薄煤层智能回采系统关键技术研究.pdf

第 4 5 卷 第 1 期 2019年 1 月 工矿自动化 Industry and Mine Automation Vol. 45 No. 1 Jan. 2019 文章编号671-251X 201901-0018-05 DOI 10. 13272/j. issn. 1671-251x. 2018080051 薄煤层智能回采系统关键技术研究 周开平 中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山 西 太 原 030006 摘要摘要 介绍了国内外薄煤层智能化回采技术发展概况； 重点阐述了液压支架全工作面跟机智能化技术、、 采煤机全工作面智能切割技术、工作面视频监控技术、液压支架电液控制技术、工作面直线度控制技术、智能 化远程集控技术、、 智能化集成供液控制技术、、 超前支护智能控制技术等薄煤层智能回采系统关键技术原理（（ 针对目前矿井薄煤层回采存在开采难度大、 经济效益低、 资源采出率低等问题， 从采煤机三维智能定位、 煤岩 界面智能识别、、 液压支架智能控制3 个方面探讨了薄煤层智能回采系统关键技术的发展趋势。。 关键词关键词 薄煤层回采工作面；；薄煤层智能回采；；采煤机三维智能定位；； 煤岩界面智能识别；；液压支架智 能 中图分类号TD823. 9 文献标志码A 网络出版地址 Http //kns. cnki. net/kcms/detail/32. 1627. tp. 20181229. 1417. 002. html Research on key technologies of intelligent mining system for thin coal seam ZHOU Kaiping CCTEG Taiyuan Research Institute, Taiyuan 030006, China Abstract Development of intelligent mining technologies for thin seam at home and abroad were introduced. Key technologies principle of intelligent mining system for thin coal seam were focused on including follow-up intelligent technology of hydraulic support on whole working face, intelligent cutting technology of shearer on whole working face, video monitoring technology on working face, electro hydraulic control technology of hydraulic support, straightness control technology on working face, intelligent remote control technology, intelligent integrated liquid supply control technology and advanced support intelligent control technology. Aiming at problems of thin coal seam mining such as difficulty in mining, low economic benefit and low resource recovery rate, development trend of key technologies of intelligent mining system for thin coal seam was discussed from aspects of three-dimensional intelligent positioning of shearer, intelligent identification of coal-rock interface and intelligent control of hydraulic support. Keywords thin coal seam mining face; intelligent mining for thin coal seam; three-dimensional intelligent positioning of shearer; intelligent identification of coal-rock interface; intelligent control of hydraulic support 〇 引言〇 引言 我国薄煤层资源丰富， 在已探明储量中，84. 2 的 矿 区 有 薄 煤 层 分 布 ， 薄 煤 层 保 有 工 业 储 量 9. 