煤矿智能化开采关键技术分析(1).pdf

2020 年 5 月2020 年第 5 期 煤炭是中国的主要能源，在未来相当长的一段时 间内，煤炭仍继续占据世界能源结构的主导地位。在 当前信息化、智能化革命到来之际，煤矿智能化是适 应当代信息工业革命发展趋势、保障国家能源供应、 促进煤炭工业高质量发展的核心。应用信息技术、智 能制造技术和人工智能技术的研究成果，实现煤炭安 全、高效、绿色开采和利用，实现煤矿智能化已成为 煤炭工业发展的必经之路。围绕智慧煤矿及智能化无 人开采的重大技术需求，突破行业共性核心问题，加 快智能、安全、高效现代煤炭生产体系建设成为主要 目标[1-3]。 1煤矿智能化定义 “智能化”是指控制对象具有精准敏感的感知能 力、准确的判断和决策能力及高效快捷的执行能力， 能够根据自身感知到的信息进行自主分析、判断、决 策与执行，并具备自主学习及自主优化能力。智能化 应具备以下 3 个特征a 具备对外界信息的实时感知 与实时采集能力；b 具备对感知采集的信息进行分析、 判断、自主学习、自主决策的能力；c 具备基于自主 判断与决策可以自主执行的能力。 煤矿智能化开采是在煤矿自动化开采系统中加入 自主学习及自主决策功能，使煤机装备能够实时感知 并采集井下环境变化及围岩条件并自动进行控制参数 调整，智能感知、智能决策和智能控制是煤矿智能化开 采的三要素。煤矿智能化开采的特点是煤机装备具有自 主学习和决策的能力，具有自感知、自分析、自控制、 自修正的功能，从而实现不同条件下的自适应开采，只 有具备自适应开采能力的智能化综采装备才能根据生 产环境的实时改变，实现真正意义上的智能化开采，实 现在相对有限条件下的无人化开采。其中，自感知是进 行条件信息的采集，自分析是对采集到的信息进行实时 分析，自控制是基于分析数据自主决策控制方案，自修 正是在装备运行过程中不断修改和改善控制参数，实时 响应环境变化[4]。煤矿智能化系统构成如图 1 所示，即 以自动化为基础，应用现代智能理念完成矿山开采信 息的精准实时采集、网络化传输、规范化集成、可视化 呈现、自动化操作和智能化服务的一种智能化系统[5]。 2智能化开采关键技术 随着煤矿智能化开采的深入发展，越来越多的机械 收稿日期2020-03-10 基金项目山西省煤基产业链重点攻关项目 （ MJ2014-07 ） 作者简介杨竞巍，1981年生，男，河北容成人，2008年毕业于山 西财经大学中德学院贸易经济专业，助理工程师。 煤矿智能化开采关键技术分析 杨竞巍 （ 山西焦煤汾西矿业集团公司，山西 介休 032000 ） 摘要 煤矿智能化开采是中国煤炭工业技术发展的必经之路，是煤矿企业进一步发展的主要目标。通过阐述智能化 的概念，介绍了煤矿智能化开采的定义和系统构成，分析了煤矿智能化开采的关键技术，包括工作面综采装备位姿监测 技术、围岩 - 装备耦合自适应控制技术、综采装备核心智能控制技术和矿井机器人技术。针对各关键技术问题进行分 析，提出相应的解决方案和核心装备智能化控制逻辑。通过解决煤矿智能化开采过程中的关键技术问题，加快煤矿企业 智能化改革，确保企业稳定、可持续发展。 关键词 煤矿；智能化开采；综采装备；自适应控制 中图分类号 TD67文献标识码 A文章编号 2095-0802-202005-0077-03 Analysis of Key Technologies of Intelligent Mining in Coal Mine YANG Jingwei Fenxi Mining Group Co., Ltd., Shanxi Coking Coal Group, Jiexiu 032000, Shanxi, China Abstract Intelligent mining of coal mine is the only way for the development of coal industry technology in China and the main target for further