綜采工作面采煤機(jī)智能化技術(shù)研究現(xiàn)狀

趙亦輝， 趙友軍， 周展

(西安煤礦機(jī)械有限公司， 陜西 西安 710200)

0 引言

煤炭作為我國一次能源消費(fèi)的主體，其消費(fèi)總量常年占比在60%左右[1]。煤炭開采經(jīng)歷了機(jī)械化、自動(dòng)化階段，并逐步進(jìn)入智能化階段。近年來，國家逐步加大對(duì)煤礦智能化的建設(shè)力度。《國家能源局關(guān)于促進(jìn)煤炭工業(yè)科學(xué)發(fā)展的指導(dǎo)意見》提出：目前煤礦安全生產(chǎn)形勢(shì)依然嚴(yán)峻和復(fù)雜，必須加強(qiáng)煤礦自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化技術(shù)裝備研發(fā)，提高煤礦安全保障能力[2]。國家發(fā)改委、國家能源局聯(lián)合發(fā)布的《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃(2016—2030年)》明確指出：提升煤炭開發(fā)效率和智能化水平，2030年重點(diǎn)煤礦區(qū)基本實(shí)現(xiàn)工作面無人化[3]?！睹禾抗I(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》提出：支持煤礦無人工作面開采技術(shù)研發(fā)與示范工程建設(shè)，提高煤礦裝備現(xiàn)代化、系統(tǒng)自動(dòng)化、管理信息化水平[4]。2020年3月，國家發(fā)改委、國家能源局等8部委聯(lián)合印發(fā)的《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》明確提出：到2021年，建成多種類型、不同模式的智能化示范煤礦，基本實(shí)現(xiàn)綜采工作面內(nèi)少人或無人操作；到2025年，大型煤礦和災(zāi)害嚴(yán)重煤礦基本實(shí)現(xiàn)智能化[5]。該指導(dǎo)意見為煤礦智能化發(fā)展提出了明確發(fā)展規(guī)劃。

煤礦智能化建設(shè)要求煤礦各個(gè)子系統(tǒng)必須智能化[6]。由智能化煤礦評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重表可得，智能綜采系統(tǒng)所占權(quán)重為0.258 2[7]。因此，智能綜采系統(tǒng)的建設(shè)水平將直接決定煤礦智能化等級(jí)。智能綜采系統(tǒng)主要包括割煤系統(tǒng)、支護(hù)系統(tǒng)、運(yùn)輸系統(tǒng)和綜合保障系統(tǒng)，其中割煤系統(tǒng)所占權(quán)重為0.138 8[7]。割煤系統(tǒng)以采煤機(jī)為主，刮板輸送機(jī)與液壓支架服務(wù)于采煤機(jī)[8]，且采煤機(jī)直接作用于待采煤巖，因此，采煤機(jī)是綜采工作面的核心裝備，其智能化水平對(duì)煤礦智能化等級(jí)具有重要影響。

1 采煤機(jī)智能化研究現(xiàn)狀

國外煤機(jī)裝備經(jīng)過多年發(fā)展，在技術(shù)方面相對(duì)較成熟，自20世紀(jì)90年代開始，美國、德國、澳大利亞等國家先后提出相應(yīng)的智能化開采技術(shù)方案[9]。以艾柯夫、久益為代表的煤機(jī)企業(yè)，對(duì)采煤機(jī)智能化的研究較為系統(tǒng)和完備。

艾柯夫采煤機(jī)智能化技術(shù)發(fā)展主要經(jīng)歷了4個(gè)階段：① 在1996年實(shí)現(xiàn)基本自動(dòng)化的基礎(chǔ)上，增加記憶截割功能。② EiControl階段，主要進(jìn)行功能升級(jí)，通過配置傳感器、機(jī)載視頻等，使采煤機(jī)具有雷達(dá)防碰撞和紅外煤巖分界功能。③ EiControlSB階段，主要進(jìn)行軟件升級(jí)，配置SB Configurator軟件，可通過編程技術(shù)對(duì)采煤機(jī)狀態(tài)和狀態(tài)表進(jìn)行編輯和模擬，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)智能化控制。④ 2009年底，進(jìn)一步強(qiáng)化智能化功能，實(shí)現(xiàn)了搖臂滾筒截割狀態(tài)實(shí)時(shí)采集、頂?shù)装迕簬r分界、防頂梁碰撞等功能[10]。至此，艾柯夫采煤機(jī)智能化已處于高級(jí)階段，相關(guān)采煤機(jī)將逐步應(yīng)用于實(shí)踐。