83 G, 可采储量6. 15G, 分别占全国煤炭总储量 的 16. 9 和 2. 8 。在大型煤矿中， 综合机械化生 产煤量比例不断上升， 而薄煤层开采煤量比例却在 不断下降。薄煤层开采难度大， 经济效益低， 存在配 收 稿 日 期 2018-11-21;修 回 日 期 2018-12-15;责 任 编 辑 胡 娴 。 基 金 项 目 中 国 煤 炭 科 工 集 团 有 限 公 司 技 术 创 新 项 目 （M2018-29。 作 者 筒 介周 开 平 （ 1980 ），男，安 徽 淮 北 人，副 研 究 员，主 要 从 事 薄 煤 层 智 能 回 采 系 统 研 发 工 作，E-mail dltt5787。 引 用 格 式 周 开 平 .薄 煤 层 智 能 回 采 系 统 关 键 技 术 研 究 工 矿 自 动 化 ， 2019， 4518-21. ZHOU Kaiping. Research on key technologies of intelligent mining system for thin coal seam[J]. Industry and Mine Automation， 2019,4518-21. 2 0 1 9 年 第 1 期周 开 平 薄 煤 层 智 能 回 采 系 统 关 键 技 术 研 究 19 采比失调、 采厚丢薄的现象[12]。薄煤层回采工作面 自动化、 智能化技术的发展成为实现薄煤层智能回 采的关键。本文分析了国内外薄煤层工作面智能化 技术发展概况， 阐述了薄煤层智能回采系统关键技 术原理， 列举了我国薄煤层智能回采系统的应用情 况 ， 并分析了薄煤层智能回采系统技术发展方向， 为 实现我国薄煤层工作面科学、 绿色、 安全、 高效、 协调 及智能开采提供技术参考。 1薄煤层回采存在的主要难点1薄煤层回采存在的主要难点 由于薄煤层开采厚度较小， 与中厚煤层相比存 在以下开采难点 1采高小， 顶板压力小， 煤质相对较硬， 截齿 吨煤消耗量大， 回采成本较高。 “ 投人产出比高， 单产、 工效经济效益低， 其 开采成本明显高于中厚煤层， 经济效益不如中厚煤 层。 “ 煤层赋存的厚度、 角度、 断层等地质变化对 薄煤层开采影响很大， 采出率低。 2国内外薄煤层智能化技术发展概况2国内外薄煤层智能化技术发展概况 近年来， 薄煤层工作面单机设备自动化技术取 得很大发展， 液压支架能够跟随采煤机的位置和方 向自动完成升降、 推移等动作， 采煤机能够实现记忆 切割， 运输设备能够实现逆煤流启、 顺煤流停、 联锁 控制等， 在地质条件允许的情况下实现薄煤层自动 化开采具备了可行性。国内很多单位开展了有关薄 煤层自动化工作面的研究， 提高薄煤层工作面生产 的自动化水平也是当前国际采矿界研究的热点。 2 . 1 国外薄煤层智能化技术 在美国、 英国、 德国等主要采煤国， 薄煤层开采 均占有较大比例。英国和美国主要采用滚筒采煤 机 ， 德国、 波兰、 俄罗斯、 法国、 西班牙等主要采用刨 煤机， 其中德国研制和使用刨煤机的时间最长， 技术 水平最高。1.6 m 以下的薄煤层采用刨煤机采煤， 当煤层厚度超过1.6 m 时， 滚筒采煤机开采占重要 地位， 井工矿井利用地面遥控的方式进行自动化 。 目前， 以 德 国 D BT公司研究开发的液压支架 PM4 电液控制系统为基础的全自动化无人刨煤机 采煤工作面基本上实现了无人作业。在综采工作 面 ， 国外尚无智能化无人开采的成功先例， 但澳大利 亚正在研制远程控制全自动化无人工作面开采技 术 ， 近 年 来 启 动 了 LASCLongwall Automation SteeringCommittee,长壁自动化指导委员会） 研究 计划， 探索先进、 安全、 高效的自动化技术和模式， 期 望研发出能够代替人工实际操作的系统模式， 并取 得了一系列成果， 主要包括利用陀螺仪进行采煤机 三维检测、 工作面工况与环境检测等[34]。 2.2 国内薄煤层智能化技术 我国薄煤层采煤机发展历程 2 0 世 纪 6 0 年代 为 M LQ 系 列 ， 适 用 采 高 为 0. 8〜1. 5 m;2 0 世纪 0年代为BM 系列滚筒采煤机， 适用采高为0. 75〜 1. 3 m 0 世 纪 8 0 年代主要为MG150B 型采煤机； 20世 纪 9 0 年代 为 新 一 代 MG200/450-BW D型薄 煤层采煤机， 采用了多电动机驱动、 交流变频调速、 无链牵引等技术。2001年辽宁铁法能源有限责任 公司小青煤矿采用“ 集成、 嫁接” 的技术方案， 将国内 厂家和D BT公司的技术进行了结合， 利用刨煤机实 现了薄煤层自动化回采。 我国高产高效薄煤层工作面主要包括2 种 一 是全部使用国产新型综采设备， 生产能力达到年产 3 M t以上； 二是国产液压支架、 重型刮板输送机配 以电牵引采煤机， 生产能力可达年产4 M t。近 10 a 来 ， 以神东矿区为代表的现代化矿井采用先进的管 理模式和国际一流装备， 不断刷新薄煤层工作面高 产高效记录， 实现了在工作面巷道监控中心对工作 面设备的远程干预控制， 同时实现了远程自动配液、 远程供液、 泵站无人值守（ ]。 