development of coal mine enterprises. By introducing the concept of intelligent, this paper introduced the definition and system structure of intelligent mining in coal mine, and analyzed the key technologies of intelligent mining in coal mine, including position and attitude monitoring technology of fully mechanized mining equipment in working face, coupling adaptive control technology of surrounding rock and equipment, core intelligent control technology of fully mechanized mining equipment and mine robot technology. According to the analysis of the key technical problems, the corresponding solutions and the intelligent control logic of the core equipment were proposed. By solving the key technical problems in the process of intelligent mining of coal mine, the intelligent re of coal mine enterprises was accelerated to ensure the stable and sustainable development of enterprises. Key words coal mine; intelligent mining; fully mechanized mining equipment; adaptive control （总第 176 期） 技术研究 77 2020 年第 5 期2020 年 5 月 化、信息化技术短板正在被完善，煤矿井下图像智能 识别、智能化控制、设备精准定位导航等关键核心技 术将越发成熟。在矿井地质条件日益复杂、安全生产 要求日益严格、生产环境要求日益提高的形势下，煤 矿智能化开采技术将逐步完善。构建煤矿智能化开采 系统旨在建立一个从开采准备、工艺规划到开采过程 实时监控、对开采设备实时监测，直到远程监控的整 个煤炭生产全过程少人或无人的智能化开采系统。目 前，对于煤矿智能化开采，以下 3 个关键技术问题亟 待解决a 工作面综采装备姿态及运动关系监测；b 围 岩-开采系统耦合作用规律；c 关键元件及整机装备智 能控制技术。 针对以上问题，提出煤矿智能化开采关键技术研 发内容，具体包括以下几项a 工作面综采装备位姿 监测技术；b 围岩-装备耦合自适应控制技术；c 综 采装备核心智能控制技术；d 矿井机器人技术。 图 1煤矿智能化系统构成图 2.1工作面综采装备位姿监测技术 煤矿井下工作面综采装备的姿态感知和测量是进 行综采装备智能控制的必要条件。煤矿井下环境复杂 多变，因此需要高精度、高可靠性的定位导航系统对 综采装备进行实时监测。在装备运行过程中，可通过 采用三维激光扫描仪、红外高清摄像仪进行实时动态 扫描，对工作面进行三维激光扫描，实时构建工作巷 道三维模型，绘制工作面地图。由于井下高粉尘环境， 可采用仿生除尘、智能去尘的本安型防爆视觉传感器 对井下环境进行高清图像获取。利用惯性导航、机器 视觉和激光扫描等高精度定位技术对综采装备位置进 行实时监测，为综采装备安装高精度传感器，采用多 传感信号集成监测技术，实时监测综采装备的姿态。 