久益采煤機(jī)智能化的核心在于其先進(jìn)的控制系統(tǒng)，從JNA，F(xiàn)aceboss1.0發(fā)展至Faceboss2.0，控制系統(tǒng)提供了強(qiáng)大的工具包、靈活的通信協(xié)議、可擴(kuò)展的輸入輸出端口和人性化的界面布局。久益采煤機(jī)高級(jí)自動(dòng)化(ASA)可實(shí)現(xiàn)水平控制、離線圖形編輯、三角煤自動(dòng)化、牽引自動(dòng)化、弧形擋煤板自動(dòng)化及長臂工作面自動(dòng)化和一體化。在硬件方面，久益采煤機(jī)主要通過增加相關(guān)傳感器和選擇性來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化：搖臂角度測(cè)量可通過傾角傳感器、搖臂編碼器等實(shí)現(xiàn)；采煤機(jī)位置測(cè)量有軸編碼器和D齒輪傳感器可供選擇；機(jī)身角度測(cè)量則可提供俯仰和搖擺角度計(jì)、熱傾角傳感器、俯仰和搖擺傳感器及陀螺；采煤機(jī)可配置綜采長壁工作面自動(dòng)控制(LASC)慣導(dǎo)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)位置測(cè)量和工作面自動(dòng)拉直；可通過光纖實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)取?/p>

國內(nèi)采煤機(jī)智能化起步相對(duì)較晚，但發(fā)展迅速，得益于國家對(duì)煤礦智能化開采的重視、國內(nèi)有煤礦背景的高校及科研院所的理論研究、優(yōu)秀煤機(jī)企業(yè)的研發(fā)制造和有條件煤礦企業(yè)的實(shí)踐應(yīng)用。從2005年開始，西安煤礦機(jī)械有限公司率先將遠(yuǎn)程通信技術(shù)應(yīng)用于采煤機(jī)，并先后成功應(yīng)用于潞安集團(tuán)王莊煤礦和重慶能源投資集團(tuán)松藻煤礦，與中國礦業(yè)大學(xué)共同承擔(dān)的國家863計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目——《采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制技術(shù)及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)》的結(jié)題，標(biāo)志著采煤機(jī)遠(yuǎn)程通信技術(shù)的成熟。此后，以西安煤礦機(jī)械有限公司和天地科技股份有限公司為主的煤機(jī)企業(yè)開始大規(guī)模開發(fā)探索采煤機(jī)記憶截割、機(jī)載視頻、故障診斷等智能化功能。2010年，在山西大同唐山溝煤礦對(duì)采掘裝備自動(dòng)截割技術(shù)進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，首次實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)工作面自動(dòng)化記憶截割。2014年，黃陵礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司基于西安煤礦機(jī)械有限公司MG2×200/925-AWD智能化采煤機(jī)，首創(chuàng)了地面遠(yuǎn)程操控采煤模式，率先實(shí)現(xiàn)了工作面采煤全過程“無人跟機(jī)作業(yè)，有人安全巡視”的安全高效開采[11]。2015年起，天地科技股份有限公司將LASC技術(shù)引進(jìn)中國，并于2017年初完成首個(gè)LASC自動(dòng)化工作面項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)了基于自由曲線模式的采煤機(jī)全工藝過程記憶截割自動(dòng)化功能[12]。2019年9月，西安煤礦機(jī)械有限公司研發(fā)制造的世界首臺(tái)8.8 m超大采高智能化采煤機(jī)投入神東煤炭集團(tuán)公司上灣煤礦12402工作面使用，該采煤機(jī)具有慣性導(dǎo)航、機(jī)載視頻、搖臂故障智能診斷、無線遠(yuǎn)程通信、記憶截割等智能化功能，并于2020年11月通過中國煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)組織的科技成果鑒定[13]。2020年8月，黃陵礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司成功實(shí)踐“基于動(dòng)態(tài)地質(zhì)模型的大數(shù)據(jù)融合迭代規(guī)劃控制策略的智能開采技術(shù)”，將智能化開采系統(tǒng)由1.0升級(jí)為3.0，采煤機(jī)實(shí)現(xiàn)了由傳統(tǒng)記憶截割向自動(dòng)規(guī)劃截割的跨越。

