综采工作面智能开采关键技术实践.pdf

第48卷第7期 2020年 7月 煤炭科学技术 Co a l Sc ienc e a nd Tec h no l o g y Vo l . 48 No . 7 Ju l y 2020 罗开成，常亚军,高有进综采工作面智能开采关键技术实践[J].煤炭科学技术,2020,48773-79. d o i 10. 13199/j. c nk i. c st . 2020. 07. 006 LUO Ka ic h eng, CHANG Ya ju n, GAO Yo u jin.Key t ec h no l o g y pr a c t ic e o f int el l ig ent mining in f u l l y-mec h a nized c o a l mining f a c e[ J] .Co a l Sc ienc e a nd Tec h no l o g y,2020,487 7379. d o i 10. 13199/j. c nk i. c st . 2020. 07. 006 移动扫码阅读 综采工作面智能开采关键技术实践 罗开成▽，常亚军高有进2 1.郑州煤矿机械集团股份有限公司，河南郑州450000 ；2,郑州煤机液压电控有限公司，河南郑州450013 摘 要目前国内智能化开采技术与装备迎来了重要的历史发展机遇期，国内已累计建成200多个以 “可视化远程干预智能化开采技术”为主的自动化工作面。通过分析智能开采应用现状，指出由于煤 矿工作面开采条件的多样性与复杂性,智能开采发展必然是分阶段、逐步实现，同时智能开采常态化 应用受限于综采装备与控制元件等基础可靠性的提高及从业人员素质与能力的提高，因此智能开采 发展与应用是一个长期的过程;基于现阶段国内自动化工作面的技术应用现状,从系统感知技术能力 与特征的角度将智能开采发展阶段划分为4个阶段，并指出现阶段国内总体应用水平还处于智能开 采的初级阶段，部分矿井正在试验第2、第3阶段的关键技术，距离智能开采技术的理想目标还有很 长的路要走。同时围绕智能开采第2阶段的关键技术，重点阐述了基于装备主体结构件机械模型的 液压支架与采煤机姿态感知技术，基于自主导航系统的刮板输送机弯曲度检测技术,采煤机行走轨 迹，开采刀识别以及工作面自动校直等技术原理与实践情况。通过工业性实践验证了液压支架与采 煤机姿态感知技术以及工作面矫直方法等理论的工程可行性，为工作面的液压支架防倾斜，防咬架， 快速移架,截割面的开采规划与采煤机滚筒姿态调整，采煤机干涉预警以及刮板输送机直线度调整等 功能的具体实施提供了技术支撑。 关键词智能化开采;姿态感知；自主导航系统;刮板输送机；弯曲度检测；工作面自动校直;智能矿山 中图分类号TD67 文献标志码A 文章编号0253-2336 2020 07-0073-07 Key technology practice of intelligent mining in fully -mechanized coal mining face LUO Ka ic h eng1-2, CHANG Ya ju n12,GAO Yo u jin2 l.Z hengzhou Coal Mining Machinery Group,Z hengzhou 450000,China；2Z hengzhou Coal Machine Hydraulic Electric Control Co. ,Ltd. fZ hengzhou 450013,Ch ina Abstract At pr esent, Ch ina，s int el l ig ent mining t ec h no l o g y a nd equ ipment h a ve u sh er ed in a n impo r t a nt per io d o f h ist o r ic a l d evel o pment o ppo r t u nit ie s, a nd mo r e t h a n 200 a u t o ma t ed w o r k ing f a c es h a ve bee n bu il t in Ch ina, ba sed o n t h ea visu a l r emo t e int er vent io n int el l ig