应用基于多信息的三维场景实时建模，搜集综采工作 面三维地图、装备行程、压力、倾角等传感信息，通 过视频增强技术和动态建图技术构建远程虚拟生产监 测系统，从而实现工作面综采装备位姿的实时监测。 2.2围岩-装备耦合自适应控制技术 液压支架是煤炭安全开采的重要保障，其与围岩 的耦合状态是安全生产的核心。虽然支架调整动作已 基本实现自动化，但主要作用在工作面整体协调推进 上，对支架本身和围岩的支护调节还是靠人为操作实 现，效率低、精度一致性差，不能达到目标效果。因 此，提出了围岩-装备耦合自适应控制技术，液压支架 自适应围岩智能控制逻辑如图 2 所示。对工作面围岩 状态感知与液压支架智能控制方式进行系统研究，为 实现综采工作面智能化开采提供围岩-装备耦合智能控 制思路。通过建立围岩-支架耦合的力学模型及液压支 架支护监测状态模型，对工作面围岩控制效果进行多 方位评价，建立围岩控制效果评价模型，通过对比评 价，得到液压支架控制模型，实现液压支架自适应围 岩智能控制[6]。 图 2液压支架自适应围岩智能控制逻辑图 2.3综采装备核心智能控制技术 控制装置是综采装备智能化的核心，是直接关系到 装备智能化程度的因素。要实现综采装备智能控制，必 须对现有控制方式进行智能化控制改进，针对液压支 架智能推移提出一种新的智能推移控制系统，智能推 移控制系统框图如图 3 所示。在调整支架时，该液压支 架智能推移控制系统能够利用传感器实时确定支架实 际位移模型，从而确定支架及刮板机在推移动作中的 实际位移值；将该数值与系统预设值进行比较，得到实 际修正值，从而决定支架接下来的动作及动作值，使整 个推移控制过程形成一个闭环控制，使系统在整体控 制运行中能够根据实时监测的支架和刮板机实际运行 情况，对后续的推移位移值进行实时修正，使支架在推 移过程中保持直线性和同步性，实现对支架推移的精 确智能控制。 图 3智能推移控制系统框图 基于矿井地质勘探信息搭建待开采煤层全信息模 型，并且在巷道掘进过程中利用物探、钻探等技术方 法对待开采煤层、煤岩分界面进行辅助监测，利用实 际探测结果对煤层全信息模型进行修正，实现对煤层、 煤岩分界面的预测判断；应用惯性导航技术对采煤机 的行走位置及三维姿态进行实时监测，利用轴编码器 对采煤机位置姿态进行二次校验；基于煤层、煤岩界 精准实 时采集 智能化 服务 网络化 传输 自动化 操作 可视化 呈现 规范化 集成 自动化基础 液压支架 控制模型 工作面围岩控制 效果评价模型 支架与围岩耦合 关系力学模型 液压支架支护 状态监测 理论、 监测模型评价模型控制模型 煤 壁 片 帮 顶 板 冒 顶 立 柱 损 坏 顶 梁 低 头 立 柱 偏 载 阀 体 损 坏 支 架 歪 斜 支 护 高 度 立 柱 压 力 平衡 千斤 顶压 力 护帮 千斤 顶压 力 侧护 千斤 顶压 力 底调 千斤 顶压 力 设定值显示值 支架控制器推移单向锁推移千斤顶位移传感器 刮板机实际 位移值 推溜拉架实 际位移测量 误差测量 78 2020 年 5 月2020 年第 5 期 面预测判断结果，对采煤机的截割路径开展超前规划， 根据采煤机位置的精准定位及煤层、煤岩界面预测结 果对采煤机摇臂摆动角进行控制，满足工作面不同位 置处采煤机滚筒截割高度的自适应调节，实现采煤机 截割高度的智能化调整。采煤机智能截割控制框图如 图 4 所示。 图 4采煤机智能截割控制框图 通过对采煤机的截割速度、截割高度、支架推移 量等信息进行监测，再通过计算可以得到采煤机的理 论采煤量及刮板机的煤炭赋存量。在实际生产过程中， 刮板机并不需要任何时间都满负荷运行，因此应根据 刮板机不同载荷情况自动调整运行速度，从而降低运 行能耗，延长设备使用寿命。根据采煤工艺，以采煤 机的运作循环为研究周期，分析刮板机在不同煤量情 况下的运行特征，建立关于刮板机电流的智能调速模 型[7]，如表 1 所示。其中，i 为实际电流；iN为额定电 流；n 为实际转速；nN为额定转速。 