經(jīng)過多年的發(fā)展，國內(nèi)采煤機(jī)智能化技術(shù)已基本形成以智能感知、智能控制、智能診斷和智能通信為主的采煤機(jī)智能化架構(gòu)，隨著科學(xué)技術(shù)的大力推動(dòng)，相關(guān)智能化技術(shù)也將逐步完善。

2 采煤機(jī)智能化橫向分類

采煤機(jī)智能化橫向分類，即根據(jù)采煤機(jī)功能將智能化技術(shù)分為智能感知、智能控制、智能診斷和智能通信4類。

2.1 采煤機(jī)智能感知關(guān)鍵技術(shù)

(1) 采煤機(jī)位姿感知。采煤機(jī)位姿感知即監(jiān)測(cè)采煤機(jī)在割煤過程中相對(duì)于巷道的位置及采煤機(jī)姿態(tài)角，如圖1所示。通過安裝在采煤機(jī)行走部的軸編碼器，可精準(zhǔn)確定采煤機(jī)橫向位置。傳統(tǒng)的姿態(tài)監(jiān)測(cè)通過傾角儀實(shí)現(xiàn)，將傾角儀安裝于電控箱內(nèi)部合適的水平位置并標(biāo)注零點(diǎn)，傾角儀自身X，Y軸方向分別與采煤機(jī)行走方向和推進(jìn)方向垂直。在割煤過程中，將傾角儀測(cè)量值轉(zhuǎn)換為角度值，即可知采煤機(jī)所處位置的俯仰角度。

圖1 采煤機(jī)位姿感知Fig.1 Shearer position and pose perception

(2) 采煤機(jī)運(yùn)行環(huán)境狀態(tài)感知。采煤機(jī)運(yùn)行環(huán)境包括外部環(huán)境和內(nèi)部環(huán)境，外部環(huán)境主要包括采煤機(jī)所處位置的瓦斯?jié)舛取⑼L(fēng)情況等，內(nèi)部環(huán)境為采煤機(jī)主要機(jī)構(gòu)的狀態(tài)參數(shù)。運(yùn)行環(huán)境狀態(tài)感知通過各類傳感器完成。采用瓦斯?jié)舛葌鞲衅?、風(fēng)速傳感器等監(jiān)測(cè)外部環(huán)境。內(nèi)部環(huán)境監(jiān)測(cè)根據(jù)各機(jī)構(gòu)需求配置傳感器，如通過布設(shè)溫濕度傳感器實(shí)現(xiàn)電控箱溫濕度監(jiān)測(cè)，在噴霧和冷卻水路中安裝流量傳感器采集水路信息，在油路中安裝壓力傳感器監(jiān)測(cè)液壓系統(tǒng)壓力，在泵箱中配置油溫、油位傳感器進(jìn)行油溫、油位監(jiān)測(cè)。典型采煤機(jī)運(yùn)行環(huán)境狀態(tài)感知傳感器配置如圖2所示。

圖2 典型采煤機(jī)運(yùn)行環(huán)境狀態(tài)感知傳感器配置Fig.2 State sensing sensor configuration in typical shearer operating environment

(3) 機(jī)載視頻感知。通過安裝在采煤機(jī)搖臂上的照明燈和機(jī)載攝像儀實(shí)時(shí)追蹤采煤機(jī)滾筒割煤狀態(tài)，以視頻方式顯示采煤機(jī)截割滾筒與支架和頂板的動(dòng)態(tài)相對(duì)位置。為防止高空落煤砸損儀器，將照明燈和攝像儀內(nèi)嵌安裝或在其前沿位置增加防砸擋煤板，安裝位置如圖3所示。同時(shí)，為防止煤泥遮擋影響視頻采集清晰度，在照明燈及攝像儀外輪廓處安裝刮泥板，對(duì)煤泥進(jìn)行定頻率清洗。

圖3 照明燈和攝像儀安裝位置Fig.3 Position of lighting and camera installation

(4) 人員臨近識(shí)別。人員臨近識(shí)別系統(tǒng)主要由定位識(shí)別卡、識(shí)別標(biāo)簽和信號(hào)轉(zhuǎn)換器組成，如圖4所示。定位識(shí)別卡由工作面巡視人員攜帶，識(shí)別標(biāo)簽和信號(hào)轉(zhuǎn)換器單獨(dú)安裝在采煤機(jī)適當(dāng)位置。當(dāng)安裝在采煤機(jī)上的識(shí)別系統(tǒng)檢測(cè)到一定范圍內(nèi)的識(shí)別卡后，對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行操作限制或閉鎖，在其所在的位置周圍創(chuàng)建一個(gè)安全區(qū)域，從而避免在自動(dòng)化生產(chǎn)過程中產(chǎn)生人員安全隱患。

