矿井综采工作面三机智能化控制研究

刘,江

摘要：随着工业化、信息化技术不断发展，煤矿井下先进的通信技术、控制技术等不断应用，在一定程度提升了矿井综合智能化控制水平。矿井生产过程中，综采工作面是主要的煤炭开采、运输场所，实现采面内采煤机、刮板输送机以及液压支架合理衔接、配套，是实现煤炭资源高效回采的重要保障。

关键词：煤炭开采;综采设备;智能化控制

引言

当前采矿行业飞速发展和广泛应用的技术是大数据和物联网，如人工智能和大数据以及云计算等在当今工业化与信息化领域的成熟应用，都极快地促进了密集型煤炭技术的发展方向，井下煤矿工作面的5G智能化，大大拓宽了开采煤矿的范围。综采工作面是生产煤炭不同环节里最重要的一步，可以说是枢纽的一步，代表上游环节的是准备工作面和治理灾害，中间环节是运输和煤炭采落，代表下游环节的是管理后期的矿井和采空区。综采工作面最常用到的采煤机械有3种：刮板输送机和液压支架以及采煤机，其中高效发展和安全及绿色的煤矿保障前提是运行和衔接以及“三机”配套的综采工作面。所以，本文重点研究了基于液压支架和刮板输送机还有综采工作面中采煤机典型应用时，运行和衔接以及“三机”配套环节采用智能化方式后，其综采工作面未来的智能化建设方向的研究。

1综采工作面“三机”配套

在综采工作面的大系统背景下，要根据一定的原则，才能达成三种设备工作过程中的协同作用，这些指标有很多方面，如系统的规格、设备的性能、机械的大小、使用的寿命等，同时采煤机的割煤生产能力要达到该工作面计划的生产能力，这也是对采煤机性能方面的要求。此外，刮板输送机一定要留出一部分的运输能力，这样做的目的是避免落下的碎煤堆积在一起，影响生产效率。其中的各个子系统之间的配合也是有一定要求的，具体如下：1）采煤机与刮板输送机的系统：刮板输送机的中心输送槽要朝着采煤机底部托架、滑靴等结构支承，物料运输的首、尾部构造应保证与采煤机贯通，并在首、尾部之间的特殊地方处理成三角形的煤。2）刮板输送机物料运输与液压支架系统：液压支架的每个斜槽的中心直径应小于液压支架的中心距。3）采煤机与液压支架的系统：采煤机最大采煤宽度应低于液压支架的最大支撑宽度，采煤机牵引速度应低于最大液压支撑转速；切割深度应当低于液压支架的最大移动步距。“三机”相互配合、控制、协作，以最终实现试验系统性能的最优化。并按照试验机械设备选型与配合的基本准则，在试验工作面配备设备。

2矿井综采工作面三机智能化控制研究

2.1采煤机定位技术

采煤机定位技术主要有红外传感定位、超声波定位、惯性导航定位和采煤机融合定位。红外传感定位是通过装在液压支柱上的接收装置接收安装在采煤机上的发射装置不断发射的红外信号，并运用定位算法实现采煤机的定位。该方法易出现多个接收器同时接收到信号的现象，且红外收发装置比较脆弱且易受到工作面粉尘、水汽等恶劣环境的影响，定位精度较低。超声波定位法是将接收发装置安装在桥式转载机的小桥上，在采煤机运行过程中，以采煤机为监测对象发送超声波，接收装置通过接收采煤机端部反射回来的超声波进行系统处理确定采煤机的位置。此方法的优势在于不用和被测物体直接接触且方向性好、强度容易控制，缺点是在矿井环境较为恶劣且回采工作面较长时，超声波随着距离的增加会大幅衰减或无法接收到回波，定位时会产生较大误差或定位失败。惯性导航定位通过陀螺仪和加速度计来实时测算采煤机的3个转动角速度和线性加速度，然后依次通过坐标变换和高速积分运算获得采煤机的姿态、速度、航向等信息。该方法具有自主性强、可靠性高等优点。但惯性导航定位方法易产生累计误差和位置漂移，且定位精度受采煤机运行时长的影响较大。

