李國強

（山西寧武大運華盛老窯溝煤業(yè)有限公司， 山西 寧武 036700）

引言

煤炭是我國的基礎性能源資源，占據(jù)了我國一次性能源消耗總量的55%以上[1]，煤炭的開采主要包括了回采作業(yè)面開采以及掘進作業(yè)面開采，掘進作業(yè)面開采的機械化和自動化程度均不足，主要是依靠人工進行綜采。由于井下高濕、高塵、高噪聲的作業(yè)環(huán)境再加上冒頂片幫、瓦斯突出、底板突水等異常，給井下綜采作業(yè)帶來了極大的危險，嚴重限制了井下綜采作業(yè)效率和安全性的進一步提升。

結合煤礦井下綜采作業(yè)的實際情況，提出了一種新的井下綜采面智慧綜采技術方案，首先對井下綜采面的綜采作業(yè)流程進行優(yōu)化，使其滿足機械化自動綜采需求，然后建立機械化自動綜采聯(lián)動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對整個綜采面作業(yè)流程的“一個流”控制，能夠根據(jù)井下地質情況自動調整綜采作業(yè)狀態(tài)。根據(jù)驗證，該智慧化綜采作業(yè)系統(tǒng)能夠將井下綜采作業(yè)效率提升24.3%，將綜采面作業(yè)人員數(shù)量降低44.7%，初步實現(xiàn)了井下智能化控制作業(yè)，具有較大的應用推廣價值。

1 綜采面作業(yè)工序優(yōu)化

煤礦井下綜采面的綜采作業(yè)主要是利用采煤機將煤炭從煤壁上截割下來，然后通過刮板輸送機運輸?shù)街付ǖ攸c的過程，在綜采作業(yè)時還需要根據(jù)綜采的實際進度支護巷道，保持巷道在綜采作業(yè)過程中的穩(wěn)定性。目前由于采用以人工為主的綜采作業(yè)方案，因此截割、支護、運輸、環(huán)境監(jiān)測等均為獨立運行模式，相互之間存在著較大非關聯(lián)性。為了滿足智慧綜采作業(yè)的需求，首先對井下綜采作業(yè)及監(jiān)測需求進行分類，在綜采作業(yè)方面嚴格規(guī)定作業(yè)按照煤巖狀態(tài)探測→綜采→支護→運輸?shù)捻樞蜻M行，在綜采安全監(jiān)測方面則根據(jù)監(jiān)測對象的不同分別采用視頻監(jiān)測及傳感器探測控制的方式，確保了對井下各監(jiān)測結果的準

確性，綜采面各開采工序分配如圖1 所示[2]。

圖1 作業(yè)面綜采工序分布圖

由圖1 可知，通過對作業(yè)工序和綜采作業(yè)環(huán)境狀態(tài)的分類優(yōu)化，能夠為實現(xiàn)對井下綜采及工作環(huán)境的可靠監(jiān)測和預警，為進一步實現(xiàn)智慧化控制奠定了基礎。

2 智慧化綜采控制系統(tǒng)

煤礦井下智慧化綜采的核心，是建立一套聯(lián)動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對井下綜采、環(huán)境監(jiān)測、排水、供電、通風系統(tǒng)的一體化運行控制，為了適應不同礦井的需求，該智慧化綜采控制系統(tǒng)采用了模塊化的控制邏輯，包括圍巖探測系統(tǒng)、生產控制系統(tǒng)及視頻監(jiān)控系統(tǒng)三個部分，滿足從井下圍巖狀態(tài)探測、智能掘進、智能支護、智能運輸及井下綜采作業(yè)狀態(tài)安全監(jiān)控和調整的需求，該智慧化綜采控制系統(tǒng)整體結構如下頁圖2 所示[3]。

由圖2 可知，該綜采控制系統(tǒng)中，圍巖探測系統(tǒng)主要是對井下圍巖的狀態(tài)進行探測，提供圍巖的硬度分布、圍巖穩(wěn)定性信息，作為采煤機智能化掘進控制調整的依據(jù)，其關鍵難點在于實現(xiàn)對井下圍巖的快速判斷和分析，滿足智能化綜采控制中隨探、隨掘的連續(xù)綜采作業(yè)需求。

圖2 智慧化綜采控制系統(tǒng)結構示意圖

生產控制系統(tǒng)主要是實現(xiàn)井下采煤機、液壓支架、刮板輸送機的“一個流”連續(xù)運行控制，包括采煤機的自動截割控制、液壓支架的跟機自動支護控制及刮板輸送機、采煤機的運量- 綜采速度聯(lián)動運行控制技術，保證在綜采作業(yè)過程中綜采- 支護- 運輸?shù)膭討B(tài)平衡性。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)，主要是實現(xiàn)對井下通風除塵、瓦斯狀態(tài)監(jiān)測及巷道變化情況的監(jiān)控，當出現(xiàn)異常時及時進行報警和調整，確保整個井下綜采作業(yè)環(huán)境的穩(wěn)定性。

3 圍巖探測系統(tǒng)