圖4 采煤機(jī)人員臨近識(shí)別Fig.4 Shearer personnel proximity identification

(5) 智能防碰撞檢測(cè)。在自動(dòng)化生產(chǎn)過程中，為減小空頂距并提升支架的跟機(jī)速度，需盡量減小采煤機(jī)與支架間的安全間距。采煤機(jī)防碰撞檢測(cè)可通過毫米波雷達(dá)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。毫米波雷達(dá)具有體積小、易集成、空間分辨力高、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，且可穿透煤塵、水霧等。毫米波雷達(dá)安裝于采煤機(jī)機(jī)身上，通過前方、左右、上下方向的三維掃描檢測(cè)各方的物體，如圖5所示。通過毫米雷達(dá)波技術(shù)可從較遠(yuǎn)位置識(shí)別工作面支架升降情況，從而實(shí)現(xiàn)防碰撞檢測(cè)，檢測(cè)距離為50 m，精度為1 cm。

圖5 采煤機(jī)用毫米雷達(dá)波Fig.5 Millimeter radar wave for shearer

(6) 直線度感知。直線度表征采煤機(jī)在工作面行走軌跡的平直度。目前直線度感知主要通過機(jī)載慣性導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)以牛頓力學(xué)定律為基礎(chǔ)，測(cè)量載體在慣性參考系中的加速度、角加速度，并對(duì)時(shí)間進(jìn)行一次積分，求得運(yùn)動(dòng)載體的速度、角速度；通過二次積分求得運(yùn)動(dòng)載體的位置信息，然后變換到導(dǎo)航坐標(biāo)系，得到導(dǎo)航坐標(biāo)系中的速度、偏航角和位置信息等[14]。機(jī)載慣性導(dǎo)航系統(tǒng)將采煤機(jī)的行走方向、工作面推進(jìn)方向和采煤機(jī)機(jī)身垂直方向作為三維坐標(biāo)空間的X，Y，Z軸，通過慣性導(dǎo)航內(nèi)置的三軸陀螺儀測(cè)量慣性導(dǎo)航的橫滾角、俯仰角和航向角，結(jié)合自身里程計(jì)數(shù)據(jù)，描繪出采煤機(jī)的行走軌跡，得到工作面的直線度。將直線度感知數(shù)據(jù)上傳至集控中心，通過相關(guān)算法可實(shí)現(xiàn)工作面自動(dòng)調(diào)直等功能。

(7) 煤巖識(shí)別感知。煤巖的自然邊界通常較為模糊，且經(jīng)常會(huì)有夾矸或頂板下陷、底板上升的情況。無差別直接割矸將會(huì)對(duì)采煤機(jī)造成極大的損壞。煤巖感知技術(shù)一直是煤炭開采的重點(diǎn)和難點(diǎn)。針對(duì)煤巖感知探測(cè)的方法包括雷達(dá)探測(cè)、γ射線探測(cè)、紅外測(cè)溫、振動(dòng)及電流等多參數(shù)協(xié)調(diào)感知、表面圖像分析等[8]，但在實(shí)際應(yīng)用過程中，受開采環(huán)境及測(cè)量方式的多重因素影響，上述方法的效果均不理想。因此，煤巖識(shí)別感知將作為長期重點(diǎn)研究課題持續(xù)攻關(guān)。

2.2 采煤機(jī)智能控制關(guān)鍵技術(shù)

(1) 采煤機(jī)滾筒自動(dòng)調(diào)高控制。采煤機(jī)搖臂滾筒調(diào)高通過伸縮液壓油缸實(shí)現(xiàn)。通過數(shù)字液壓缸、傾角儀和軸編碼器分別測(cè)量油缸伸縮量、搖臂傾角和軸旋轉(zhuǎn)量，可實(shí)現(xiàn)采高監(jiān)測(cè)。實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)滾筒自動(dòng)調(diào)高一直是綜采智能化的難點(diǎn)和重點(diǎn)。相關(guān)學(xué)者提出建立液壓油缸數(shù)學(xué)模型，采用模糊控制、小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和自適應(yīng)PID控制等方式，通過控制液壓油缸的伸縮量實(shí)現(xiàn)滾筒自動(dòng)調(diào)高[15-17]。王忠賓等[18]提出了基于人工免疫和記憶截割的采煤機(jī)截割滾筒自動(dòng)調(diào)高技術(shù)，將人工免疫理論與記憶截割相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)截割滾筒自適應(yīng)調(diào)高。

