曹哲哲

(陜西黃陵二號(hào)煤礦有限公司，陜西 延安 727307)

0 引言

智能化煤礦的基本構(gòu)架按層次劃分可以分為感知層、傳輸層、平臺(tái)層與決策應(yīng)用層4個(gè)階段。

感知層主要由感知層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，感知層主要實(shí)現(xiàn)感知、采集功能，通過(guò)RFD讀寫(xiě)器、傳感器、監(jiān)測(cè)監(jiān)控等相關(guān)通信技術(shù)對(duì)礦井主要設(shè)備的運(yùn)行情況、重大生產(chǎn)隱患、礦井生產(chǎn)系統(tǒng)與輔助系統(tǒng)是否正常運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控[1]。傳輸層主要由有線接口和無(wú)線接口這2個(gè)重要架構(gòu)組成，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸與反饋功能，將來(lái)自感知層的采集數(shù)據(jù)傳輸至運(yùn)行終端，形成可讀性較強(qiáng)的數(shù)據(jù)資料。目前，有線接口主要通過(guò)千兆以太網(wǎng)處理運(yùn)行，無(wú)線接口主要以WiFi、ZigBee、WSN等自組網(wǎng)通信技術(shù)為核心進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸工作。傳輸層能夠編譯、處理多種制式信號(hào)并完成對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸與反饋，是智能化礦井實(shí)現(xiàn)高效信息傳輸通道的重要環(huán)節(jié)。智能化煤礦平臺(tái)層是提供礦井基礎(chǔ)設(shè)施與通用軟件連接的服務(wù)平臺(tái)接口，平臺(tái)層擁有多種類(lèi)型的數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)與檢索功能，能夠高效地完成數(shù)據(jù)挖掘與數(shù)據(jù)融合，實(shí)現(xiàn)對(duì)資料數(shù)據(jù)的交互控制與統(tǒng)一管理維護(hù)，是決策應(yīng)用層的技術(shù)核心與服務(wù)接口[2]。決策應(yīng)用層是基于智能化煤礦生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)裙に囬_(kāi)發(fā)出的應(yīng)用系統(tǒng)，具有危險(xiǎn)源辨識(shí)、災(zāi)害預(yù)警、事故分析、方案擬定等綜合功能，決策應(yīng)用層是實(shí)現(xiàn)礦井生產(chǎn)管理人員與信息采集數(shù)據(jù)直接接觸的關(guān)鍵層，該層能夠?qū)⒏鞣N數(shù)據(jù)資料整合處理，形成可讀性較強(qiáng)、便于生產(chǎn)管理人員閱讀、分析的電子類(lèi)資料[3]，決策應(yīng)用層系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分主要包括人員定位系統(tǒng)、專家決策系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)、智能生產(chǎn)系統(tǒng)、GIS定位系統(tǒng)等。

1 智能化開(kāi)采技術(shù)特征

1.1 液壓支架跟機(jī)自動(dòng)化技術(shù)

液壓支架跟機(jī)自動(dòng)化技術(shù)是指以采煤機(jī)的位置為基準(zhǔn)，結(jié)合礦井開(kāi)采工藝，依據(jù)工作面頂板壓力、傾角、液壓支架姿態(tài)、采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)等信息，將整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程劃分為不同的階段，確定合適的割煤工藝，自動(dòng)決策并控制液壓支架中部跟機(jī)、端頭清浮煤、轉(zhuǎn)載機(jī)自動(dòng)推進(jìn)等動(dòng)作，液壓支架跟機(jī)自動(dòng)化工藝能夠有效保證工作面生產(chǎn)的銜接性，實(shí)現(xiàn)安全高效的生產(chǎn)[4]。

液壓支架跟機(jī)自動(dòng)化工藝實(shí)現(xiàn)的主要條件包括：①采煤機(jī)位置的確定；②智能工作面設(shè)備處于正常運(yùn)行狀態(tài)；③正確配置液壓支架電液控制系統(tǒng)的參數(shù)；④合理控制采煤機(jī)推進(jìn)速度，保證工作面平穩(wěn)推進(jìn)。

1.2 采煤機(jī)記憶截割技術(shù)

