煤礦井下綜采面智能化綜采體系的應(yīng)用研究

張 鴻

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)晉圣公司億欣煤業(yè)）

煤礦井下的綜采作業(yè)模式直接決定了井下綜采作業(yè)的效率和安全性，一個(gè)完整的綜采作業(yè)過程主要包括采煤機(jī)的截割作業(yè)、液壓支架的支護(hù)作業(yè)、刮板輸送機(jī)的物料運(yùn)輸作業(yè)、破碎機(jī)的破碎作業(yè)、轉(zhuǎn)載作業(yè)等多個(gè)流程。大量自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備的應(yīng)用極大提升了煤礦井下綜采作業(yè)效率，但也普遍存在著各設(shè)備的智能程度低、設(shè)備間的關(guān)聯(lián)控制缺失以及監(jiān)測(cè)難的問題，已經(jīng)成為制約井下綜采作業(yè)效率進(jìn)一步提升的關(guān)鍵。

實(shí)現(xiàn)井下各設(shè)備的智能化作業(yè)及設(shè)備間的遠(yuǎn)程協(xié)同控制，是解決以上難題的有效方式和煤炭開采產(chǎn)業(yè)升級(jí)的必然需求。目前國內(nèi)外的多位學(xué)者對(duì)井下智能綜采的應(yīng)用進(jìn)行了研究，雷照源等［1］提出了“少人和智能復(fù)雜作業(yè)”技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)井下智能綜采提出了破解對(duì)策；康紅普等［2］則針對(duì)性地提出了基于數(shù)據(jù)信息融合的液壓支架組跟機(jī)自適應(yīng)控制技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)、液壓支架的聯(lián)動(dòng)運(yùn)行控制提出了一種解決思路。

本項(xiàng)目在以上研究的基礎(chǔ)上，提出了基于5G高速網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)動(dòng)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下關(guān)鍵設(shè)備的聯(lián)動(dòng)運(yùn)行控制方案。

1 智能化綜采體系構(gòu)架

隨著煤礦井下綜采作業(yè)設(shè)備機(jī)械化水平的不斷提升，目前再通過增加自動(dòng)化綜采設(shè)備的方案已經(jīng)很難大幅度提升井下綜采作業(yè)的經(jīng)濟(jì)性。而通過對(duì)井下綜采作業(yè)狀況的分析，井下最大的問題在于各類機(jī)械設(shè)備智能化程度低且運(yùn)行缺乏統(tǒng)一的控制，不僅需要人工輔助運(yùn)行，而且設(shè)備之間的上下游聯(lián)系需要通過人工來協(xié)調(diào)，導(dǎo)致無法充分發(fā)揮各設(shè)備的實(shí)際作業(yè)優(yōu)勢(shì)。因此，實(shí)現(xiàn)綜采面綜采作業(yè)效率、經(jīng)濟(jì)性、安全性提升的關(guān)鍵在于建立起各設(shè)備的智能化及集中控制體系，實(shí)現(xiàn)綜采的“一個(gè)流”連續(xù)作業(yè)。本項(xiàng)目所提出的智能化綜采體系架構(gòu)如圖1所示。

由圖1可知，該智能化綜采體系主要是以5G高速通信網(wǎng)絡(luò)為依托，將采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)、乳化液泵站等綜采設(shè)備進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)控制，一方面對(duì)其智能化改造，提高設(shè)備的自主決策、自主運(yùn)行能力，另一方面對(duì)各設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和預(yù)警，提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性，最后再通過聯(lián)合運(yùn)行控制邏輯，實(shí)現(xiàn)對(duì)各設(shè)備的聯(lián)動(dòng)運(yùn)行控制。