3薄煤层智能回采系统关键技术3薄煤层智能回采系统关键技术 3.1 液压支架全工作面跟机智能化技术 在液压支架电液控制系统实现全面跟机自动化 基础 ， 将 系 统与 频监 系 统 ， 监 中 操作 进 干预， 满足复杂环境下液压支架的自动化、 智能化 。 以自动化控制为核心， 利用检测技术、 液压技 术、 通信技术、 电子技术等实现液压支架的自动跟机 移架、 姿态检测、 智能调斜、 高度测量等功能， 实现薄 煤层工作面 设备 自 、 智 人 连续生产。 3. 2 采煤机全工作面智能切割技术 结合采煤机实时数据与煤壁视频监控， 通过监 控中心远程操作对采煤机进行干预， 实现智能俯采、 仰采等功能， 满足复杂环境下采煤机的自动化、 智能 。 在实现采煤机过载保护、 记忆截割、 自动调低、 调高等功能的基础上， 通过雷达探测技术、 红外技 术、 频谱技术等实现采煤机运行位置和姿态监测、 故 集中 。 达探测技术 探测 煤机周围的障碍物， 红外技术用于提高采煤工作面 20 工 矿 自 动 化2 0 1 9 年 第 4 5 卷 低照度下的视频辨别能力， 频谱技术用于根据采煤 机滚筒截割煤壁发出的不同频谱声音来进行煤岩 识别[ 6 。 3.3 工作面视频监控技术 根据薄煤层工作面实际情况， 设计并安装高清 晰度视频监控系统， 实现对整个综采工作面的视频 监控， 提高了煤岩识别界面的可视化程度。通过红 外线传感器获得采煤机位置， 通过摄像仪画面跟随 采煤机的无缝切换， 实现对薄煤层工作面的全方位 监控。 依托采煤工作面千兆环网及井上万兆工业以太 网， 建立工作面巷道监控平台和地面指挥中心。工 作面巷道监控平台是采煤工作面自动化、 智能化控 制的核心机构， 实现对采煤机、 刮板输送机、 液压支 架、 转载机、 破碎机、 乳化液泵站等综采装备的远程 集中监控、 故障诊断等， 为地面指挥中心远程操作实 现“ 一键启停” 提供保障。 3. 4 液压支架电液控制技术 采用专用控制器， 通过工业现场总线将整个工 作面设备进行集成， 实现对液压支架行程、 压力、 倾 角等参数的实时监测、 控制， 从而实现液压支架自动 升降、 输送机自动推移、 跟机自动化等控制。在液压 支架高度测量、 支架姿态检测与控制等技术方面也 取得了突破[89]。 3.5 工作面直线度控制技术 薄煤层工作面智能化、 无人化开采必须保证刮 板输送机、 液压支架及煤壁三者成一条直线。目前 国内还没有一种实用性、 高可靠性、 自动化的工作面 调直方法， 基本处于理论研究阶段。 惯性导航技术是一种代表性的工作面直线度控 制技术， 主要利用高精度陀螺仪和加速度计计算采 煤机运行轨迹， 从而判断刮板输送机和液压支架直 线度。利用该技术不仅可实现采煤工作面直线度控 制 ， 还能实现采煤机三维定位。惯性导航设备通过 零速率修正方法减小导航误差， 当工作面长度为 300 m 时 ， 采煤机轨迹检测精度为10 cm，采煤工作 面直线度在50 cm 以内。另外，可通过掘进和钻孔 相结合的方式， 测绘煤层赋存变化， 利用惯性导航技 术采集采煤机三维位置并控制工作面直线度。 3.6 智能化远程集控技术 智能化远程集控系统是薄煤层工作面的“大 脑” ，采煤机、 液压支架、运输系统、 供电系统、供液系 统等通过自动化控制系统联接起来， 实现本地控制/ 远程遥控及“一键启停” 。将采煤工作面装备运行状 态与参数和现场视频图像集中显示在远程控制平台 上 ， 并对显示图像、 数据进行分析， 协调综采工作面 三机配套安全、 可靠运行。 3 8 智能化集成供液控制技术 通过网络传输方式实现对远程乳化液泵站、 水 站、 喷雾泵等装备的实时监测、 控制， 确保采煤工作 面供液系统可靠、安全运行。通 过 P L C 控制技术， 将远程配液、 乳化液泵站、 喷雾泵站、 高压过滤系统、 变频控制系统等串联起来， 形成智能化集成供液控 制系统， 提高供液系统自动化水平及运行效率， 降低 系统损耗及能源消耗。 3. 8 超前支护智能控制技术 采用具有多个伸缩单元的交错迈步式电液控制 超前支架， 在电液控制系统数据和视频检测的基础 上 ， 实现以“ 数据 视频 模型”为技术支撑的远程 控制系统。结合多传感器位置识别系统、 采煤机位 置检测系统等， 实现液压支架成套化、 高端化和智 能化[ 10 12]。 4薄煤层智能回采系统应用实践情况4薄煤层智能回采系统应用实践情况 近年来， 薄煤层智能回采系统先后在神东煤炭 集团公司、 山西阳泉煤业集团） 有限责任公司、 陕西 煤业化工集团有限责任公司、 山东能源集团有限公 司等矿区的60多个薄煤层工作面进行了应用。 1 2008年 ， 神 东 煤 炭 集 团 公 司 榆 家 梁 矿 44305薄煤层自动化工作面实现了远程操作的跟机 自动化作业和采煤机记忆割煤， 试验了煤岩识别技 术和无线接力通信技术。 