采煤機(jī)記憶截割技術(shù)是指在實(shí)現(xiàn)液壓支架跟機(jī)自動(dòng)化的基礎(chǔ)上，結(jié)合支架跟機(jī)階段和象限轉(zhuǎn)換點(diǎn)，將采煤機(jī)記憶割煤象限分割，按照示范刀所記錄的工作參數(shù)、姿態(tài)參數(shù)、滾筒高度軌跡，進(jìn)行智能化運(yùn)算，形成記憶截割模板，在自動(dòng)截割過(guò)程中不斷修正誤差，確保工作面液壓支架全工作面自動(dòng)化控制與采煤機(jī)記憶割煤切換的準(zhǔn)確匹配[5]，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)高、臥底、加速和減速等功能，降低人工干預(yù)的頻率，提高工作面自動(dòng)化跟機(jī)生產(chǎn)效率。

1.3 工作面視頻監(jiān)控技術(shù)

工作面視頻監(jiān)控技術(shù)能夠?qū)⑷说囊暵?tīng)感官延伸到工作面，通過(guò)在工作面安裝攝像儀，實(shí)時(shí)跟蹤采煤機(jī)，自動(dòng)完成視頻跟機(jī)推送、視頻拼接等功能，為工作面可視化遠(yuǎn)程監(jiān)控提供“身臨其境”的視覺(jué)感受，指導(dǎo)遠(yuǎn)程生產(chǎn)。

1.4 遠(yuǎn)程集中監(jiān)控技術(shù)

遠(yuǎn)程集中監(jiān)控系統(tǒng)用于在控制中心對(duì)三機(jī)、泵站和液壓支架等設(shè)備進(jìn)行集中監(jiān)測(cè)和控制，匯總?cè)龣C(jī)、泵站、開(kāi)關(guān)、電液控主機(jī)和采煤機(jī)主機(jī)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，再將這些數(shù)據(jù)分發(fā)給各個(gè)主機(jī)。遠(yuǎn)程集中監(jiān)控技術(shù)系統(tǒng)原理，如圖1所示。

圖1 遠(yuǎn)程集中監(jiān)控技術(shù)系統(tǒng)原理Fig.1 Principle of remote centralized monitoring technology

2 智能化放頂煤關(guān)鍵技術(shù)

2.1 振動(dòng)法自動(dòng)放煤

振動(dòng)法自動(dòng)放煤工藝是以振動(dòng)傳感器為核心元件，通過(guò)感知識(shí)別不同硬度物體相互撞擊產(chǎn)生的信號(hào)差異，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤矸的自動(dòng)放落識(shí)別，尤其適用于礦井放頂煤開(kāi)采工藝中煤矸硬度差異較大的情況。振動(dòng)法自動(dòng)放煤工藝分析感知流程主要包括：前端濾波平滑處理、電信號(hào)去降噪處理以及功率譜分析處理三大板塊。智能化工作面安設(shè)有多處傳感器，需借助信息融合算法對(duì)來(lái)自感知層采集的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行編譯處理，并將解析處理結(jié)果以信號(hào)指令的形式傳輸至液壓支架傳感器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)放煤口的開(kāi)閉控制，完成液壓支架的智能放煤工序[6]。

在智能化工作面開(kāi)采過(guò)程中，一般將振動(dòng)傳感器安裝在綜放工作面液壓支架的尾梁處，通過(guò)連接裝置與液壓支架傳感器相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資料的傳輸與交換，在放頂煤工藝中，振動(dòng)傳感器通過(guò)感知識(shí)別煤矸放落時(shí)煤矸撞擊尾梁的振動(dòng)信號(hào)，對(duì)煤矸的狀態(tài)進(jìn)行分析識(shí)別，待識(shí)別完成后，通過(guò)連接裝置將識(shí)別結(jié)果傳輸至液壓支架傳感板塊，判斷煤矸放落的情況，當(dāng)煤矸放落程度滿足系統(tǒng)定義的放落閾值時(shí)，由支架控制器執(zhí)行放煤口的關(guān)閉程序，實(shí)現(xiàn)智能化自動(dòng)放煤。

2.2 記憶模式自動(dòng)放煤

記憶模式自動(dòng)放煤是區(qū)分于振動(dòng)法自動(dòng)放煤工藝的另一種智能化放頂煤工藝，主要適用于地質(zhì)條件穩(wěn)定、區(qū)域構(gòu)造良好、采煤工藝變化不大的生產(chǎn)礦井，放頂煤工藝具有一定的機(jī)械重復(fù)性與單調(diào)性，實(shí)現(xiàn)智能煤礦記憶模式的自動(dòng)放煤，需利用采煤機(jī)的記憶截割功能，將采煤機(jī)記憶割煤象限分割，按照示范刀所記錄的工作參數(shù)、姿態(tài)參數(shù)、滾筒高度軌跡等基礎(chǔ)信息，進(jìn)行智能化運(yùn)算，形成記憶截割模板與完整的自動(dòng)放煤程序，進(jìn)行記憶放煤[7]。