表 1刮板机运行电流提供分级调速方案 根据不同负荷情况实现刮板机主动自适应、分级 调速的自主调速功能，实现刮板机智能调速控制，其 控制逻辑如图 5 所示。 图 5刮板机智能调速控制逻辑图 2.4矿井机器人技术 煤矿井下生产系统庞大复杂，生产环境恶劣，单 纯依靠人为操作机械式作业，无法实现减人少人生产。 为了保障作业安全，用机器人代替人工进行井下作业、 日常巡检和应急救援是实现智能化开采的迫切要求。 煤矿井下作业机器人属于防爆重载机器人，机器人工 作环境极其复杂，这就要求机器人系统不仅要具备基 本的感知监控功能，还要具备必须的运移、避障、导航 和抗颠覆功能。当前，以智能化综采工作面系统组成 的采煤机器人群已在 70 多个煤矿得以应用，部分装备 巡检机器人、固定岗位机器人和危险环境探测机器人 初级产品已有使用，图 6 为煤矿巡检机器人现场应用 图[1]。针对井下复杂环境的机器人冲击碰撞问题，可通 过研究机器人与环境间接触阻力的变化规律，搭建接 触阻力与控制参数之间的作用模型，对不同的接触阻 力设置不同的控制参数，实现对机器人的自适应跟踪 控制，可以有效解决井下复杂环境下的机器人冲击碰 撞问题，保障机器人安全、高效运行。对于井下机器人 电池续航问题，由于煤矿井下电气设备相关安全规范 对机器人电池容量和防护壳体有极为严格的要求，因 此应当研发可长时间可靠供电的技术，可将防爆电池 轻量化，还可寻求无线充电装置，从而保障井下机器 人长时间可靠工作。 图 6煤矿巡检机器人现场应用图 3结语 煤矿智能化开采是煤炭产业转型升级和煤炭工业 技术改革的核心，煤矿企业务必紧跟信息时代的发展 步伐，应用信息技术的成果，将数字化、人工智能、大 数据等技术应用于煤炭开采过程中，攻关智能化开采 核心技术难题，逐步实现煤矿开采全过程的智能化监 控，通过远程监控实现井下少人甚至无人作业，彻底 改变传统的煤矿生产方式，使煤炭行业适应信息时代 的发展，走可持续发展的道路。 采煤 机截 割路 径优 化 采煤 机智 能截 割 地质 钻探 数据 地质钻探数据 巷道掘进数据 煤层初始数据 采煤机位置 工作面直线度 采煤机姿态 电流i0.4iN0.4iNi0.6iN0.4iNi0.6iNi逸0.8iN 转速n1/2nNn2/3nNn3/4nNnnN 截割高度 截割速度 截割位置 支架推移量 刮板机存煤量 刮板机转矩计算值 刮板机转矩监测值 刮板 机智 能调 整 采煤 机截 割煤 量监 测 （下转 90 页） 杨竞巍 煤矿智能化开采关键技术分析 79 2020 年第 5 期2020 年 5 月 （上接 79 页） 参考文献 ［1］ 王国法， 杜毅博.智慧煤矿与智能化开采技术的发展方向 ［J］ . 煤炭科学技术， 2019， 471 1-10. ［2］ 杨志勇， 刘福明， 佟德君.露天煤矿智慧矿山创新设计理念 ［J］ . 露天采矿技术， 2019， 342 6-9. ［3］ 孙喜民， 时亚民.践行能源革命发展现代智慧型煤矿 ［J］ .中 国煤炭工业， 20161 69-71. ［4］ 王静.关于煤矿智慧矿山网络系统的探讨 ［J］ .现代工业经济 和信息化， 2018， 816 65-66. ［5］ 王国法， 王虹， 任怀伟， 等.智慧煤矿 2025 情景目标和发展路 径 ［J］ .煤炭学报， 2018， 432 295-305. ［6］ 梁海东.液压支架智能推移控制系统的优化研究 ［J］ .机械管 理开发， 2018， 3312 208-209. ［7］ 任怀伟， 孟祥军， 李政， 等.8 m 大采高综采工作面智能控制系 统关键技术研究 ［J］ .煤炭科学技术， 2017， 4511 37-44. （ 责任编辑刘晓芳 ） 闸皮与闸盘接触时的正压力不足；制动空行程时间延 长，灵敏度降低。解决方法为利用长度为 300 mm 的 塞尺对每一副闸瓦间隙进行测试，保证其盘形制动器 在正常工作中油压最高时闸瓦间隙不大于 2 mm；同时 要测量出所使用提升机制动盘的端面跳动且保证不超 过 1.0 mm。