張學亮，劉 清，郎瑞峰，邵 斌，吳少偉

(1.北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司，北京 100013；2.中煤華晉集團有限公司 王家?guī)X煤礦，山西 運城 043000)

綜放開采自20世紀80年代引入中國以來，因其具有開采效率高，適應(yīng)性強等優(yōu)勢，逐漸成為厚煤層的首選開采手段[1，2]。針對6m以上厚煤層及4m以上不穩(wěn)定厚煤層，綜放開采優(yōu)勢明顯，但是在實際應(yīng)用中，也存在頂煤采出率低、出煤含矸率高增加洗選成本等問題[3]，如何在提高頂煤采出率的同時降低含矸率，成為綜放開采實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。如何通過提升綜放開采裝備的自動化、智能化水平，輔以多種傳感觀測手段，實現(xiàn)提高頂煤采出率，降低出煤含矸率，成為綜放開采的必然發(fā)展方向[4，5]。

國內(nèi)外圍繞自動化放煤開展過一系列的研究工作，取得了一些有益的經(jīng)驗。兗礦集團澳思達煤礦采用基于時間控制與人工干預(yù)協(xié)調(diào)的自動放煤方式，取得較好的效果[6，7]。有學者研究了基于記憶放煤時序控制的智能放煤模式[8，9]，有學者引入果蠅優(yōu)化算法與徑向基函數(shù)進行放煤時間預(yù)測，實現(xiàn)根據(jù)煤層賦存自動調(diào)整放煤時間[10]，有學者提出了以傳感器感知控制為主的自動化記憶放煤控制方法[11]。

針對綜放工作面的放煤控制方面，國家重點研發(fā)項目開始對智能化放煤展開研究[12]。有學者提出通過設(shè)計基于智能決策機制的智能化放煤控制系統(tǒng)，使煤矸在頂煤放出過程中最大程度地分離[13]。有學者從智能決策控制角度出發(fā)，以合理調(diào)節(jié)群組放煤口控制動作為手段，提出一種基于Q-learning模型的智能化放頂煤控制策略，通過調(diào)整放煤過程中各放煤口開閉實時控制策略，實現(xiàn)放煤效率的有效提升[14]。智能放煤的實現(xiàn)過程，很大程度上取決于放煤機構(gòu)的精準控制程度，有學者提出了一種綜采放頂煤工作面自動放煤控制系統(tǒng)，通過人工示范操作和機器學習記憶，實現(xiàn)了以傳感器感知控制為主、時間控制為保護值、地面調(diào)度室遠程干預(yù)控制為輔的自動化放煤控制[15]。

本文在綜放工作面放煤工藝分析的基礎(chǔ)上，圍繞智能放煤工藝，系統(tǒng)分析了智能放煤工藝原理、智能放煤工藝流程、智能放煤工藝參數(shù)；指出智能放煤需要依靠精準控制才能確保工藝流程到位，分析了頂煤厚度精準探測、放煤煤矸識別、放煤機構(gòu)動作精準控制等關(guān)鍵技術(shù)，可為厚煤層綜放工作面智能放煤提供參考。

1 智能放煤工藝

1.1 智能放煤工藝原理

綜放開采工藝包含割煤和放煤兩部分工藝。割煤工藝是指采煤機割煤動作及其與前部刮板輸送機、液壓支架相互配合而形成的回采過程，綜放開采工作面采用較多的割煤工藝為端部斜切進刀、單向/雙向割煤；綜放工作面放煤工藝緊密配合割煤工藝，在采煤機割煤、綜放支架移架后，頂煤失去支承發(fā)生垮落，通過控制綜放支架后部放煤機構(gòu)的尾梁和插板動作，可將頂煤放出，放出的頂煤由后部刮板輸送機運出，根據(jù)與割煤工藝的相對關(guān)系，放煤工藝分為一刀一放、兩刀一放、三刀一放等，目前采用較多的為一刀一放。

綜放工作面放煤工藝根據(jù)單架放煤控制過程及放出頂煤的量，分為單輪放煤、雙輪放煤和多輪放煤。根據(jù)多個綜放支架之間的協(xié)調(diào)關(guān)系，可以分為按支架編號順序依次執(zhí)行放煤控制過程的順序放煤和按支架編號間隔順序依次執(zhí)行放煤控制過程的間隔放煤。