ent mining t ec h no l o g y”.By a na l yzing t h e st a t u s o t h e a ppl ic a t io n o f int el l ig ent mining, it is po int ed o u t t h a t d u e t o t h e d iver sit y a nd c o mpl ex it y o f mining c o nd it io ns in t h e c o a l mining f a c e, t h e d evel o pment o f int el l ig ent mining mu st be r ea l ized in st a g es. At t h e sa me t ime, t h e no r ma l a ppl ic a t io n o f int el l ig ent mining is l imit ed by t h e impr o vement o f t h e ba sic r el ia bil it y o f c o mpr eh ensive mining equ ipment a nd c o nt r o l el ement s a nd t h e d evel o pment o f sma r t mining a nd t h e impr o vement o f t h e qu a l it y a nd a bil it y o f empl o yees, so t h e d evel o pment a nd a ppl i c a t io n o f int el l ig ent mining is a l o ng -t er m pr o c ess ； ba sed o n t h e c u r r ent st a t u s o f t h e a ppl ic a t io n t ec h no l o g y o f t h e w o r k ing f a c e, t h e d evel o pment st a g e o f int el l ig ent mining f r o m t h e per spec t ive o f syst em per c ept io n o f t ec h nic a l c a pa bil it ies a nd c h a r a c t er ist ic s c a n be d ivid ed int o f o u r st a g es, a nd it is po int ed o u t t h a t t h e c u r r ent st a g e is st il l in t h e init ia l st a g e o f int el l ig ent mining . So me mines a r e t est ing k ey t ec h no l o g ies in t h e sec o nd a nd t h e t h ir d st a g e, a nd t h er e is st il l a l o ng w a y t o g o bef o r e t h e id ea l g o a l o f int el l ig ent mining t ec h no l o g y. Fo c u sing o n t h e k ey t ec h no l o g ies o f t h e sec o nd st a g e o f int el l ig ent mining, t h is pa per f o c u s o n t h e h yd r a u l ic su ppo r t a nd sh ea r er a t t it u d e sensing t ec h no l o g y ba sed o n t h e mec h a nic a l mo d el o f t h e ma in st r u c t u r a l pa r t s o f t h e equ ipment, t h e bend ing d et ec t io n t ec