在傳統(tǒng)的井下綜采作業(yè)中，對井下圍巖狀態(tài)的勘探主要是通過鉆井取樣分析的方案進行，雖然精度較高，但效率低，無法滿足井下隨探隨掘的需求，而且由于采用了人工截割控制，因此對井下地質狀態(tài)的判斷主要是由人工識別，要滿足自動綜采的作業(yè)需求就需要建立井下地質狀態(tài)快速探測及圍巖狀態(tài)快速判斷系統(tǒng)，其整體結構如圖3 所示[4]。

圖3 圍巖狀態(tài)快速探測系統(tǒng)

由圖3 可知，該系統(tǒng)主要采用了三維激光掃描及地圖構建系統(tǒng)，通過激光掃描點云圖，實現(xiàn)對井下圍巖地質情況及巷道狀態(tài)的快速判斷并繪制三維地質模型，通過UWB[5]測煤厚雷達實現(xiàn)對井下煤巖厚度的快速探測。對圍巖狀態(tài)的判斷則采用了物探和超聲波探測相結合的模式，解決了物探精度高、速度慢，超聲波探測速度快、精度不足的缺陷。同時系統(tǒng)內加入了視頻增強與識別技術，作為輔助探測工具，實現(xiàn)對井下巷道及綜采面地質狀況的快速確定。

該圍巖探測系統(tǒng)，充分考慮了自動化綜采作業(yè)的需求，采用多種判別方式相結合的模式，避免了井下惡劣環(huán)境中圍巖狀態(tài)識別率不足的問題，保證了對井下圍巖狀態(tài)判斷的準確性。

4 采煤機、液壓支架、刮板輸送機聯(lián)動運行控制

由于采煤機的普遍投入使用，因此井下的綜采作業(yè)效率已經(jīng)有了顯著的提升，單純依靠對采煤機的改善已經(jīng)無法進一步提升綜采作業(yè)效率和經(jīng)濟性，通過對井下綜采作業(yè)過程的分析，目前影響綜采作業(yè)效率進一步提升的瓶頸在于采煤機、刮板輸送機、液壓支架間無法實現(xiàn)聯(lián)動運行控制。因此為了滿足智慧化綜采作業(yè)的需求，提出建立采煤機、液壓支架、刮板輸送機的“三機”聯(lián)動運行控制系統(tǒng)，其整體結構如圖4 所示[6]。

圖4 “三機”聯(lián)動運行控制系統(tǒng)結構示意圖

由圖4 可知，在該控制系統(tǒng)中以工況監(jiān)測中心和“三機”聯(lián)動控制器為核心，工況監(jiān)測中心接收圍巖探測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息，為采煤機的記憶截割自動控制提供基礎數(shù)據(jù)，保證采煤機的自動截割控制系統(tǒng)的運行可靠性。設置在采煤機和液壓支架上的紅外傳感器、圍巖傳感器等對采煤機和液壓支架的相對位置進行判斷，通過支架跟機自動控制邏輯實現(xiàn)各液壓支架的跟機自動運行控制。刮板輸送機則通過電流傳感器對運行電流進行監(jiān)控，判斷輸送機的負載狀態(tài)，跟機負載狀態(tài)對采煤機的截割速度進行調整，實現(xiàn)刮板輸送機- 采煤機的動態(tài)平衡控制。

5 應用情況分析

為了對該智能綜采控制系統(tǒng)的應用效果進行分析，對優(yōu)化前后的應用情況進行了匯總，優(yōu)化后的井下綜采作業(yè)效率由最初的4.8 m/d 提升到了目前的5.97 m/d，效率提升了24.3%，井下綜采面同時作業(yè)的人員數(shù)量由最初的43 人降低到了目前的24 人，人員數(shù)量降低了44.2%，表明該綜采系統(tǒng)能夠顯著提升井下綜采作業(yè)的效率和安全性，為實現(xiàn)智慧化煤礦及綜采奠定了基礎。

6 結語

為了解決煤礦井下綜采智能化程度不足、效率低、安全性差的不足，提出了一種新的煤礦井下綜采面支智慧綜采技術方案，對智慧化綜采控制系統(tǒng)的整體結構進行了分析，根據(jù)實際應用表明：

1）智慧化綜采控制系統(tǒng)采用了模塊化的控制邏輯，包括圍巖探測系統(tǒng)、生產控制系統(tǒng)及視頻監(jiān)控系統(tǒng)三個部分，滿足井下智慧化聯(lián)動運行控制的需求；

2）圍巖探測系統(tǒng)，采用多種判別方式相結合的模式，避免了井下惡劣環(huán)境中圍巖狀態(tài)識別率不足的問題，保證了對井下圍巖狀態(tài)判斷的準確性。

3）“三機”聯(lián)動運行控制系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)對采煤機、液壓支架、刮板輸送機的聯(lián)動運行控制；

4）該智慧化綜采作業(yè)系統(tǒng)能夠將井下綜采作業(yè)效率提升24.3%，將綜采面作業(yè)人員數(shù)量降低44.2%，初步實現(xiàn)了井下智能化控制作業(yè)。