在綜放工作面放煤工藝的基礎(chǔ)上，發(fā)展形成了自動化放煤工藝。自動化放煤工藝依托自動化放煤控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由綜放支架、電液控制系統(tǒng)、云臺攝像機、行程傳感器、傾角傳感器等諸多元件組成，其工作流程為：根據(jù)頂煤放落情況及后部刮板輸送機運輸煤量，電液控制系統(tǒng)來控制綜放支架后部尾梁和插板動作，借助相應(yīng)的傳感器有效檢測液壓支架的狀態(tài)，進而由電液控制系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的命令來控制液壓支架，通過該過程實現(xiàn)自動化放煤過程。在自動化放煤控制系統(tǒng)中，通過視頻監(jiān)視、后部刮板輸送機電機電流監(jiān)測、振動及圖像識別技術(shù)等來計算運煤量和煤的含矸率，構(gòu)建液壓支架姿態(tài)與放煤量的數(shù)學模型，通過控制液壓支架放煤機構(gòu)(尾梁、插板)與采空區(qū)形成的放煤口開度，來控制放煤量。

智能放煤工藝是在自動化放煤工藝的基礎(chǔ)上，通過對綜放工作面采煤機、液壓支架、刮板輸送機等設(shè)備進行系統(tǒng)的智能化升級，配備完善的智能感知、智能決策、智能放煤控制系統(tǒng)，提升綜放工作面成套裝備的智能化水平，實現(xiàn)智能化放煤。智能放煤工藝的關(guān)鍵是煤矸識別，在綜放支架后部放煤機構(gòu)配置基于振動信號檢測的煤矸識別檢測裝置，振動信號通過智能放煤控制器進行在線分析，發(fā)現(xiàn)矸石信號超過閾值，立即發(fā)出信號關(guān)閉綜放支架放煤口。在綜放支架后部配置音視頻裝置，通過人工遠程監(jiān)測，出現(xiàn)煤矸增多等異常情況自動進行提示，人工通過遠程干預(yù)操作或智能判斷自動關(guān)閉綜放支架放煤口。在帶式輸送機機尾處設(shè)置灰分在線檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)對綜放工作面煤流系統(tǒng)中灰分的檢測，若異常增多，則反饋給操作臺工作人員，人工通過遠程干預(yù)操作或智能判斷自動關(guān)閉綜放支架放煤口。智能放煤控制系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 智能控制系統(tǒng)圖

1.2 智能放煤工藝流程

根據(jù)上述智能放煤工藝原理，確定智能放煤工藝流程。智能放煤工藝流程是以單架智能放煤工藝流程為基礎(chǔ)，多個綜放支架協(xié)調(diào)動作完成整個工藝流程。確定單架智能化放煤流程如圖2所示。

圖2 單架智能化放煤流程圖

以圖2所示的流程為基準，采用單輪順序放煤時，可以采用逐個支架順序執(zhí)行該智能化放煤流程的方式完成整個綜放工作面的智能化放煤；采用雙輪順序放煤時，第二輪放煤開始應(yīng)與第一輪放煤間隔10個支架以上，依此類推，直至整個綜放工作面放煤工序完全結(jié)束。

2 智能放煤精準控制關(guān)鍵技術(shù)

智能放煤工藝的實現(xiàn)離不開智能放煤決策，在依靠智能放煤工藝建立起相應(yīng)的智能決策模型后，實現(xiàn)智能放煤精準控制才能確保最終放煤效果。智能放煤精準控制需要系統(tǒng)融合頂煤厚度精準探測、放煤煤矸識別、放煤機構(gòu)精準動作控制與執(zhí)行，形成閉環(huán)過程。

2.1 頂煤厚度精準探測技術(shù)