目前國內(nèi)較為普及的是基于記憶截割技術(shù)的滾筒自動(dòng)調(diào)高方式。記憶截割控制流程包括人工示教及數(shù)據(jù)處理、自適應(yīng)調(diào)高、人工修正3個(gè)階段。在人工示教及數(shù)據(jù)處理階段，采煤機(jī)根據(jù)人工操作割煤一刀，存儲(chǔ)每個(gè)采集點(diǎn)的當(dāng)前位置和采煤機(jī)姿態(tài)、采高、行走速度等信息。在自適應(yīng)調(diào)高階段，采煤機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)形成記憶截割曲線并指導(dǎo)采煤機(jī)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)高采煤。當(dāng)煤層地質(zhì)條件發(fā)生較大變化時(shí)，進(jìn)入人工修正階段，退出記憶模式，改為人干預(yù)采煤，將修正后的數(shù)據(jù)記錄到系統(tǒng)中,用于指導(dǎo)下一刀采煤[19]。

袁亮[20]提出將透明空間地球物理和多物理場(chǎng)融合,統(tǒng)籌考慮不同地質(zhì)條件下煤炭開采擾動(dòng)影響、致災(zāi)地質(zhì)因素等，形成了煤炭資源智能精準(zhǔn)開采的系統(tǒng)思維。程建遠(yuǎn)等[21]通過井下鉆探、物探、槽波地震、無線電磁波透視等技術(shù)對(duì)工作面情況實(shí)施探測(cè)，構(gòu)建了工作面三維地質(zhì)模型，結(jié)合云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，將待采模型切片為截割曲線，經(jīng)大數(shù)據(jù)平臺(tái)下發(fā)至采煤機(jī)執(zhí)行規(guī)劃截割，實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)滾筒自適應(yīng)調(diào)高及自適應(yīng)調(diào)速、一鍵啟停等功能。煤炭資源智能精準(zhǔn)開采方式依賴于地質(zhì)模型精度及采煤機(jī)執(zhí)行精度，具備較高的智能化程度，黃陵礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司率先開展實(shí)踐應(yīng)用，并取得相關(guān)成果鑒定。

(2) 采煤機(jī)自適應(yīng)調(diào)速控制。采煤機(jī)電動(dòng)機(jī)的過載、過溫、缺相、三相不平衡等信息可作為采煤機(jī)自適應(yīng)調(diào)速判斷條件，用于實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)自適應(yīng)調(diào)速控制。采用電流傳感器監(jiān)測(cè)電動(dòng)機(jī)三相電流，同時(shí)在電動(dòng)機(jī)繞組中預(yù)設(shè)鉑熱電阻PT100，通過熱電阻數(shù)據(jù)采集器將電動(dòng)機(jī)溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載大于額定負(fù)載的1.3倍時(shí)，采煤機(jī)牽引部電動(dòng)機(jī)自動(dòng)調(diào)速，采煤機(jī)減速以減小截割電動(dòng)機(jī)負(fù)載；當(dāng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載小于額定負(fù)載的0.9倍時(shí)，采煤機(jī)加速以增加截割電動(dòng)機(jī)負(fù)載，從而使采煤機(jī)達(dá)到最佳工作效率,并對(duì)電動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)溫度大于135°時(shí)，采煤機(jī)自動(dòng)降容運(yùn)行。此外，在電動(dòng)機(jī)回路中安裝絕緣監(jiān)測(cè)裝置，監(jiān)測(cè)電動(dòng)機(jī)的絕緣狀態(tài)并傳給控制器，根據(jù)絕緣數(shù)據(jù)對(duì)電動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)進(jìn)行中和分析，并結(jié)合電動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性曲線控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)行[22]。