h no l o g y o f t h e sc r a per c o n veyo r ba sed o n t h e d o mest ic iner t ia l int eg r a t ed na vig a t io n d evic e, t h e t ec h nic a l pr inc ipl es a nd pr a c t ic e o f t h e ma c h ine s w a l k ing t r a c k s, mining c u t t er s id ent if ic a t io n a nd a u t o ma t ic st r a ig h t ening o f t h e w o r k ing f a c e. Th e t h eo r et ic a l a nd eng ineer ing f ea sibil it y o f h yd r a u l ic su ppo r t 收稿日期2020-03-13 ；责任编辑朱恩光 基金项目贵州省科技计划资助项目黔科合重大专项字[2018] 3003-1 作者简介罗开成1971，男，河南信阳人，工程师,现任关U州煤机液压电控有限公司总经理。E-ma ilc h a ng yi 163.c o m 73 2020年第7期 媒尖科学技术 第48卷 a nd sh ea r er a t t it u d e sensing t ec h no l o g y a nd w o r k ing f a c e st r a ig h t ening met h o d w er e ver if ied t h r o u g h ind u st r ia l pr a c t ic e. It pr o vid t ec h nic a l su ppo r t s f o r t h e c o nc r et e impl ement a t io n o f t h e h yd r a u l ic su ppo r t o f t h e w o r k ing f a c e , su c h a s a nt i-t il t , a nt ibit e f r a me, qu ic k -mo ving f r a me, mining pl a n o f t h e c u t t ing f a c e, po st u r e a d ju st ment o f t h e sh ea r er d r u m, ea r l y w a r ning o f c o a l ma c h ine int er f e r enc e, a nd st r a ig h t ness a d ju st ment o f t h e sc r a per c o nveyo r . Key words int el l ig ent mining ； a t t it u d e per c ept io n ； a u t o no mo u s na vig a t io n syst em ； sc r a per c o nveyo r ； bend ing d et ec t io n ； a u t o ma t ic st r a ig h t ening o f w o r k ing f a c e; int el l ig ent mine 0引 言 21世纪以来，我国长壁工作面综采技术和装备 水平取得了很大进展，在薄煤层、中厚煤层以及特厚 煤层综放开采等不同条件下实现了较大范围的工业 化应用，取得了显著的经济社会效应。同时,综采工 作面自动化技术经过几十年的发展，尤其是过去10 余年的技术创新和关键技术装备的突破,一批以综 采自动化开采为特征的先进矿井产生，在自动化开 采关键技术方面取得了重大突破，为综采工作面智 能开采奠定了坚实的技术基础。2016年3月，国家 “十三五”规划纲要正式发布，明确“加快推进煤矿 无人开采技术研发和应用”；另外，国家安全生产监 督管理总局下发通知要求开展“机械化换人，自动 化减人”科技强安专项行动,重点以机械化生产替 换人工作业,以自动化控制减少人为操作,大力提高 煤矿企业的安全生产科技保障能力。