該智能綜采體系構(gòu)架的核心主要包括5G高速數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)、采煤機(jī)的記憶截割智能控制、液壓支架的自主跟機(jī)運(yùn)行控制、井下視頻監(jiān)控4個(gè)部分，這4個(gè)部分在智能綜采體系架構(gòu)下相互輔助運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)井下綜采作業(yè)面的“一個(gè)流”連續(xù)運(yùn)行控制，極大地提升了井下作業(yè)的智能化和自動(dòng)化水平。

2 5G高速數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)

為了滿足對(duì)煤礦井下綜采面各類設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和生產(chǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，在瞬間產(chǎn)生的數(shù)字通信量極大，同時(shí)為了保證整個(gè)智能化控制系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性，各類數(shù)據(jù)信息需要進(jìn)行實(shí)時(shí)交互傳輸，加上井下作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，各類干擾源干擾能力強(qiáng)，因此對(duì)井下數(shù)據(jù)通信提出了極高的要求?，F(xiàn)有的井下數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)主要采用了電纜有線傳輸方案，由于傳輸條件的限制，數(shù)據(jù)傳輸能力差，極易出現(xiàn)數(shù)字信號(hào)不同步、數(shù)據(jù)傳輸衰減大的異常，而且有線傳輸方案存在著較大的局限性，需要鋪設(shè)較長(zhǎng)的電纜，而采煤機(jī)、液壓支架運(yùn)行過程中電纜極易折彎、破壞，難以滿足安全、可靠的數(shù)據(jù)傳輸需求［3］。

因此，為了滿足高度集成化的數(shù)據(jù)傳輸可靠性需求，本項(xiàng)目提出了一種基于5G高速傳輸?shù)臒o線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，該數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)包括了地面數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)和井下數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)。地面?zhèn)鬏斊脚_(tái)各設(shè)備之間采用了高速光纖網(wǎng)絡(luò)連接，提高數(shù)據(jù)通信的可靠性。井下數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)在各監(jiān)測(cè)設(shè)備上布置無線信號(hào)發(fā)射裝置，在井下布置多個(gè)5G數(shù)據(jù)通信基站，用于對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信號(hào)的增強(qiáng)處理，在井下控制中心處同步設(shè)置隔爆電源箱，確保供電的穩(wěn)定性和靈活性，能夠根據(jù)井下的監(jiān)測(cè)需求進(jìn)行隨意的組合，此外，各數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)均進(jìn)行了數(shù)據(jù)冗余設(shè)計(jì)，確保在特殊情況下系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。根?jù)實(shí)際應(yīng)用，該數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)能夠?qū)?shù)據(jù)傳輸效率提升17.6倍，將數(shù)據(jù)瞬時(shí)傳輸容量擴(kuò)大9.4倍，有效保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎桶踩浴Ｔ摳咚贁?shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 采煤機(jī)的記憶截割智能控制

采煤機(jī)是煤礦井下綜采作業(yè)的核心，其運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性直接決定了井下綜采作業(yè)的安全性，由于井下地質(zhì)條件復(fù)雜，在綜采作業(yè)過程中，主要是依靠人工控制的模式進(jìn)行截割作業(yè)，嚴(yán)重依賴于控制人員的操作經(jīng)驗(yàn)，不僅難以實(shí)現(xiàn)塊煤率、截割比能耗的平衡性，而且也容易因?yàn)槿斯げ僮魇д`而導(dǎo)致采煤機(jī)發(fā)生觸頂事故，影響綜采作業(yè)的效率和安全性。

因此，本項(xiàng)目提出了一種采煤機(jī)記憶截割智能控制系統(tǒng)［4］，通過對(duì)井下綜采面巖層數(shù)據(jù)的分析，快速判斷出巖層的硬度信息，然后傳輸?shù)讲擅簷C(jī)控制系統(tǒng)，根據(jù)硬度信息及地質(zhì)條件信息，控制采煤機(jī)的截割轉(zhuǎn)速、截割高度、進(jìn)給速度等信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)截割作業(yè)狀態(tài)的智能控制，該采煤機(jī)記憶截割智能控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

