智能化综采工作面自动化高质量技术应用分析

王明耀

（中煤昔阳能源有限责任公司白羊岭煤矿，山西 晋中 045300）

随着互联网技术发展速度的不断加快，煤矿行业逐步趋向于智能化发展。在煤矿转型关键时期，通过合理使用智能化、自动化技术手段，可以切实有效地提升采煤工作的质量效率。在现阶段的智能化综采工作面中，一键停启以及综采工作面液压支架电液控制系统的广泛应用，为推动煤矿行业高质量发展奠定了坚实的技术基础。

1 概述工作面

本文以中煤昔阳能源有限责任公司白羊岭煤矿15111综采工作面为例，该作业面的长度为1010m，工作面平距230m。15111工作面地面位置位于矿井东北部，北距井田边界247m，东距社庄村492m，地表为中低山，谷沟发育，工作面回采范围无村庄、水体分布；井下位置西起15111轨道巷，东至井田边界510～575m处，北距井田边界最小距离247m，南部为15109工作面采空区，与其保护煤柱为8m。15111工作面周边无其他采掘工作面分布。

15111工作面采用一次采全高回采技术手段，工作面的回采煤层平均厚度为4.6m，平均倾角为6度。煤层伪顶主要由炭质泥岩组成，平均厚度为0.2m。直接顶主要为泥岩、砂质岩，厚度为17.75m。

15111工作面采煤工艺为综合机械化采煤，采用MG900/2210-WD电牵引采煤机、SGZ1000/2×855中双联刮板运输机、ZZ10600/27/60D液压支架支护顶板。由于原有工作面回采期间的故障发生概率较高，导致实际运维难度较大。为了从根本上保障采煤质量与效率，需要借助智能化技术手段，设计出功能完善的集中控制系统。

2 综采工作自动化采煤技术现状

国外智能化、信息化技术发展速度更快。至20世纪80年代，美国就在采煤行业中使用了自动化采煤技术，切实提升了煤矿产量。

我国于2004年首次引进并实施自动化产业技术，现阶段取得了巨大成就。许多中大型煤矿均在自动化采煤中投入了充足的人力和物力，获得了极高的日常任务开采率，进一步延长了煤矿开采年限。

3 自动化综采工作面系统发展要求

煤矿开采流程较为复杂，在实际开采期间的安全风险性高，目前相应的机械化程度仍属于有待提升阶段。

现阶段，煤矿智能化综采工作面现场安全管理期间仍然存在较多不足之处，需要注重做好工作面的智能化、自动化改造工作。当前煤矿自动化技术不够完善，但已经具有了自主生产能力，可基本实现自动化生产目标，需要设计出功能完善、运行可靠的智能化煤炭综采作业面系统。借助抗电子干扰力强的网络通信传输平台，可以从根本上提升综采工作面实施期间的信号传输效率，确保各类信息数据能够实现稳定可靠的传输目标。

4 自动化综采工作面系统结构

4.1 集中控制系统

综采作业面集中控制系统内部包括地面远程控制装置、设备控制系统、三机联动控制系统、液压支架电液控制系统、顺槽设备列车集中控制系统、采煤机等。其中，顺槽设备列车直接控制系统在实际安装过程中，需要安装在运输顺槽设备的串车上。系统内部主要包括控制台、数据处理装置、显示器、PLC控制装置。在使用顺槽集中控制系统过程中，需要做好工作面设备数据信号设计工作，采用信号处理方式发送相关指令。

4.2 地面远程操控系统

地面远程操控系统被安装在矿井调度室指挥中心，系统内部包括视频主机、监控主机、服务器装置。服务器装置内部配备专用组态软件，借助软件能够直观地将综采工作面中各类机械设备运行状态以及运行期间的参数数据显示在屏幕上。相关工作人员可借助相关视频软件对作业机械设备的运行参数进行调整。

4.3 电液控制系统

电液控制系统内部包括转向主阀、压力传感装置、行程传感装置、液压支架控制器、开关、红外线发射监测系统。其中，红外线监测发射系统由红外线发射与接收装置构成，在实际运行期间，主要担负起确定采煤机位置的重要职责。