對綜放工作面來說，所采煤層一般厚度在4～20m，有的甚至煤層厚度更大，在井田勘探階段，可以采用地震波勘探、瞬變電磁勘探等對煤層厚度進度探測，結(jié)合部分鉆孔實測數(shù)據(jù)，給出區(qū)域煤層的大致賦存狀態(tài)，其精度較低，為分米級。在綜放工作面掘進階段和回采前，可以依靠超聲波探測結(jié)合掘進巷道頂煤鉆探孔進行煤層厚度探測，其精度相對較高，為厘米級。對于確定的綜放工作面，需要及時探測沿綜放工作面方向的頂煤厚度，為提前預(yù)計放煤量提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。根據(jù)煤巖界面存在明顯的介電常數(shù)差異的原理，采用脈沖雷達發(fā)射出的信號在分界處會產(chǎn)生明顯的反射信號，可以依此確定煤巖分界面的位置，進而對頂煤厚度及頂煤量進行精準探測。

采用UWB(Ultra Wide Bandwidth)透地雷達，通過頻率范圍900MHz～5.5GHz的無線電脈沖技術(shù)，能夠達到探測煤層厚度3m、探測精度50mm的透地測量需求。能夠?qū)崿F(xiàn)在綜放工作面采煤機割煤后對頂煤厚度的精準及時探測，滿足現(xiàn)場放煤預(yù)測需求。脈沖雷達的硬件構(gòu)成為：一對收發(fā)天線、雷達模塊及輸入輸出通信電路，雷達模塊采用單芯片CMOS脈沖信號收發(fā)器，其性能特點為近距離、高分辨率、512位深度、大于30Gbps的高速采樣率、超低功率射頻發(fā)射等[16]。

沿工作面每間隔一定數(shù)量的支架可布置1臺UWB透地雷達組成雷達群，利用工作面網(wǎng)絡(luò)將分布于工作面的各個雷達數(shù)據(jù)實時傳給監(jiān)控中心主機，雷達信號處理系統(tǒng)提取雷達測定的頂煤層厚度信息，并實時發(fā)送給綜放自動化控制系統(tǒng)。

UWB透地雷達信號處理系統(tǒng)軟件實現(xiàn)雷達檢測、波形顯示、信號分析、數(shù)據(jù)存儲等功能，能夠以二維和三維波形呈現(xiàn)。

通過分析雷達信號可以測量出煤巖分界的位置，將連續(xù)多幀波形的分析結(jié)果形成信號強度對比灰度圖，利用灰度對比可以判定煤巖分界界面位置，從而確定頂煤厚度。通過對多個雷達信號的統(tǒng)一展示，能夠?qū)崿F(xiàn)煤巖界面的三維展示，進而可計算出頂煤厚度和待放煤量，為智能放煤提供及時的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。頂煤厚度可能在采煤過程中不斷變化，將一段時間內(nèi)實測結(jié)果進行三維展示，可直觀看到煤巖分界的變化情況。

2.2 放煤煤矸識別技術(shù)

放煤的煤矸識別是智能放煤判斷的一個難點。根據(jù)相關(guān)研究，可采用振動加速度傳感來識別放落下的是煤還是矸石，但是這種方案只對煤矸屬性差別較大的情況起作用[17]。也有學者研究了基于圖像的煤矸識別，現(xiàn)場可以考慮采用高清攝像機進行煤矸識別，難點是放煤過程中后部放煤口粉塵過大，使得攝像頭無法清晰地獲取煤矸成像信息；其次綜放支架后部放煤拍攝空間對攝像頭的安裝、防砸、防塵以及維護提出了很大的挑戰(zhàn)；有些放頂煤工作面的矸石顏色與煤炭顏色非常接近，以致不能有效識別[18]。論文研究聚焦于王家?guī)X煤礦，其回采的2號煤層抗壓強度實測平均9.93MPa，直接頂板細粒砂巖-粉砂巖抗壓強度平均27.75MPa，屬于煤矸屬性差別較大的情況，采用振動加速度傳感器識別技術(shù)進行煤矸識別。

在綜放支架尾梁下方安裝加速度傳感器采集放落煤矸的振動信號，煤矸放落時產(chǎn)生一定的振動聲譜特征變化，可以從其功率譜上進行理論分析，將采集到的放煤信號進行譜運算，通過觀察放煤過程中信號頻域能量集中在哪個頻段，根據(jù)相關(guān)研究，矸石下落后的信號功率譜值顯著增大，功率譜值能對振動能量做出間接反映。