根据闸盘的偏摆量来调节闸瓦间隙，闸瓦 间隙要大于偏摆的最大值并小于闸瓦间隙要求的最大 值，这样可以保证在使用的过程中不会因为闸盘的偏 摆而使得闸皮磨损厚度不一致，进而导致制动时接触 面积不足，使得制动力矩下降[3]。 b 对提升机所有闸盘的制动力进行测试，如果所 有闸盘的制动力均低于要求值，说明碟形弹簧的弹力 不足。解决方法为先观测液压站主油泵的供给油压， 如果当前工作油压值到液压站最大允许油压值还有上 升空间，可以通过提升液压站主油泵的供给油压来增 加碟形弹簧的形变，同时闸瓦间隙会增大，将闸瓦间 隙恢复至合理范围，在抱闸时增大碟形弹簧的弹力， 提高制动力。由于闸盘的正压力等于碟形弹簧的弹力 减去残余油压对活塞的作用力和制动器的阻尼力，因 此在提高供给油压值的同时还需要测试油压 （制动） 手柄回归最低零位时的残压，并使残压值符合表 1 要求。 表 1设计最大压力与残压关系单位MPa c 在实际制动力矩测试工作中，发现制动闸皮与 闸盘的接触面积也是影响制动力矩的因素之一。当制 动闸皮与闸盘的接触面积小于制动闸皮面积的 60时， 会出现制动力矩不足的现象。解决方法为利用闸瓦 的压力且用热敏传真纸测取闸瓦与制动盘的接触面积。 一般新更换的闸皮是凸面的，接触面积不够，这样就 需要停止提升机运输，利用空车旋转控制制动手柄， 使得闸皮和制动盘轻微接触，将闸皮磨平，增大接触 面积。在摩擦的过程中要时刻注意闸盘的表面温度， 当表面温度较高时，停止摩擦使其自然降温，切记不 得用水快速降温，防止温差过大导致闸盘变形，影响 正常使用。 d 制动盘表面或制动闸皮有油渍时会降低摩擦系 数，造成制动力矩减小甚至完全丧失。解决方法为 在使用过程中要经常观察或停车时用手指轻抹闸盘观 察是否有油渍。如果出现油渍，就需要检修确认油渍 的来源。如果工作过程中油渍误飞溅上去，处理时就 简单了，将闸盘上的油渍擦拭干净就可以了。如果制 动闸油缸或油管漏油、渗油到闸盘上，处理起来就比 较麻烦了，不仅仅要找到漏油点堵漏或更换密封圈， 还要将闸皮内的油渍清理干净或更换闸皮。 e 在按上述要求调整后制动力矩仍然不符合要求 的情况下，就需要更换一些关键部件。a打开制动闸 头，取出碟形弹簧，观察碟形弹簧有无折断或裂纹， 导致正压力下降。还有一种情况就是由于长时间使用， 弹簧疲劳出现弹性降低，导致正压力下降。这种情况 的解决方法为更换全部碟形弹簧。更换时需考虑碟形 弹簧的型号和大小，更重要的是根据提升机的实际情 况选择刚性弹力合适的碟形弹簧。更换带有压力传感器 的碟簧座，可以实时监测碟形弹簧的弹力。b当闸皮的 摩擦量过大或薄厚不均匀时，需要更换新的闸皮。更 换新闸皮时需要考虑闸皮的型号和大小，并选择摩擦 系数符合要求的闸皮。c变更设计，更换更高压力的液 压站、高强度碟形弹簧，使贴闸油压升高；或者在条 件允许的情况下增加制动闸瓦数量[4]。 3结语 矿用提升机运行的安全、可靠直接关系到矿井的 正常运行和煤矿广大职工的安全，尤其是在当前“安 全第一”的环境下，更应该保证提升机的安全、可靠 和平稳运行。通过分析制动力，可以为提升机操作者 提供直接有效的方案，使其能够快速选出合适的安全 运行方案，希望能为广大提升机操作者提供帮助，保 证提升机的安全高效运行，为国家建设、人民生活需 要提供更好的能源保障。 参考文献 ［1］ 王宏德.盘式制动闸制动力矩下降原因分析与对策 ［J］ .中州 煤炭， 20063 57. ［2］ 国家安全生产监督管理总局.煤矿安全规程 ［S］ .北京 煤炭工 业出版社， 2011. ［3］ 矿用产品安全标志办公室， 国家安全生产上海矿用设备检测 检验中心， 河南煤矿安全监察局.AQ 10152005 煤矿在用 缠绕式提升机系统安全检测检验规范 ［S］ .北京 煤炭工业出 版社， 2005. ［4］ 中信重工机械股份有限公司， 洛阳矿山机械工程设计研究院 有限责任公司， 上海冶金矿山机械厂， 等.JB/T 32772017 矿用提升机和矿用提升绞车液压站 ［S］ .北京 机械工业出版 社， 2017. （ 责任编辑刘晓芳 ） 设计最大压 力 Pmax 6.3111421 残压 Pc臆0.5臆1 90