4.4 三机联控系统

三机联控系统可以充分发挥出刮板运输机、转载机、破碎机联合控制作用。系统内部主要由位移转换器、摄像仪器、倾角传感装置以及精准的推拉装置组成。在系统中安装液压推移支架，能够有效控制三机联动设施。

4.5 视频监控系统

视频监控系统就是在采煤机、液压支架、各转载点、胶带机机头工作面采煤区域安装视频监控装置，监管工作堆煤、液压支架位置实际状态，使视频画面可及时到地面监控中心。

5 智能化综采工作面自动化高质量技术功能

5.1 顺槽集中控制系统

借助集中控制系统操控台，可以对工作面上的各机电设备展开适当设备控制。如作业面液压支架、破碎机、刮板运输机、转载机、带式输送机启停作业。作业面机械设备集中控制系统相互配合，使采煤机、刮板输送机、液压支架等实现相互联锁目标。在作业面机电设备出现故障的情况下，可在系统主界面上显示设置故障类型、故障发生部位。系统可以利用工作面中的各类传输装置收集刮板运载机、带式输送机等运行参数，精准控制产能及采煤机牵引速度与推进速度，控制支架超前移架运动。

5.2 电液控制系统

借助电液控制装置，能够对液压支架工作阻力、位置、推进速度、液压状态、支架运行情况进行实时监控，实现单支架、多支架自动控制升降与前移目标。操作人员通过软件修复工作面的方式，可以将控制系统应用在不同地质条件以及采煤机作业面处。借助系统监控作业面、采煤机割煤深度，判断支架位移情况，实现作业面自动割煤、自动移架、推溜等目标。操作人员可以借助系统软件自动设定相关指令工作。系统运行期间可以监控支架立柱的初期支撑情况，避免支架卸压问题出现，从根本上提升支架的支撑力，保障支架的强度与稳定性。

在自动化传感系统运行期间，各类传感装置接收的数据需要进行系统分析处理，并发出急停、闭锁以及报警等动作指令，使操作人员能够对故障进行及时处理。

5.3 液压支架、采煤机控制系统

当前，智能化综采设备中的液压支架控制系统高压化、高速化、智能化特征日益显著。但由于乳化液泵站的运行压力与运行速度不断提高，实际运行过程中的负载惯性会持续增大，系统超调增大，运行期间的精准度难以得到根本上把控。通过使用预测控制系统，能够对液压支架控制系统运行振动、冲击力及精准度进行严格控制。借助控制对象模型以及系统输出数据，计算出预测输出值，统计系统误差变化情况，从而对液压支架控制系统运行过程中的误差的问题进行前期预控。

结合液压支架控制系统运行特征，优化数据预测模型结构，基于整体角度出发，分析预测实际运行过程中的动态规律变化情况，并对系统运行期间的效果进行预测及管控。由于液压支架控制系统的预测数据与其运行结构密切相关，在预测数据较少、液压支架控制系统极易受到不良因素影响的情况下，还应当配合使用浓度预测手段，更好地满足设备不同运行环节的精准度预测要求。相较传统控制手段，预测控制系统具有算法简单、结果实质性强等特征，能够对液压支架控制系统运行状态进行全面监管。在液压支架控制过程中，可以连续进行单向操作实现自动化控制功能。由于井下顶板所处的环境较为复杂，支架也难以发挥出良好作用。为避免采煤期间采煤机切割效果受到不利影响，还可以借助人干扰操作装置，对系统运行参数进行自动化调整。

采煤机控制系统中的鲁棒性主要就是在控制系统运行期间受到某因素影响，但依然能够保持稳定可靠运行状态的性能。控制系统鲁棒性对智能化综采设备综合运行水平的影响较大，决定着控制系统的实际应用效果。

采煤机内的柔性机械臂的耦合性及非线性特征显著，属于多输入及多输出的分布式参数设备。在该系统运行过程中，应当将大幅度整体运动及小型弹性振动情况耦合在一起，具有逆运动学及各种不确定因素，动力行为复杂性较为显著。为了有效控制柔性采煤机运行状态，需配合使用鲁棒控制系统，结合滑模变结构，对采煤机运行全过程的参数进行严格管控。为了有效克服非结构的不确定性及振动影响，还需要在传统意义的鲁棒性控制系统基础上配合使用轨迹跟踪的准静态补偿控制方式，从根本上提升跟踪目标轨迹的控制精准性。