對煤矸振動信號設(shè)計FIR (Finite Impulse Response)濾波器，其設(shè)計方法建立在對理想濾波器頻率特性作某種近似的基礎(chǔ)上，選用應(yīng)用窗函數(shù)法進行設(shè)計。通過設(shè)計濾波系數(shù)，采用216階系統(tǒng)帶通濾波設(shè)計，通帶頻率設(shè)計為9.5～10.5kHz；阻帶截止頻率設(shè)計9kHz和11kHz，且阻帶衰減設(shè)計為-55dB，這樣既能有效衰減尾梁插板動作時產(chǎn)生的振動信號以及煤塊撞擊尾梁所產(chǎn)生的信號，又能使得矸石撞擊的實際信號無損進入系統(tǒng)后續(xù)功率譜運算。

將帶無線通信的加速度傳感器用高強度磁鐵吸附在支架尾梁下方，采集到的原始數(shù)據(jù)進行三維分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 加速度傳感器時域能量算法三維圖

經(jīng)測定，基于王家?guī)X煤礦煤矸混合樣本測定的加速度傳感器時域三維能量顯示在頻率10kHz附近，時間持續(xù)30～40ms的過程中能量出現(xiàn)了很高的峰值，其他頻率內(nèi)也有小的峰值出現(xiàn)，通過計算9.5～10.5kHz范圍內(nèi)的能量值累積值，與單獨煤、矸樣本基準能量進行比對產(chǎn)生煤矸識別結(jié)果。從圖中可以看出，實際采集的數(shù)據(jù)通過前級濾波處理后有效的信號主要集中在9.5～10.5kHz范圍內(nèi)，矸石掉落時此頻率范圍內(nèi)的信號能量能夠有效反應(yīng)矸石掉落情況。

2.3 放煤機構(gòu)動作精準控制技術(shù)

綜放支架放煤機構(gòu)的控制是通過對尾梁油缸、插板油缸進行動作控制實現(xiàn)的，兩者動作實現(xiàn)程度如何是放煤精準控制效果的關(guān)鍵。在綜采工作面前部精準推移控制中，通過給油缸配置行程傳感器，并引入推移控制邏輯閥，并優(yōu)化電液控制系統(tǒng)自動推移控制流程，實現(xiàn)移架、推溜動作精確控制及銷軸間隙自動消除功能[19]。通過在綜放支架尾梁油缸、插板油缸安裝行程傳感器，行程傳感數(shù)據(jù)實時上傳至電液控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對放煤機構(gòu)動作的實時檢測，達到對放煤機構(gòu)動作精準控制。

采用基于磁致伸縮原理的行程傳感器進行放煤機構(gòu)動作精準控制檢測。磁致伸縮行程傳感器利用鐵磁材料的磁致伸縮原理，通過檢測磁致伸縮線的形變位置來確定傳感器的行程值，從而達到測量千斤頂活塞桿行程的目的，其測量精度能達到3mm以內(nèi)。磁致伸縮行程傳感器結(jié)構(gòu)如圖4所示。預(yù)裝行程傳感器的放煤機構(gòu)如圖5所示。

圖4 磁致伸縮行程傳感器結(jié)構(gòu)圖

圖5 安裝行程傳感器的綜放支架放煤機構(gòu)圖

3 智能放煤工藝應(yīng)用

王家?guī)X煤礦12309綜放工作面位于123盤區(qū)西翼中部，北側(cè)為12311綜放工作面采空區(qū)，南側(cè)為實體煤，西側(cè)為123盤區(qū)邊界，推進長度1320m，寬度260m，工作面回采2號煤層，煤層傾角2°～5°，可采儲量265.3萬t。

12309綜放工作面采用單一走向長壁采煤法，綜合機械化低位放頂煤采煤工藝，設(shè)計采用采煤機兩端頭斜切進刀，煤機割煤一刀，放煤一次，按一刀一放正規(guī)循環(huán)作業(yè)，采高3.1m，放煤高度3m，循環(huán)進度0.865m，采用自然垮落法管理采空區(qū)頂板。