(3) 環(huán)境瓦斯聯(lián)動(dòng)控制。對(duì)于高瓦斯突出礦井，為確保安全開采，采煤機(jī)牽引速度一般限制在3 m/min內(nèi)，嚴(yán)重制約開采效率。可建立環(huán)境瓦斯與采煤機(jī)速度聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)，通過電液控支架的綜合接入器將工作面瓦斯傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳入采煤機(jī)監(jiān)控箱，再傳至采煤機(jī)主控制器。設(shè)定瓦斯?jié)舛乳撝祬^(qū)間，采煤機(jī)根據(jù)瓦斯實(shí)時(shí)濃度對(duì)應(yīng)閾值區(qū)間動(dòng)態(tài)調(diào)整運(yùn)行速度。

(4) 煤流負(fù)載平衡控制。實(shí)時(shí)采集并分析刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)和破碎機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，經(jīng)由集控系統(tǒng)主控制器決策三機(jī)負(fù)荷與采煤機(jī)速度閾值參數(shù)，調(diào)節(jié)采煤機(jī)運(yùn)行速度或?qū)嵤╅]鎖控制，確保生產(chǎn)的連續(xù)性及運(yùn)輸設(shè)備負(fù)荷不超限。

(5) 俯仰導(dǎo)向控制。在采煤過程中，采煤機(jī)的行進(jìn)方向和推進(jìn)方向會(huì)隨著地質(zhì)變化而動(dòng)態(tài)變化。當(dāng)采煤機(jī)工作面?zhèn)缺炔煽諈^(qū)側(cè)高時(shí)，俯仰角度為正；當(dāng)采煤機(jī)的右側(cè)比左側(cè)高時(shí)，搖擺角度為正。在采煤過程中，需根據(jù)實(shí)時(shí)角度變化生成煤層的俯仰輪廓控制曲線。采煤機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)俯仰輪廓控制曲線自動(dòng)調(diào)整到新的截割輪廓進(jìn)行作業(yè)，當(dāng)需要改變截割高度時(shí)，可通過如下方式實(shí)現(xiàn)：采煤機(jī)正俯仰角度改變時(shí)，底滾筒抬高，采煤機(jī)在底板上仰采，刮板輸送機(jī)前側(cè)向上推進(jìn)，形成采煤機(jī)正俯仰，由此產(chǎn)生截割高度變化；采煤機(jī)負(fù)俯仰角度改變時(shí)，尾滾筒降下，采煤機(jī)在底板上俯采，刮板輸送機(jī)前側(cè)向下推進(jìn)，形成煤機(jī)負(fù)俯仰。完成所有校正后，采煤機(jī)即可在標(biāo)稱俯仰角度下運(yùn)行。通過俯仰角度控制可保持底板的平穩(wěn)性和可預(yù)測(cè)性，同時(shí)通過控制每一刀的最大俯仰角度變化，防止與支架碰撞。

2.3 采煤機(jī)智能診斷關(guān)鍵技術(shù)

(1) 實(shí)時(shí)在線診斷技術(shù)。采煤機(jī)實(shí)時(shí)在線診斷技術(shù)建立在各類數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上。采煤機(jī)配置有多種傳感器，如溫濕度傳感器、油溫/油位傳感器、電壓/電流傳感器等。采煤機(jī)上電運(yùn)行后，傳感器開始實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各類參數(shù)。上位機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)監(jiān)測(cè)的各類信號(hào)設(shè)定報(bào)警閾值，當(dāng)數(shù)值超限后，自動(dòng)開啟故障報(bào)警。

對(duì)于采煤機(jī)機(jī)械故障診斷，現(xiàn)階段仍以監(jiān)測(cè)振動(dòng)信號(hào)和溫度信號(hào)為主[23]。采集采煤機(jī)搖臂內(nèi)部齒輪的振動(dòng)信號(hào)及溫度信號(hào)，并進(jìn)行信號(hào)處理和數(shù)據(jù)分析，提取采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)特征，可準(zhǔn)確判斷出傳動(dòng)系統(tǒng)中的齒輪及軸承故障源，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理故障，從而降低采煤機(jī)故障率，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)故障智能診斷。采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示界面如圖6所示。

