技术、巷道变形智能化控制技术、输送系统智能化技术、掘进机智能化开采技术等。

2.4煤矿综合机械化掘进系统智能化建设

2.4.1建设背景

随着煤矿综采智能化技术的不断发展和进步，掘进工作面智能化技术的发展较慢，长时间处在机械化时期。在进行改进时应根据无人化、智能化、自动化、机械化的发展方向[4]，以智能掘进为发展目标，实施涵盖破碎机、梭车、掘锚机、锚杆钻车的设施的智能化处理规划，可以奠定智慧煤矿建设的良好基础。

2.4.2系统设计

在基础配置中，应用智能化连续采煤机、电液控制锚杆机、自动化梭车、电缆收放车以及通风、输送、破碎等设施进行统一控制[5];工作面集控中心进行视频监控和远程控制等功能;连续采煤机应自动收放水管与电缆、控制顶底板、导航移机、识别煤岩、截割、定姿定位定向等;升级系统时加装感知与测量元件，升级变频器与电控箱，确保有效控制一系列机构，以及兼容固有系统，实现远程、遥控、本机操作;增设智能控制向，对自主生产的智能软件进行设计;增设热成像仪器、视频监控仪器、声音传感器、组合惯导设施、角度传感器、位移传感器、梭车无线关联设施[6]。在感知信息时结合连续采煤机检测环境状态及其姿态。对于自动化梭车而言，其应具备的功能是紧急停车和安全避障、破碎机和连续采煤机自动对接装煤、转向控制、制动控制、轨迹跟踪控制，以及自主规划路径、人工干预、运行速度、环境识别、自动驾驶、远程监控等。

2.4.3技术规划

在技术规划中，重点在升级固有电控系统的基础上进行远程控制或遥控，对压力传感器、电磁阀进行增加，优化制动和转向系统，以实现电液控制;设置轮胎转速传感器，以精准闭环控制牵引系统，即结合联巷自动起步、停车[7];应用LSAM技术以及多线激光雷达和精度较高的机载惯导模块，确保自动规划路径;通过激光引导识别技术无线自动对接破碎机和连续采煤机，确保输送自动启停的实现;将称重传感器增加在梭车料仓当中，对煤量进行监测，实时观察载重情况，保障实现理想的卸煤和装煤效果;设置视频监控系统，确保其跟转向系统实时随动，能够进行远程监控;设置自主避障以及探测设施，保障运行的安全性。在升级改造电控系统时，应对变频器箱实施改造，设置自动控制箱，将激光雷达、热成像仪器、惯导、摄像头和显示器等安装在驾驶室中。在传感器上，应设置可以闭环控制速度的轮胎编码器、称重传感器、液压压力传感器、行走转向油缸传感器。在改进和升级液压系统时，应优化输送机升降电磁阀、解制动电磁阀、制动和电磁阀比例等。在梭车的自动驾驶上，需要结合探头、摄像仪、激光雷达等感知环境，结合学习智能算法与传感器渗透信息的方式规划路径或轨迹，结合行走变频调速、转向、制动，在SLAM以及激光雷达扫描上，应设置多线激光雷达与精度较高的惯导;将惯导安装在车身，将精准的姿态信息提供给激光雷达;车身横轴属于激光雷达扫描的方向，其扫描的范围是±90°;对巷道顶棚以及两侧壁的形貌信息进行获取。

3煤矿综合机械化掘进工作面智能化控制系统的实际应用

煤科集团沈阳研究院有限公司研发了一种顶管式煤矿小断面巷道智能掘进系统，其引入了自主决策控制技术，设备的运行无需人为干预，可以实现无人操作。该系统在排水巷、高抽巷为典型的小断面巷道，实施全断面掘进。这样相关工作者能够远离切削面，工作过程中不需要进入，非常稳定和安全[8]。并且，可以自主进行支护，具备较高的掘进效益。其中，该系统应用了一些重要的技术，如多传感器数据融到磁合、图像识别、硐室远程智能控制等技术。

3.1自动导向系统

一是预处理光靶图像，以图像锐化、平滑、滤波等方式将无关的图像信息消除，以使数据简化;二是对光靶数据进行抽取，实施亚像素定位技术，对图像中激光光斑的坐标进行检测，然后通过摄像机标定换算至空间坐标来定位目标;三是在防爆PLC 当中进行算法的通信测试。

3.2自动进水排渣系统

矿用顶管机应用了泥水排渣的理论，其结合泥浆排出刀盘切削渣石，进水排渣泵流量不但对排放渣石的速度形成制约，而且有助于切削掌子面提升稳定性。顶管式煤矿小断面巷道智能掘进系统可以将流量和压力传感器等设计在管路上，从而可以对供排水泵出口压力信息进行采集和记录，构建出渣、供水系统的数学模型，且将图像识别装备设计在出渣口，这样可以实时监控排渣速度以及颗粒大小，且通过磁力耦合器实时调节供排水泵的流量，以确保掌子面的可靠性以及排渣的不间断性。

3.3自动顶进系统

自动顶进系统开启后可以检测按键的状态，以及确定自动顶进功能互锁、手动顶进、急停等按键状态。为了确保顺利地排出机头中的渣石，首先将顶进延时时间（5s）流出[9]，在结束延时后开展自动顶进操作（中继伸出、主顶伸出，在中继伸出时应对机头切削流量进行监测，倘若机头具备较大的切削电流，那么应对顶进速度进行优化，确保机头切削电流在适度的范围之内，当中继顶进行程到位后，自动顶进的流程即完成）。