同时，自2016 年下半年煤炭行业经历新一轮低谷后,煤矿从业人 员特别是井下一线人员流失严重，随着2017年煤炭 行业的逐步回暖，主要危机已经从“缺钱”转移向 “缺人”。在这样的政策与行业背景下，智能化开采 技术迎来了重要的历史发展机遇期。 煤岩界面识别多被认为是综采工作面无人化的 必要条件,且国内外几十年的研究和实践表明，煤岩 界面在线识别从理论上虽存在可行性,但由于煤岩 物理性质的多样性和复杂性,要实现煤岩界面在线 识别准确、稳定和实用将是一个长期难以突破的难 题。应当另辟新径，探索实用有效的综采自动化、智 能化、无人化技术途径⑴可视化远程干预智能 化开采技术,该技术以液压支架自动跟机，采煤机记 忆截割及巷道集中控制技术为基础，借助工作面视 频系统,操作人员在监控中心实时监视自动化采煤 过程中，对未按工艺要求完成的设备进行远程干预。 目前国内已累计建成200多个以可视化远程干预智 能化开采技术⑵为主的自动化工作面，初步实现了 在简单的地质条件下自动控制为主，人工辅助为辅 的开采模式，但总体上仍处于智能开采的初级阶段。 笔者基于现阶段国内智能开采应用的情况，结合个 人对智能开采技术的理解，按照技术特征将智能开 采发展分为4个阶段，并结合智能开采技术研发与 实施情况,对现阶段（即第2阶段）关键技术进行 介绍。 1智能开采应用现状 由于煤矿工作面开采条件的多样性与复杂性, 以及现阶段设备可靠性与系统稳定性等因素，在智 能开采实际应用过程中，仍存在一些问题与难点，工 作面自动化的常态化运行依旧无法保障，在实际应 用过程中普遍存在以下问题。 1） 工作面恶劣环境下，摄像仪清晰度受粉尘, 水雾影响较大，尤其是逆风开采时，难以看清煤岩界 面及采煤机滚筒上沿与支架顶梁间的干涉关系,通 过视频远程干预采煤机进行常态化开采困难较大, 实际应用中仍以人工现场干预为主。 2） 液压支架自动化并未达到理想的应用效果, 仅在条件较好的工作面阶段性的应用，不能作为主 流生产模式长期运行,只有少数矿区在持续使用,主 要问题是支架跟机自动化程序,流程及参数的静态 化与单一化,不能适应多变的工作面环境、设备和配 套供液系统的要求，主要存在丢架及拉架不到位的 问题，不能满足采煤机高速割煤，支架快速推移的 要求叫 3） 采煤机记忆截割技术不能自动适应工作面 煤层赋存的变化,依赖采煤机司机的现场试教，煤层 赋存发生变化时，采煤机司机必须现场重新进行试 教，适合于条件较为简单的工作面。 4） 缺乏工作面自动找直系统，日常生产作业过 程中,在生产1个小班后，工作面如未被人工干预, 可能出现刮板输送机,煤壁不平等情况,达不到工程 质量要求的“三平一直”。 5） 缺乏对刮板输送机上窜下滑的监控，仍需 现场作业人员根据工作面的实际情况人工进行 调整。 6） 综采工作面成套装备、执行机构、控制元件 以及传感器的可靠性仍有待提高，同时由于综采工 作面自动化系统缺乏行业标准,且目前接入控制系 统良莠不齐,造成总体系统可靠性,控制及时性难以 保障，自动化工作面实施难以达到预期效果。 74 罗开成等综采工作面智能开采关键技术实践2020年第7期 2智能开采阶段划分 由于煤矿综采工作面环境的复杂性与不确定 性,智能开采技术必然是分阶段、逐步由仅适用简单 地质条件向复杂地质条件发展；由局部自动化控制 向全区域控制过渡；由简单集中监控与统计分析向 智能控制与基于多维度、大数据关联分析方向过渡。 同时智能开采的常态化应用受限于综采装备与控制 元件可靠性的提高及人员素质与能力的提高，因此 其发展与应用是一个长期的过程,按技术特征来划 分，智能开采系统的发展大致分为4个阶段第1阶 段系统仅具备对工作面关键设备工况（如压力、推 移速度、位置等）的感知能力,但初步形成了 “系统 自动控制为主，人工远程干预为辅”的开采模式，以 采煤机记忆截割、液压支架自动跟机及工作面集中 控制技术为代表，属于初级阶段;第2阶段系统具备 对工作面关键设备姿态,围岩部分信息的感知能力， 并基于此实现对工作面直线度及设备姿态的控制, 但仍仅适用于地质条件较好的工作面;第3阶段系 统具备工作面地质围岩、地理信息的感知能力，初步 形成工作面的透明化，并基于此实现截割方向的规 划开采，适应地质条件较为复杂的工作面;第4阶 段，即智能开采的理想目标⑶，通过对煤层赋存条 件和环境因素的智能感知，回采工作面的采煤设备 自主实现设备的调节和控制,执行完成整个采煤过 程和工作面设备的移动,整个过程无人工操作,实现 采煤过程的智能感知、控制与执行⑷。