在智能化工作面開(kāi)采過(guò)程中，一般需將自動(dòng)放煤控制器安裝在液壓支架上，利用放煤控制器的采集信息功能，將采煤機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)示范進(jìn)刀的工序、時(shí)序以及工作參數(shù)等關(guān)鍵信息進(jìn)行記憶存儲(chǔ)，最后通過(guò)智能化處理運(yùn)算，形成記憶截割模板與完整的自動(dòng)放煤程序，實(shí)現(xiàn)智能化自動(dòng)放煤。

3 智能化開(kāi)采技術(shù)難題及應(yīng)對(duì)措施

3.1 采煤機(jī)智能調(diào)高

采煤機(jī)智能調(diào)高是指采煤機(jī)根據(jù)不同煤層賦存情況自動(dòng)調(diào)整搖臂高度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)煤層的精確截割，目前，智能化采煤系統(tǒng)主要通過(guò)記憶截割模板實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)搖臂高度的精確調(diào)節(jié)，該工序主要通過(guò)固定模式的截割曲線進(jìn)行自動(dòng)截割，無(wú)法適應(yīng)煤層賦存情況復(fù)雜、變化趨勢(shì)較大的礦井生產(chǎn)。

從控制邏輯的層面分析，要想提高采煤機(jī)截割的精確度，需要實(shí)時(shí)感知煤巖體的分界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤巖的精準(zhǔn)區(qū)分與識(shí)別，由于煤巖體的賦存情況、物理特性具有極大的不確定性，加之雷達(dá)探測(cè)、紅外線探測(cè)等探測(cè)技術(shù)的影響難以實(shí)現(xiàn)精確的控制，因此，單一基于煤巖體分界面識(shí)別的采煤機(jī)智能調(diào)高技術(shù)并不能有效地適應(yīng)煤礦智能化生產(chǎn)，要想實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)截割的精確智能化控制，應(yīng)探索基于煤層地質(zhì)信息精準(zhǔn)預(yù)測(cè)、智能模擬模型推演、截割參數(shù)動(dòng)態(tài)分析以及最佳截割曲線智能擬合方面的技術(shù)工藝，從而完成對(duì)礦井生產(chǎn)的精確化控制[8]。

3.2 液壓支架群組與圍巖自適應(yīng)

液壓支架群組是煤礦進(jìn)行機(jī)械化開(kāi)采的關(guān)鍵性生產(chǎn)設(shè)備，目前，礦井基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)液壓支架群組動(dòng)作調(diào)整的自動(dòng)化，但是針對(duì)支架動(dòng)作準(zhǔn)確度、一致性的控制，還存在著諸多不足，因此，對(duì)液壓支架群組與圍巖的智能耦合自適應(yīng)的研究是必要的。

要實(shí)現(xiàn)液壓支架群組與圍巖的耦合自適應(yīng)，要求液壓支架具有自主感知、智能調(diào)整支護(hù)參數(shù)以及隨工作面采動(dòng)情況實(shí)時(shí)改變支護(hù)狀態(tài)的功能，液壓支架群組協(xié)同控制邏輯，如圖2所示。

圖2 液壓支架群組協(xié)同控制邏輯關(guān)系Fig.2 Logic relationship of hydraulic support group cooperative control

當(dāng)前，為更好地實(shí)現(xiàn)液壓支架群組與圍巖智能自適應(yīng)功能，需在以下幾方面進(jìn)行研究創(chuàng)新。

液壓支架群組智能控制：目前，大多研究工作都以單個(gè)液壓支架為研究對(duì)象展開(kāi)，而對(duì)液壓支架群組的支護(hù)特性鮮有研究，由于工作面礦壓具有一定的不確定性與非均勻性，因此，要實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)回采工作面的合理支護(hù)，必須將液壓支架群組作為重點(diǎn)進(jìn)行深入研究，其研究方向可歸納為①研究液壓支架群組支護(hù)參數(shù)與支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)分布特性的關(guān)系；②研究液壓支架群組支護(hù)阻力變化規(guī)律；③建立液壓支架群組與圍巖的智能耦合條件[9]。