由圖3可知，該記憶截割控制系統(tǒng)主要包括了機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)、反饋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等，在開始工作時(shí)采煤機(jī)首先在人工的控制下進(jìn)行截割作業(yè)，反饋檢測(cè)系統(tǒng)則實(shí)時(shí)記錄采煤機(jī)的截割狀態(tài)信息，然后將截割路徑信息和截割參數(shù)信息儲(chǔ)存在采煤機(jī)內(nèi)，作為自動(dòng)截割控制階段的調(diào)控依據(jù)。當(dāng)采煤機(jī)進(jìn)入到自動(dòng)截割作業(yè)中時(shí)，系統(tǒng)調(diào)取記憶截割參數(shù)信息，然后通過控制采煤機(jī)按既定的截割參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)截割作業(yè)。

為了進(jìn)一步提升截割作業(yè)的可靠性，在系統(tǒng)中設(shè)置了截割電機(jī)監(jiān)控模塊，對(duì)截割電機(jī)的輸出電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過電流的波動(dòng)來對(duì)煤壁的硬度信息進(jìn)行判斷［5］，采煤機(jī)記憶截割控制系統(tǒng)則根據(jù)煤壁的硬度情況和記憶截割參數(shù)信息，自動(dòng)確定最佳的截割轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度，從而在保證截割安全的情況下保證采煤機(jī)的塊煤率、截割比能耗等。

4 液壓支架的自主跟機(jī)運(yùn)行控制

在井下綜采作業(yè)過程中，采煤機(jī)的位置不斷變化，綜采面上液壓支架的支護(hù)狀態(tài)不斷進(jìn)行調(diào)整，滿足支護(hù)安全性的需求，防止截割滾筒和液壓支架護(hù)幫板出現(xiàn)片幫或者支護(hù)不及時(shí)現(xiàn)象。受井下復(fù)雜綜采作業(yè)條件影響，采煤機(jī)和液壓支架的相對(duì)位置難以實(shí)現(xiàn)精確判斷，因此多數(shù)煤礦主要采用人工監(jiān)測(cè)調(diào)整的方案，滿足液壓支架的跟機(jī)控制需求，不僅效率低下，而且經(jīng)常出現(xiàn)調(diào)節(jié)不到位、采煤機(jī)片幫等異常，嚴(yán)重影響了煤礦井下綜采作業(yè)的進(jìn)行。

因此，本項(xiàng)目首先對(duì)液壓支架在跟機(jī)運(yùn)行時(shí)的控制邏輯進(jìn)行了分析，支架在整個(gè)運(yùn)行過程中的支護(hù)狀態(tài)主要包括調(diào)節(jié)支護(hù)高度、調(diào)節(jié)頂梁支護(hù)角度、控制支架護(hù)幫板的收放等，為了滿足采煤機(jī)安全割煤的需求，在采煤機(jī)綜采作業(yè)方向上，需要不斷收起液壓支架的護(hù)幫板，避免采煤機(jī)截割滾筒和護(hù)幫板干涉，而在采煤機(jī)后側(cè)的液壓支架需要根據(jù)采煤機(jī)的截割作業(yè)情況不斷地完成降架—移架—升架—支護(hù)，保證對(duì)截割后煤層的可靠支撐。