3.4自动开关机系统

对于自动开机系统而言，当自动开机指令被操作者发出之后，系统自动进行主顶顶进、排渣泵与进水泵开启、旁通阀开启、刀盘旋转、进水排泥阀开启、故障检查等工作，在主顶顶至行程满而操作换管的情况下，自动关机系统被系统启动，然后可以关闭排泥阀、后退主顶等，防范了开机操作的繁琐性，显著降低了人为故障率。

3.5采煤机控制系统

作为智能化采煤工作面的关键组成部分，采煤机控制系统也属于高效回采煤炭资源的中心环节。采煤机控制系统的两大组成部分是工控平台和就地控制，其功能是环境和綜采联动、安全防护、采煤路径规划等。采煤机应用双向传输的方式传输数据，不但能够结合本身具备的数据线交换数据，而且可以通过工作面传输数据的平台接收与传输数据，其环境适应能力和抗干扰性非常强。采煤机控制系统的主要组成部分是数据交换机、工控平台、上位机。在顺槽控制室当中安装了控制系统，经由交换机跟工控平台连接着采煤机，结合工作面传输数据的平台向工控平台接入生产数据，以实现双向传输数据的通信作用。总之，采煤机控制系统旨在控制和规划采煤机路径。当今，针对赋存构造不存在显著改变和巷道顶底板稳定的条件下，智能化采煤工作面应用记忆截割方式业已实现了相应的效果，然而，针对工作面存在较大改变和结构复杂的巷道顶底板条件，智能化工作面采煤生产依旧面临相应的缺陷。为了完善这种不足之处，确保采煤生产的稳定进行，采煤机智能控制系统结合工控平台可以分析和处理数据，从而有效规划采煤机下六刀的路径，并且结合顺槽控制室采煤机上位机将工作面高度修正值输入这种手段，确保取得有关的工作面地质结构截割曲线，从而智能化、高效化地截割煤层。与以往的采煤机记忆截割工艺技术相比，此系统显著提升了适应性与精确度[10]。

4煤矿综合机械化掘进系统智能化建设的完善建议

煤矿综合机械化掘进系统需要具备高效掘进的效果，可以在煤岩迅速掘进装备中应用。其能够划分为掘进、输送、支护等流程，结合新技术手段的应用，可以有效解决支护、输送、掘进的有关问题，从而实现装备运行的高效化与一体化。掘进机有着远程监控和定位切割的功能，可以实现掘进机的程监控以及锚杆机运行参数的优化，然而应将若干检查人员预留在工作面。掘进机器人领域是掘进机的发展趋势和方向，为了实现此目标，应使远程监控、自动截割、远程遥控等功能实现[11]。其中，远程监控得益于数据通信链路的顺畅性以及掘进机动作的可控性。自动截割能够确保掘进机的控制精度达标、位置检测可信性得到提升。智能化截割可以确保自动截割的稳定运行，从而实现开采效率的提升和空间的拓展。并且，对掘进工艺适应性进行完善和创新，根据地质条件状况合理调控掘进机器人的操作安全性以及掘进速度。通常而言，相关操作都无需人工干预。远程控制的掘进工作面牵涉到矿井掘锚机、破碎转载机、胶带转载机、锚杆钻车等，并且设置供电和通信控制设备以及通风除尘设施等，从而可以建构高效、快速的掘进系统，以实现输送、支护、掘进的一体化。总之，新试验系统的机组可以体现协同控制、自主运行、远程监控、核心单机装备的功能，从而可以提高煤矿综合机械化掘进的自动化、数字化、信息化水平。

5结语

综上所述，煤炭是我国能源的基石，是可以实现清洁高效利用的最经济、可靠的能源，煤矿智能化是实现煤炭工业高质量发展的核心技术支撑。换句话说，煤矿综合机械化掘进系统智能化建设技术和系统不断完善、发展，煤矿企业应客观、综合地分析掘进配套设备及其技术，有效渗透一系列先进技术和系统，从而持续提升掘进的智能化水平，确保煤矿的安全、高效掘进。

参考文献

[1]王国法，刘峰，庞义辉，等.煤矿智能化--煤炭工业高质量发展的核心技术支撑[J].煤炭学报，2019（2）：349-357.

[2]范京道，徐建军，张玉良，等.不同煤层地质条件下智能化无人综采技术[J].煤炭科学技术，2019（3）：43-52.

[3]王国法，杜毅博.智慧煤矿与智能化开采技术的发展方向[J].煤炭科学技术，2019（1）：1-10.

[4]边文越，陈挺，陈晓怡，等.世界主要发达国家能源政策 研究与启示[J].中国科学院院刊，2019（4）：488-496.

[5]庞义辉，王国法，任怀伟.智慧煤矿主体架构设计与系统平台建设关键技术[J].煤炭科学技术，2019（3）：35-42.

[6]张强，许诚，高亚驰，等.集成超临界CO2循环的燃煤发电系统冷端优化[J].动力工程学报，2019（5）：418-424.

[7]王国法，刘俊峰.大同千万吨矿井群特厚煤层高效综放开采技术创新与实践[J].同煤科技，2018（1）：6-13.

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[9]吕鹏飞，何敏，陈晓晶，等.智慧矿山发展与展望[J].工矿自动化，2018（9）：84-88.

[10]任崇鹏.连续采煤机三条巷道同时掘进快速施工工艺[J].山东工业技术，2018（18）：82，248.

[11]董孟阳.掘进工作面配套装备智能化控制系统研究[J].现代制造技术与装备，2021（3）：185，193.