(2) 采煤機(jī)全生命周期管理。隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展，全生命周期管理系統(tǒng)的功能建設(shè)更為完善，為實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)智能診斷奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。采煤機(jī)全生命周期管理系統(tǒng)服務(wù)范圍包含采煤機(jī)制造環(huán)節(jié)、供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)、生產(chǎn)使用環(huán)節(jié)和再制造環(huán)節(jié)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架主要由資產(chǎn)層、感知層、控制層、數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層組成，通過集成服務(wù)系統(tǒng)、生產(chǎn)系統(tǒng)及企業(yè)管理系統(tǒng)，實(shí)時(shí)查看采煤機(jī)各階段整機(jī)狀態(tài)及備件狀況[24]。通過大數(shù)據(jù)技術(shù)預(yù)測(cè)采煤機(jī)故障狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)故障智能診斷。

2.4 采煤機(jī)智能通信關(guān)鍵技術(shù)

(1) 有線通信技術(shù)。在煤礦井下工作面巷道集控中心布設(shè)采煤機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控箱，通過動(dòng)力電纜芯線和光纖進(jìn)行有線通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面采煤機(jī)的遠(yuǎn)程信息采集和控制。采煤機(jī)動(dòng)力電纜需選用帶控制芯線的礦用阻燃金屬屏蔽線纜，且要求控制芯線兩兩雙絞，以提高抗干擾能力。采用動(dòng)力電纜芯線實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)遠(yuǎn)程通信，可保證遠(yuǎn)程控制時(shí)采煤機(jī)動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間在200 ms以內(nèi)，且穩(wěn)定傳輸總帶寬不小于20 kbit/s。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，光纖傳輸方式逐漸普及。采煤機(jī)電控箱內(nèi)部通過光電模塊實(shí)現(xiàn)傳輸信號(hào)轉(zhuǎn)換，采煤機(jī)外部單拉光纖至組合開關(guān)或遠(yuǎn)程監(jiān)控箱處，再通過光電模塊對(duì)傳輸信號(hào)進(jìn)行二次轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)中間段光纖傳輸。光纖傳輸方式具有本質(zhì)安全、無電磁干擾、電氣絕緣性良好、傳輸容量大等優(yōu)點(diǎn)。采煤機(jī)有線通信遠(yuǎn)程傳輸如圖7所示。

圖6 采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示界面Fig.6 Shearer vibration monitoring data display interface

圖7 采煤機(jī)有線通信遠(yuǎn)程傳輸Fig.7 Shearer wired communication remote transmission

(2) 無線通信技術(shù)。井下遠(yuǎn)距離無線通信方式包括WiFi，Mesh，4G等，其共同特點(diǎn)是低時(shí)延、大帶寬、高速率、可傳輸音視頻數(shù)據(jù)。以井下綜采工作面Mesh網(wǎng)絡(luò)為例，所有節(jié)點(diǎn)互相連接，形成一個(gè)整體的網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)擁有多條連接通道。Mesh網(wǎng)絡(luò)最大的特點(diǎn)是當(dāng)某條通道擁塞或故障時(shí)，信號(hào)可以“跳到”通暢完好的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸。綜采工作面冗余無線網(wǎng)絡(luò)如圖8所示。

煤礦綜采工作面設(shè)備種類繁多，數(shù)據(jù)量大，加之受井下環(huán)境和技術(shù)的限制，數(shù)據(jù)通信大多依靠井下千兆網(wǎng)絡(luò)。隨著煤礦智能化不斷發(fā)展，對(duì)監(jiān)控覆蓋面和實(shí)時(shí)性要求不斷提升，對(duì)通信的要求也不斷提高，尤其是遠(yuǎn)程控制對(duì)通信的可靠性和實(shí)時(shí)性要求非?？量?。5G是最新一代蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)，具有延時(shí)低、可靠性高、并發(fā)數(shù)量大三大特性。利用5G低時(shí)延、高可靠的特性，可大幅提高通信速度，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)與其他設(shè)備的可靠智能聯(lián)動(dòng)[25-26]。5G通信技術(shù)將會(huì)對(duì)綜采工作面智能化發(fā)展起到重要的促進(jìn)作用。

3 采煤機(jī)智能化縱向分級(jí)

采煤機(jī)智能化縱向分級(jí)，即根據(jù)采煤機(jī)在割煤過程中人為干預(yù)的程度及采煤機(jī)功能配置的差異，將采煤機(jī)智能化分為4級(jí)(L1—L4)。