12309綜放工作面配備MG620/1540-WD型變頻電牽引采煤機，配備150架綜放支架，基本支架選用ZFY12000/23/34D型放頂煤電液控支架，所有支架尾梁和插板安裝行程傳感器，搭配SGZ1000/2×1000型前、后部變頻刮板輸送機，SZZ1200/700型轉(zhuǎn)載機，DSJ-140/250/2×450型可伸縮帶式輸送機等設(shè)備，配備了SAC電液控制系統(tǒng)和SAM綜采自動化系統(tǒng)，整套設(shè)備集一鍵啟動、記憶割煤、采放同步、智能放煤、自動調(diào)直等功能于一身。

根據(jù)王家?guī)X煤礦2號煤層密度1.35t/m3，支架寬度1.75m，循環(huán)進尺0.865m，頂煤厚度3m，實際同時開啟支架放煤口數(shù)量3架。

每隔15架，在綜放支架上分別安裝UWB透地雷達，用于探測頂梁上方的頂煤厚度，共布置10套。將帶無線通信的加速度傳感器用高強度磁鐵吸附在中部支架尾梁下方，用于放煤煤矸識別測試，共布置30架?，F(xiàn)場根據(jù)智能放煤控制系統(tǒng)調(diào)試進度，進行現(xiàn)場工業(yè)性試驗。

對王家?guī)X煤礦采用人工放煤和智能放煤的應(yīng)用效果進了跟蹤實測。2019年10月14日至19日，通過下井跟班實測，獲得了王家?guī)X煤礦12309綜放面人工放煤實測數(shù)據(jù)。2019年10月22日至23日，調(diào)取智能放煤控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)，結(jié)果見表1。頂煤采出率數(shù)據(jù)計算按照開始日早班8：00至結(jié)束日早班8：00進行考慮，考慮工作面兩巷煤壁至煤壁范圍，每天每個生產(chǎn)班測定10處支架高度(支架編號與透地雷達安裝支架編號一致)取平均值作為采煤機割煤高度基準數(shù)據(jù)，每天檢修班取機頭機尾各1個點向頂煤打鉆測定頂煤厚度，與UWB透地雷達探測數(shù)據(jù)取平均值作為頂煤厚度基準數(shù)據(jù)，通過帶式輸送機上皮帶秤測定的過煤量作為采出總體煤量，帶式輸送機尾處灰分儀測定的灰分值作為含矸率指標，頂煤采出率=(采出總體煤量×(1-含矸率)-割煤計算量)/頂煤計算量×100%。

表1 現(xiàn)場實測放煤工藝數(shù)據(jù)對比表

上述數(shù)據(jù)表明，采用智能放煤工藝，移架時間提升23%～35%，單架放煤時間提升14%～26%，割煤速度提升16%～20%，頂煤采出率達到91%，提高3個百分點，煤炭含矸率達到20%，降低3個百分點?？傮w采放效率提升約20%。

4 結(jié) 論

1)在綜放工作面放煤工藝和自動化放煤工藝分析的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)分析了智能放煤工藝原理和智能放煤工藝流程。指出智能放煤工藝的關(guān)鍵是煤矸識別，闡述了基于振動信號檢測、音視頻檢測、灰分在線檢測的智能放煤工藝原理。

2)智能放煤需要依靠精準控制才能確保工藝流程到位，分析了頂煤厚度精準探測、放煤煤矸識別、放煤機構(gòu)動作精準控制等關(guān)鍵技術(shù)，通過在支架前部安裝UWB透地雷達測量頂煤厚度作為放煤量的基準，采用基于振動加速度傳感器的煤矸識別方式進行煤矸識別，以9.5～10.5kHz范圍作為矸石放落有效信號為終止放煤基準，通過在綜放支架尾梁和插板油缸安裝磁致伸縮行程傳感器實現(xiàn)對放煤機構(gòu)動作精準控制。

3)根據(jù)王家?guī)X煤礦12309工作面綜放開采實際，采用智能放煤工藝頂煤采出率達到91%，煤炭含矸率達到20%，與人工放煤“見矸關(guān)窗”方式相比分別提高3%、降低3%?？傮w采放效率提升約20%。

4)經(jīng)過王家?guī)X煤礦12309工作面現(xiàn)場工業(yè)試驗，驗證了智能放煤工藝原理和流程，同時驗證了頂煤厚度精準探測、放煤煤矸識別、放煤機構(gòu)動作精準控制等關(guān)鍵技術(shù)，為實現(xiàn)綜放工作面的智能化無人開采提供了必要條件。