现阶段国内 大部分智能化矿井应用水平处于第1阶段,还处于 智能化的初级阶段,部分矿井正在试验第2、第3阶 段的部分关键技术，离智能开采技术的理想目标还 有很长的路要走。 3智能开采现阶段关键技术 3.1基于姿态数据的液压支架控制技术 液压支架作为煤矿综采工作面的关键设备,在 综采工作面底板起伏不平时，底座与顶梁会出现横 向和纵向的倾斜,并且液压支架在升架、推移刮板输 送机、降架、移架等过程中与工作面围岩存在耦合作 用关系，为适应采场围岩变化,液压支架顶梁会出现 俯、仰状态，因此,液压支架姿态信息在数据可视化 控制,尤其在防倾倒、防咬架、防碰撞及快速拉架等 控制业务中尤为重要炉7〕。采用一种基于总线通信 方式的姿态传感器测量系统，在液压支架底座、连 杆、顶梁与护帮位置安装姿态传感器，分别测量相应 的X、丫轴方向的角度数据，如图1所示，并通过传 感器总线将各自测量的角度数据传输给液压支架控 制器，如图2所示，液压支架控制器结合支架主体结 构件机械模型计算出液压支架的底座、顶梁的仰俯 与横滚姿态、护帮状态、支架高度等信息,实现对液 压支架姿态的实时监测⑸；对于液压支架的姿态控 制是由液压支架控制器基于姿态数据，通过控制支 架动作与相应的姿态反馈形成闭环控制，从而实现 ①、②、③、④感器安装位置 图1液压支架姿态传感器安装位置 Fig .l At t it u d e senso r inst a l l a t io n l o c a t io n o f h yd r a u l ic su ppo r t 液压支架姿态传感器 ①、②、③、釘不同位置传感器 图2液压支架姿态感知系统通信连接 Fig .2 Co mmu nic a t io n c o nnec t io n o f a t t it u d e sensing syst em f o r h yd r a u l ic su ppo r t 图3液压支架姿态控制示意 Fig .3 At t it u d e c o nt r o l sk et c h o f h yd r a u l ic su ppo r t 3.2基于姿态数据的采煤机记忆截割 现阶段采煤机自动化主要表现为记忆截割功 能，记忆截割功能可分为记忆学习、记忆截割、记忆 中断、记忆修改等4个阶段过程。其中记忆学习过 程是采煤机在割煤过程中分析、记忆自身的关键运 75 2020年第7期媒農科学技术第48卷 行状态参数，并按工艺段进行保存;记忆割煤过程是 采煤机根据记忆数据进行自动割煤的过程;记忆中 断是采煤机在记忆截割过程中遇到异常情况，暂时 中断记忆截割，进入手动割煤的过程;记忆修改过程 是采煤机在记忆截割过程中工作面发生变化时,需 要调整采煤机的滚筒高度或牵引速度,并将调整后 的数据记录下来，覆盖原来的记忆数据的过程⑻。 1）采煤机姿态测量国内自动化工作面采煤机 一般需要安装用于测量摇臂高度的摆角传感器;行 走部位安装位置编码器，用于测量采煤机行走位置 信息，精度在厘米级,可以实现相对于刮板输送机 20 mm的定位精度与低至0.01 m/min的测速;机 身安装用于测量采煤机机身前后、左右倾斜的倾角 传感器，这些测量数据基本构成了采煤机记忆截割 所需的参数要素⑻，结合采煤机机械机构模型，就 可以实现对采煤机姿态的测量（图4） o 摇臂摆角传感器 机身倾角传感器前滚筒 /器臂摆角 -传感器 川保高） 后滚筒 5（挖底深度）卩-采煤机原点） 采煤机位置编码器 图4采煤机姿态测量 Fig .4 Sh ea r er a t t it u d e mea su r ement 2）记忆学习过程即人工示教过程，是由采煤 机操作人员通过采煤机操作面板或遥控器控制采煤 机示范切割1刀煤，形成1个割煤循环。在此过程 中操作人员会根据煤层的变化情况调节滚筒高度, 根据液压支架移架速度、刮板输送机负载能力等因 素调整采煤机牵引速度,采煤机控制器将记录采煤 机姿态测量数据（行程位置、牵引行走速度、采煤机 姿态角度和滚筒高度等），并根据记忆截割记忆策 略对监测数据进行整理、分类、压缩、存储。