3.1 智能化等級(jí)劃分

L1為輔助自動(dòng)化。采煤機(jī)通過單一傳感器采集電壓、電流、溫濕度、壓力、流量等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；控制系統(tǒng)以可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller, PLC)為核心，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)搖臂升降、牽引等基礎(chǔ)功能；在工作面巷道配置遠(yuǎn)程監(jiān)控箱，通過雙絞通信電纜進(jìn)行遠(yuǎn)程通信；通過設(shè)定閾值實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)故障報(bào)警功能。

L2為初級(jí)自動(dòng)化。采煤機(jī)配置完善的傳感網(wǎng)絡(luò)，智能感知運(yùn)行方向、速度、位置、采高、位姿等運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，以及瓦斯?jié)舛取O濃度、溫濕度等運(yùn)行環(huán)境參數(shù)?？刂葡到y(tǒng)增配記憶截割軟件，基于采高、位置數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)不同工藝段的記憶割煤功能。采煤機(jī)遠(yuǎn)程通信支持光纖方式?？赏ㄟ^對(duì)油液、振動(dòng)等監(jiān)測(cè)信號(hào)的離線分析，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)故障診斷。

L3為高級(jí)自動(dòng)化。在L2基礎(chǔ)上，采煤機(jī)通過增配本安防爆攝像儀及照明燈實(shí)現(xiàn)視頻采集。采煤機(jī)搭載慣性導(dǎo)航裝置，實(shí)現(xiàn)工作面直線度感知。安裝采煤機(jī)搖臂在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過沖擊脈沖傳感器實(shí)時(shí)采集搖臂齒輪振動(dòng)信號(hào)，采用終端分析軟件對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析及加速度包絡(luò)譜分析，實(shí)現(xiàn)異常信號(hào)實(shí)時(shí)在線診斷。

L4為智能化。攻克煤巖識(shí)別技術(shù)、俯仰導(dǎo)向控制技術(shù)，應(yīng)用數(shù)字孿生虛擬控制技術(shù)，疊加5G通信技術(shù)，輔以采煤機(jī)全生命周期管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)無人自主操控，達(dá)到真正意義上的智能化。

根據(jù)采煤機(jī)智能化橫向分類和縱向分級(jí)，列出采煤機(jī)智能化分類分級(jí)表(表1)。

表1 采煤機(jī)智能化分類分級(jí)Table 1 Intelligent classification and gradation of shearer

3.2 智能化等級(jí)判定

采煤機(jī)智能化等級(jí)判定流程如圖9所示。在實(shí)際判斷過程中，需根據(jù)采煤機(jī)在有限的設(shè)計(jì)運(yùn)行條件內(nèi)割煤過程中的人為干預(yù)情況判定其智能化等級(jí)。

圖9 采煤機(jī)智能化等級(jí)判定流程Fig.9 Intelligent grade determination flow of shearer

4 結(jié)論

(1) 介紹了國內(nèi)外采煤機(jī)智能化發(fā)展現(xiàn)狀。以久益、艾柯夫?yàn)橹鞯膰饷簷C(jī)裝備制造企業(yè)在采煤機(jī)智能化方面取得顯著成就。在相關(guān)企業(yè)、高校、科研院所及相關(guān)學(xué)者的努力下，近年來國產(chǎn)采煤機(jī)智能化也取得顯著成績，基本實(shí)現(xiàn)初級(jí)智能化采掘運(yùn)作業(yè)。

(2) 按照采煤機(jī)功能的不同進(jìn)行智能化橫向分類，分為采煤機(jī)智能感知、智能控制、智能診斷及智能通信4類，對(duì)每一類所涉及到的關(guān)鍵技術(shù)展開闡述，這些技術(shù)是支撐采煤機(jī)智能化發(fā)展的基本要素。

(3) 根據(jù)采煤機(jī)割煤過程中的人為干預(yù)情況進(jìn)行智能化縱向分級(jí)，分為輔助自動(dòng)化、初級(jí)自動(dòng)化、高級(jí)自動(dòng)化、智能化4個(gè)等級(jí)，不同等級(jí)對(duì)應(yīng)不同技術(shù)應(yīng)用。

(4) 通過采煤機(jī)智能化分類分級(jí)，可直觀地查閱采煤機(jī)智能化功能，并可通過判斷條件確定采煤機(jī)所處智能化等級(jí)，為智能化礦井建設(shè)評(píng)級(jí)提供量化參考，同時(shí)也更清晰地展現(xiàn)采煤機(jī)智能化發(fā)展的脈絡(luò)。