2.2液压支架智能化

新型智能化液压支架配套了多种感应探头，包括不限于监测顶板压力、护帮推力、推移刮板输送机推力等参数的位移传感器、压力传感器和各种红外接收器。液压支架配备推移专用双速控制阀，当支架完成自动移架后，使用推移双速控制阀慢速推移千斤顶，消除销孔间隙，使推移千斤顶与刮板输送机溜槽充分接触，避免了移架距离不统一、不充分，多次支架工作后出现较大的推移误差，导致工作面弯曲现象。双速控制阀的使用消除了支撑力不一致形成的推移支架长短不一的情况，保证了工作面的平直度。根据工作面实际运用效果推算，可以将刮板输送机推移控制精度提高50%以上，提升到了厘米级精度。根据液压支架每架红外传感器定位采煤机位置，传输数据至集控中心分析，再反馈到支架控制模块，自动跟机、移架、推溜、护帮和喷雾。自动补压升架功能根据工作面不同的地质条件，结合综采工作面实时动态，自动升、降液压系统的压力，实现支架的升降和调整，解放支架工，不再需要人工干预，技术上彻底实现采煤工作面少人、无人。

2.3综采工作面直线控制

该项技术保障了井下综采工作面的正常运行。液压支架矫直主要采用采煤机惯性导航定位、激光雷达扫描、视觉测量等方法来测量刮板输送机的弯曲度，并利用差分算法和自身的位移反馈来完成液压支架的定量“移动”对准。具体来说，通过采煤机内置的陀螺仪或巡检测试系统，可以对综采工作面刮板输送机的直线度进行测量，通过计算分析液压支架与刮板输送机的相对位置关系，在后续工作过程中，对液压支架的位置进行调整，从而实现刮板输送机与液压支架的平行控制。

2.4智能化的液压支架

新型智能化液压支架，有很多感应探头：位移传感器能实现推移刮板和护帮推力以及顶板压力监测，另外还有很多红外接收器和压力传感器。推移配备的液压支架是控制双速的专用阀，它可以把千斤顶进行缓慢移动达到自动移架支架的效果，进一步使间隙销孔消除，完全贴合溜槽的输送刮板机和移动的千斤顶接触，不会出现不充分和不统一的移架距离，推移误差较大一般发生在支架反复多次时，会发生弯曲的工作面。为避免不一致的支撑力，使用了控制双速阀，降低了支架推移不一致长短的现象，尽可能达到平直的工作面。推送现实运用的工作面成果可知，精度大大提升到厘米级，推移输送刮板机提升了不止50%的控制精度。根据每架，集控中心接收到红外传感器在采煤机液压支架所定位的具体位置数据进行分析，支架模块控制部分进行接收后完成喷雾护帮和推溜移架以及自动跟机的动作。

结语

1)构建智能化矿井是实现煤炭高效开采、减少井下工作人员数量的主要途径之一，而综采工作面是矿井主要生产场所，实现综采工作面三机智能化控制是智能化矿井建设的主要内容。由于传统的综采工作面各设备受控制方式、通信方式等因素制约，无法实现集中智能化控制，为此文中构建的三机智能化控制系统采用无线基站、光纤通信等方式实现信息交互，通过采用先进的惯性导航系统、传感器检测技术等实现三机设备智能化控制。2)对三机智能化控制系统关键技术进行分析探讨，并对现场应用效果进行分析。三机智能化控制系统在3302综采工作面应用实践表明，该智能化控制系统可在一定程度提升煤炭开采效率、减少井下工作人员数量，在减少增效以及提升矿井生产效益方面表现出明显优势。

参考文献

[1］关伟，杨刚，张玮蓉，等．综采工作面远程智能监控系统研发及应用［J］．陕西煤炭，2022，41(3):164－169．

［2］李峰峰，李云飞，冯立伟．煤矿综采工作面智能控制系统及应用［J］．江西煤炭科技，2022(1):226－227，230．