支架狀態(tài)自主感知功能控制：當(dāng)前液壓支架的自主感知控制功能主要依據(jù)立柱壓力感知，對(duì)工作環(huán)境、巖層破壞程度的探測(cè)以及支架頂板破斷情況感知功能方面尚有很大的提升空間，優(yōu)化支架狀態(tài)的自主感知控制功能，還應(yīng)在提高工作面仰/俯角自動(dòng)監(jiān)測(cè)、健全液壓支架關(guān)鍵位置受力情況分析以及對(duì)工作面超前壓力的提前感知預(yù)報(bào)等方面展開(kāi)深入研究。

支架結(jié)構(gòu)自主調(diào)控控制：要實(shí)現(xiàn)對(duì)支架的智能化控制，優(yōu)化支架的初撐力、工作阻力、護(hù)幫力以及推移速度是最重要、最關(guān)鍵的，在當(dāng)前階段，礦井應(yīng)加強(qiáng)對(duì)傳統(tǒng)支架結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新性調(diào)整，增強(qiáng)液壓支架的可調(diào)節(jié)范圍，以便適應(yīng)特殊地質(zhì)環(huán)境下對(duì)不同采高煤層的開(kāi)采工藝。

3.3 工作面直線推進(jìn)控制

液壓支架群組在推移的過(guò)程中受到工作面地質(zhì)構(gòu)造、工作面仰、俯采及浮煤對(duì)刮板輸送機(jī)推移行程以及推移耳軸的配合間隙等諸多因素的影響，每次推進(jìn)距離都存在一定的偏差，累計(jì)的偏差往往會(huì)造成各液壓支架推移進(jìn)度不一，刮板輸送機(jī)呈錯(cuò)落不齊的狀態(tài)，影響工作面沿直線推進(jìn)的現(xiàn)象，產(chǎn)生液壓支架“咬架”、刮板輸送機(jī)彎曲、啞鈴銷(xiāo)損壞等破壞，嚴(yán)重影響工作面安全生產(chǎn)的效率。當(dāng)前，多數(shù)礦井主要通過(guò)拉線和紅外光束確定工作面直線推進(jìn)的尺度，根據(jù)實(shí)際測(cè)量情況利用人工對(duì)刮板輸送機(jī)進(jìn)行調(diào)直，該技術(shù)工藝效率較低，難以適應(yīng)工作面智能化開(kāi)采的需求。

針對(duì)此類(lèi)難題，引入激光對(duì)位技術(shù)和慣導(dǎo)定位技術(shù)對(duì)工作面進(jìn)行直線度智能化控制，其中，利用慣導(dǎo)定位技術(shù)應(yīng)用效果良好，基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)工作面直線推進(jìn)的智能化控制，該技術(shù)在采煤機(jī)上安裝陀螺儀，實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)的精確定位，在采煤機(jī)的推進(jìn)過(guò)程中，實(shí)時(shí)記錄采煤機(jī)的截割情況并繪制截割軌跡，液壓支架根據(jù)繪制的截割軌跡對(duì)推移行程進(jìn)行修正，通過(guò)三方聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)工作面的直線推進(jìn)。慣導(dǎo)調(diào)直采煤機(jī)軌跡曲線示意，如圖3所示。

A-修正后采煤軌跡線；C-實(shí)際采煤機(jī)軌跡線；B、D-理想軌跡線圖3 慣導(dǎo)調(diào)直采煤機(jī)軌跡曲線Fig.3 Track curve of inertial navigation straightening shearer

4 結(jié)語(yǔ)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，生產(chǎn)的智能化已被應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，使智能化走向煤礦開(kāi)采工作面得以實(shí)現(xiàn)，文中著眼于智能化工作面的建設(shè)，詳細(xì)闡述了智能化煤礦開(kāi)采關(guān)鍵技術(shù)，以液壓支架電液控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，形成了以液壓支架跟機(jī)自動(dòng)化技術(shù)、采煤機(jī)記憶截割技術(shù)、工作面視頻監(jiān)控技術(shù)、遠(yuǎn)程集中監(jiān)控技術(shù)、自動(dòng)放頂煤技術(shù)為核心的五大綜放工作面智能化開(kāi)采技術(shù)。對(duì)當(dāng)前智能化開(kāi)采存在的技術(shù)難題進(jìn)行分析與思考，提出采煤機(jī)智能調(diào)高、液壓支架群組與圍巖自適應(yīng)以及工作面直線推進(jìn)控制等相關(guān)技術(shù)手段，旨在為智能化礦井的建設(shè)與推廣應(yīng)用提供一定借鑒與參考。