2 2014年 ， 山西阳泉煤业（ 集团） 有限责任公 司联合天地科技股份有限公司、 天津华宇股份有限 公司等多家单位， 开始了薄煤层智能化综采关键技 术与装备的研究， 经过长达3 / 多的科技攻关， 实现 工作面 道 薄煤层工作面装备 集中 远程干预控制、 远程自动配液、 远程供液、 泵站无人 值守。 3 2017年 ， 陕西陕煤黄陵矿业有限公司一号 煤 矿 1004薄煤层自动化工作面实现了以综采工作 面自动化控制为主、 监控中心远程干预为辅的生产 模式， 实现了无人跟机作业、 有人安全巡视的采场无 人作业目标。 4 2017年 ， 山东能源枣庄矿业（ 集团） 有限责 任公司滨湖煤矿16108工作面装备了薄煤层可视智 能化远程割煤三机配套系统， 改变了传统薄煤层矿 井的生产工艺， 助推了矿井可持续发展。 5薄煤层智能回采系统技术发展方向5薄煤层智能回采系统技术发展方向 1采煤机三维智能定位。由于采煤机是动态 作业，线缆传输环境恶劣，要准确确定某一时刻切 2 0 1 9 年 第 1 期周 开 平 薄 煤 层 智 能 回 采 系 统 关 键 技 术 研 究 21 割部的速度、 加速度及位置等运动状态参数比较困 难 。常用的采煤机三维定位方法是通过传感器、 旋 转编码器采集切割部的位置姿态计算切割部的位置 关系， 寻找切割部的运行轨迹， 实现切割部与其他部 件的联动。但是这种方法精度不高， 无法满足薄煤 层工作面自动化开采的需求。目前攻关研究的惯导 技术加误差补偿方法， 可以提高采煤机自主定位的 精度[ 13 15]。 2 煤岩界面智能识别。煤岩界面智能识别是 实现薄煤层综采工作面自动化、 无人开采的前提条 件 。现有煤岩界面识别技术有红外探测、 雷达探测、 超声波探测、 频谱探测等技术， 由于煤层赋存条件复 杂 ， 这些技术存在辨别能力差、 可靠性低等问题， 都 未能成功应用于实践。近期发展趋势是利用红外热 遥感技术检测煤壁温度， 从而识别煤层结构。 3 智 。 技术 现液压支架的单机自动化、 成组自动化、 跟机自动 化、 智能调斜、 支架姿态监控、 高压快速卸载等功能。 但目前存在支架姿态自动调整能力弱、 传感器精度 低等问题。目 前 PM4 控制器、 SA C 型控制器等主 流产品在液压支架姿态检测和控制、 调高、 调斜等方 面的应用取得了突破， 需进一步研究和攻关液压支 架与薄煤层围岩刚度、 强度、 稳定性的耦合作用等关 键技术。 6结语6结语 简要介绍了薄煤层开采存在的主要难点， 分析 了国内外薄煤层开采智能化技术发展概况， 重点阐 述了应用于我国薄煤层智能回采系统的关键技术， 列举了自动化、 智能化生产模式在我国薄煤层工作 面成功应用情况， 最后探讨了薄煤层智能回采系统 关键技术发展趋势与技术途径。 我国薄煤层智能回采系统关键技术已经取得了 一些成果， 支架电液控制系统、 泵站智能控制系统、 “ 三机” 控制系统等已经完全实现了国产化。信息 化、 自动化、 智能化技术及高端装备制造技术与煤矿 开采技术的深度融合， 为实现薄煤层工作面智能化 无人开采提供了必要的技术支持。 参 考 文 献 （References [ 1 ] 田成金.薄煤层自动化工作面关键技术现状与展望 煤炭科学技术，2011，39883-86. TIAN Chengjin. Status and outlook of key technology for automation coal mining face in thin seam[J]. Coal Science and Technology, 2011,398 83-86. [ 2 ] 于月森， 左 腾 ， 周娟 ， 等.薄煤层综采工作面自动化技 术综述[J ].工矿自动化，2013,39527-30. YU Yuesen,ZUO Teng, ZHOU Juan, et at. Review of automation technology for fully mechanized coal face of thin seam[J]. Industry and Mine Automation， 2013,39527-30. [3 ]王虹.综采工作面智能化关键技术研究现状与发展方 向[J ].煤炭科学技术，2014,42160-6 WANG Hong. Development orientation and research state on intelligent key technology in fully- mechanized coal mining face [ J ]. Coal Science and Technology ,2014,421 60-64. [ 4 ] 王金华， 黄 乐 亭 ， 李 首 滨 ， 等.综采工作面智能化技术 与 装 备 的 发 展[ J ] .煤 炭 学 报 ，2014, 39 8 1418-1423. WANG Jinhua, HUANG Leting, LI Shoubin, et al. Development of intelligent technology and equipment in fully-mechanized coal mining face[J]. Journal of China Coal Society,2014,398 1418-1423. [ 5 ] 王国法， 张德生.