為了保證對(duì)液壓支架、采煤機(jī)相互位置的精確監(jiān)測(cè)，本項(xiàng)目采用了編碼器+紅外線定位雙結(jié)合的定位判斷系統(tǒng)［6］，在液壓支架上安裝紅外線發(fā)射裝置，在采煤機(jī)上安裝紅外線接收裝置，紅外線發(fā)射裝置不斷地發(fā)出紅外線定位信號(hào)，液壓支架上的接收裝置接收到紅外線定位信號(hào)后會(huì)對(duì)接收角度進(jìn)行判斷，從而解析處理采煤機(jī)和液壓支架的相對(duì)位置關(guān)系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)定位。同時(shí)在采煤機(jī)上設(shè)置編碼器對(duì)采煤機(jī)的運(yùn)行速度、運(yùn)行距離進(jìn)行記錄，再根據(jù)各支架和采煤機(jī)的位置關(guān)系進(jìn)行判斷。當(dāng)2種定位方式的定位結(jié)果一致時(shí)，系統(tǒng)控制液壓支架執(zhí)行相關(guān)動(dòng)作，當(dāng)2種定位方式的定位結(jié)果出現(xiàn)偏差后，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行二次定位分析，若依舊存在偏差，則系統(tǒng)暫停執(zhí)行并發(fā)出報(bào)警，由人工判斷后執(zhí)行。通過2種定位相結(jié)合的方式來實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)、液壓支架位置的精確判斷，解決了單一定位方式定位不精確的難題，而且組合式定位的精度達(dá)到了±0.15 m，完全滿足井下采煤機(jī)、液壓支架的精確定位需求。

在液壓支架執(zhí)行自動(dòng)跟機(jī)運(yùn)行控制時(shí)，為了保證控制的精確性，對(duì)液壓支架的移架流程進(jìn)行了劃分，液壓支架的移架主要包括移架開始時(shí)間、移架暫停范圍、移架暫停時(shí)間、到達(dá)移架時(shí)間、支架抬底開始時(shí)間、支架抬底到達(dá)時(shí)間6個(gè)部分，對(duì)各個(gè)部分的動(dòng)作配合順序進(jìn)行了優(yōu)化。液壓支架的移架開始時(shí)間與達(dá)到移架時(shí)間的循環(huán)與支架抬底開始時(shí)間、支架抬底到達(dá)時(shí)間要形成邏輯順序，在達(dá)到移架時(shí)間范圍內(nèi)，要包括支架的暫停時(shí)間、支架暫停范圍2組循環(huán)。為了保證跟機(jī)的穩(wěn)定性，在移架過程中可以暫停多次，而且每個(gè)支架可以多次調(diào)整支護(hù)姿態(tài)，滿足支護(hù)安全性的需求。液壓支架的自主跟機(jī)調(diào)節(jié)流程如圖4所示。

5 井下視頻監(jiān)控

井下視頻監(jiān)控主要目的是為了對(duì)井下各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和協(xié)同運(yùn)行情況進(jìn)行直觀監(jiān)測(cè)，便于地面控制中心人員及時(shí)調(diào)整井下設(shè)備的運(yùn)行情況，滿足綜采作業(yè)安全性需求。為了保證視頻監(jiān)控的準(zhǔn)確性，在采煤機(jī)及井下巷道位置處均設(shè)置高清攝像裝置，同時(shí)攝像裝置具有360°全面監(jiān)控能力，能夠根據(jù)實(shí)際需求切換，保證了對(duì)井下綜采作業(yè)流程監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過5G高速網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)降孛婵刂浦行?，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎途_性。該視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)畫面如圖5所示。

6 結(jié)論

（1）5G高速數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)能夠?qū)?shù)據(jù)傳輸效率提升17.6倍，將數(shù)據(jù)瞬時(shí)傳輸容量擴(kuò)大9.4倍，有效保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎桶踩浴?/p>

（2）采煤機(jī)自動(dòng)截割控制系統(tǒng)，能夠根據(jù)記憶截割參數(shù)信息，自動(dòng)確定最佳的截割轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度，從而有效提升綜采作業(yè)的效率。

（3）紅外線定位+編碼器組合式定位的精度達(dá)到了±0.15 m，保證了液壓支架跟機(jī)運(yùn)行時(shí)的控制精度和可靠性。

（4）該智能綜采控制體系能夠?qū)⒕伦鳂I(yè)人員數(shù)量降低39.7%，將綜采作業(yè)效率提升27.3%，為實(shí)現(xiàn)井下智能綜采控制和煤炭產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級(jí)奠定了基礎(chǔ)。