采煤机 为了能更好地执行记忆截割,将记忆数据根据自身 位置和方向分为不同的工艺段，系统预留14个工艺 段，如图5所示，采煤机在进行记忆学习时，系统默 认第1个工艺段序号为①,当采煤机方向改变时，系 统会增加一个工艺段，工艺段序号自动加1,当采煤 机完成一个割煤循环（即采煤机再次经过同一位置 时方向与第一次相同）时，系统自动结束记忆学习, 并保存记忆数据，再次进入自动模式时系统会跟据 本次记忆数据进行自动割煤。 3 ）记忆截割过程采煤机记忆截割是采煤机在 自动模式下,依据记忆学习数据，根据采煤机位置自 76 动切换到相对应的工艺段，并随着采煤机位置的变 化自动调整采煤机左右滚筒高度和牵引速度,实现 自动割煤的过程，基本控制流程如图6所示。 ①、②、③、、⑪一工艺段序号 图5工作面记忆截割工艺段示意 Fig .5 Memo r y c u t t ing pr o c ess sec t io n in w o r k ing f a c e 图6工作面记忆截割流程 Fig ,6 Memo r y c u t t ing pr o c ess in w o r k ing f a c e 采煤机在进行记忆截割过程中，当发生异常 时，如煤层厚度变化、出现断层等,需要采煤机操作 工人根据情况进行一定人工干预，如异常情况仅是 罗开成等综采工作面智能开采关键技术实践2020年第7期 在本次割煤过程中出现,则选择中断记忆截割，进行 人工手动割煤，在采煤机越过该段异常煤壁时，再次 进入记忆截割。如该段煤层状态确实发生了变化并 将延续,可进入在线修改模式，采煤机操作人员进行 手动操作,系统将记录下修改后的采煤机运行状态 数据,并覆盖原有记忆数据，在下次执行该工艺段记 忆截割时,系统将按新的记忆数据进行自动割煤。 3.3刮板输送机弯曲度检测与工作面调直技术 刮板输送机和液压支架的直线度是保障工作面 直线度的基础⑴］，按照两者之间的连接关系，工作 面直线度控制方法可以分为以液压支架为基准的调 直方法和以刮板输送机为基准的调直方法⑼①以 液压支架为基准的调直方法是利用液压支架间的位 移传感器问、激光列阵［⑴、图像识别购等方式，获 取相邻支架相对位置，在移架过程中使支架两两对 齐,从而控制液压支架群组的直线度;然后以液压支 架为基准，通过推移刮板输送机控制刮板输送机直 线度。这种方式需要安装大量传感器，故障点多，可 靠性低；液压支架两两对齐过程中不但存在对齐误 差累计，而且缺少工作面调直的绝对参考方向，极易 导致工作面调直精度降低、调直方向与回采巷道方 向不一致。②以刮板输送机为基准的调宜方法在澳 大利亚LASC系统中广泛使用，技术路线与方向比 较明确，其原理是利用高精度惯性导航装置检测采 煤机的姿态与运行轨迹,根据采煤机与刮板输送机 的几何约束关系，由采煤机运行轨迹反演出具有绝 对方位的刮板输送机轨迹⑴皿，并以此为基准，通 过控制液压支架推移量动态地对刮板输送机轨迹进 行修正,实现对工作面的调宜。 针对工作面调直问题，采用以刮板输送机为基 准的技术路线，进行了大量研究与试验工作。 1）联合国内专业科研院所共同研制了一款集 初始对准（寻北）、惯性导航与航位推算技术为一体 的小型化自主导航系统。其中初始对准技术在惯性 器件精度满足要求的前提下保证设备在扰动条件的 寻北精度，高精度光纤陀螺为系统提供高精度的惯 性基准信号，里程计组合导航技术保证了设备定位 精度。工程验证时，在凸凹不平的地面进行跑车试 验，并使用差分北斗卫星定位系统GNSS（定位精度 60 -GC CT ■■画価 】换 ICE I 殛 ii|] ”圏 HU Mim ”岡 wr 5 dHM nQQ Mgg] mFSB vrfST 乂陲 打扇钊團 并围绕现阶段智能开采中的关键技术 原理进行了介绍，并通过工业性实践验证了基于装 备主结构件机械模型的姿态感知技术以及基于自主 导航系统的工作面矫直方法的理论与工程可行性, 为工作面液压支架防倾斜、防咬架、快速移架,截割 面的开采规划与采煤机滚筒姿态调整、煤机干涉预 警以及刮板输送机直线度调整等功能的落地实施提 供了基础理论与技术支撑。但在工程应用的过程 中,仍存在消除装备感知姿态积累误差，采煤机编码 器位置信息与惯性导航装置在现场无规律断电时组 合导航算法的优化修正等工程应用问题，需要在后 续逐步优化解决。 参考文献References [1] 王国法，刘峰,孟祥军，等.煤矿智能化初级阶段研究与实 践[J].煤炭科学技术,2019,478 1 -36. 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