煤炭智能化综采技术创新实践与发 展 展 望[ J ] .中 国 矿 业 大 学 学 报 ，2018,47 3 459-4678 WANG Guofa ZHANG Desheng. Innovation practice and development prospect of intelligent fully mechanized technology for coal mining[J]. Journal of China University of Mining k Technology，2018， 473 459-467. [6 ]范京道， 王 国 法 ， 张金虎， 等.黄陵智能化无人工作面 开 采 系 统 集 成 设 计 与 实 践[ J ] .煤 炭 工 程 ，2016, 48184-87. FAN Jingdao, WANG Guofa, ZHANG Jinhu, et l Design and practice of integrated system for intelligent unmanned working face mining system in Huangling Coal Mine [ J]. Coal Engineering , 2016， 48184-87. [ 7 ]王国法， 范 京 道 ， 徐 亚 军， 等.煤炭智能化开采关键技 术 创 新 进 展 与 展 望[ J ] .工 矿 自 动 化 ，2018,44 2 5-128 WANG Guofa， FAN Jingdao， XU Yajun， et al. Innovation progress and prospect on key technologies of intelligent coal mining [J]. Industry and Mine Automation，2018，442 5-12. [8 ] 国 张金 . 煤矿 技术与装备 新发 展[J ].煤矿开采，2018，231 1-4. WANG Guofa , ZHANG Jinhu. Recent development of coal mine highly effective mining technology and equipment[J]. Coal Mining Technology , 2018 231 1-48 [ 9 ]黄曾华， 苗建军.综采工作面设备集中控制技术的应 用研究[J ].煤炭科学技术，2013，411114-17. 下转第8 6 页） 86 工 矿 自 动 化2 0 1 9 年 第 4 5 卷 33-37. TIAN Zijian, CAO Yangyang, FAN Jing, et al. Transmission power optimization of magnetic resonance coupling wireless power transmission system J . Industry and Mine Automation, 2016,42633-37. [ 1 1 ]李阳 ， 张雅希， 闫卓， 等.磁耦合谐振式无线电能传输 系统阻抗分析与匹配电路设计方法[J].电工技术学 报 ，2016,31222-18. LI Yang,ZHANG Yaxi,YAN Zhuo,et al. Impedance analysis and design of matching circuit in wireless power transfer system via coupled magnetic resonances[J]. Transactions of China Electrotechnical Society,2016,3122 12-18. [ 2 ] 贾 男 ， 宋 玮 ， 王艳.电力线载波通信自适应阻抗匹配电 路设计[J].华北电力大学学报，2017，446 55-60. JIA Nan,SONG Wei, WANG Yan. Design of adaptive impedance matching network in power-line communication [J]. Journal of North China Electric Power University ,2017,446 55-60. [ 3 ] 薛慧 ， 刘晓文， 孙 志 峰 ， 等.基于磁耦合谐振式的无线 上接第2 1 页）上接第2 1 页） HUANG Zenghua， MIAO Jianjun . Application research of equipment centralized control technology in fully-mechanized coal face [ J]. Coal Science and Technology,2013,4111 4-17. [ 0 ] 王国法， 庞义辉.