5.4 煤流系统自动化技术

在现阶段我国煤矿企业发展期间，煤流系统也成为煤矿生产的重要设施之一。通过使用煤流自动化技术手段，可以对煤矿综采进行综合性监控，推动我国煤矿行业的发展进程。在现阶段煤流系统自动化技术应用期间，可以从图像方式分析煤炭类煤料成分，准确计算出煤炭产量。配合使用工作职能预警技术手段，改善煤流工艺，设计出适应煤流的启动式的装置，从根本上提高煤流运转水平，进一步延长设备运行全生命周期。通过实现免流远程数据采集与应用目标，能够有效改善控制工艺，设计出的煤流系统能够更好地适应启动设备，提高煤炭产量，降低设备运行期间故障的发生概率。在不断完善远程监控系统的前提下，实现无人化综合开采煤矿目标，推动煤矿产业智能化、自动化发展进程。

5.5 采煤设备综合管理信息平台

为加强智能化综采设备安装、运维全过程监管力度，切实提升项目开展信息化水平，为智能化综采设备安全稳定运行营造出更加稳定的技术环境，最大化综合效益。配合使用功能完善的自动化仓储管理系统，做好设备备品及备件管理工作，建立设备物品台账，要对设备现存情况进行统计与分析，避免在设备管理过程中出现备件浪费或者缺失等问题出现。具体而言，自动化技术在煤矿综采机电设备管理中的应用方向主要体现在以下几个方面。

（1）资料收集。在构建煤矿综采机电管理信息化平台过程中，需要首先开展基础资料的录入工作，为后续设备信息化管理提供充足的数据支持。现有智能化综采设备基础资料主要包括设备的分类编号、设备运行状态、设备使用地点。依照数据录入时间，快速查询当日设备管理工作的开展情况。

（2）设备运行。煤矿综采机电设备信息化管理平台中的设备运行管理工作涉及巡检记录、维修记录、巡检提示等内容。其中，巡检记录主要就是记录巡检人员、巡检部门的巡检时间以及机电设备巡检结果；维修记录主要就是维修人员对巡检记录中发现的设备安全隐患进行维修处理，同时记录下维修设备所处位置、维修人员、维修结果等；巡检提示需要根据巡检记录上报的巡检时间进行机电设备运行状态评估工作，帮助管理部门发现存在于机电设备管理中的不足之处，为优化机电管理机制提供重要数据支持。

（3）设备保养。设备保养工作也是煤矿综采机电设备管理的重要一环，需要在记录设备保养全过程中着重收集保养设备编号、参与部门、保养人员、设备当次保养时间与下次保养时间。借助设备保养提示功能，对每台设备的固定保养周期进行必要提醒，使不同种类的机电设备均能够得到及时保养，从根本上降低设备故障问题发生概率。

（4）系统设置。煤矿综采机电设备信息化管理系统设置工作可以将设备巡检、设备保养以及设备运行状态评估报告以不同形式传输给各部门或工作人员手中。如发送邮件或站内信等，使机电设备管理工作中的各类信息均能够实现公开共享目标。

（5）数据分析。对煤矿综采机电设备综合数据进行有效分析，依照日期等标准对煤矿现有设备状态信息、巡检信息以及设备保养情况进行统一收集与整理，并将阶段性机电设备运行状态以曲线等方式绘制出来，使机电设备运行安全性与可靠性能够更直观地展现出来，为设备管理部门的信息化建设工作提供重要方向，为实现煤矿综采机电信息化管理目标奠定坚实的技术基础。

6 结语

总而言之，在现阶段煤矿综采智能化工作开展期间，需要配备完整的工作设施，对煤矿综采工作进行升级。综采工作面智能化属于系统化工程，在人工智能技术实际应用期间需要综合采矿场环境、采矿工艺、逻辑控制装置等耦合因素。将机器视觉系统应用在工作面期间，还需要注重分析水务干扰等因素，进一步扩大人工智能化系统综采工作面的适用范围，推进煤炭行业的智能化发展进程。