综采成套技术与装备集成配套设计 创新与实践[J ].煤炭工程，2018，505-5. WANG Guofa， PANG Yihui. Integrated matching design innovation and practice of fully mechanized m1n1ng technology and equ1pment [ J ]. Coal Engineering , 2018,505 1-5. [ 1 ] 张翠平， 孙志刚， 霍俊 杰， 等.新型煤岩识别技术在薄 煤层无人综采工作面中的应用[J ].煤 矿 安 全 ，2012, 43193-96. ZHANG Cuiping , SUN Zhigang , HUO Junjie , et al. The application of new coal rock identification technology in unmanned full mechanized face of the thin coal seam[J]. Safety in Coal Mines , 2012,431 93-96. [ 2 ] 孙永锋， 王亮， 党景锋.薄煤层无人工作面采煤机关键 技术及实现方法[J ].煤矿机电，2012530-32. SUN Yongfeng , WANG Liang , DANG Jingfeng. Key 电能传输系统负载特性研究[J ].工 矿 自 动 化 ，2015, 41366-70. XUE H ui， LIU Xiao wen， SUN Zhifeng， et al. Research of load characteristics of wireless power transmission system based on magnetic coupling resonance[J]. Industry and Mine Automation，2015， 41366-70. [14] SAMPLE A P MEYER D T JOSHUA R S 8 Analysis， experimental results， and range adaptation of magnetically coupled resonators for wireless power transfer [ J ]. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2011，582 544-554. [ 5 ]兰永均， 龚立娇， 蔡 新 红 ， 等.磁耦合谐振式无线电能 传 输 系 统 频 率 特 性 分 析[ J ] .工 矿 自 动 化 ， 2016,42567-70. LAN Yongjun , GONG Lijiao , CAI Xinhong , et al. Analysis of frequency characteristics of magnetic coupled resonant wireless power transmission system [J]. Industry and Mine Automation，2016， 42 5 67-708 technology and implementation of unmanned thin seam shearer face [ J ]. Colliery Mechanical k Electrical Technology , 20125 30-32. [ 3 ] 黄乐亭， 黄曾华， 张科学.大采高综采智能化工作面开 采关键技术研究[J ].煤矿开采，2016，2111-6. HUANG Leting , HUANG Zenghua , ZHANG Kexue. Key technology of mining in intelligent fully mechanized coal mining face with large mining height [J]. Coal Mining Technology , 2016,211 1-6. [ 4 ] 葛世荣.智能化采煤装备的关键技术[J ].煤炭科学技 术 ，2014，4297-11. GE Shirong. Key technology of intelligent coal mining equipment[J]. Coal Science and Technology， 2014，4297-11. [ 5 ] 王 刚， 方新秋， 谢 小 平 ， 等.薄煤层无人工作面自动化 开采技术应用[J ].工矿自动化，2013，3989-13. W ANGGang , FANG Xinqiu , XIE Xiaoping， et al. Application of automatic mining technology of unmanned coal face of thin seam [J]. Industry and Mine Automation , 2013,398 9-13.