矿井综采工作面采煤机智能化改造的高效应用.pdf

2023 年第 11 期2023 年 11 月随着科技的飞速发展和经济全球化，矿产行业面临着持续的挑战和变革。采煤机作为目前国内许多煤矿集团千万吨矿井中采掘作业的主力设备，其性能和效率对于提高矿山的整体生产能力和降低生产成本具有重要意义。然而，目前国内市场主要依赖进口的采煤机，采煤机整体国产化水平还比较低，高产高效的矿井还大量依靠进口设备，如艾柯夫公司 SL 系列。作为世界上比较先进的采煤机，艾柯夫采煤机在中煤平朔集团有限公司服役已达 10 年之久，虽然采矿进口设备拥有较为突出的性能，其机械部分强度和耐久性非常好，但在实际使用中发现，电控系统都已老化，维护复杂且困难，故障检修难度大，急用件与易损件难以购入，进口配件制造周期长、服务不及时、关卡重重等问题突出，有些机型的配件甚至已经停产，如此一来可能因一个小配件导致整个煤机停机，严重影响企业的生产连续性。同时电控系统的核心技术都掌握在国外采煤机厂商手中，给现场维护、升级改造造成相当大的困难。政策层面，国家发展改革委、国家能源局、应急管理部、国家煤矿安监局、工业和信息化部、财政部、科技部、教育部等部委联合下发了 关于印发的通知（发改能源 2020 283 号），意见指出了煤矿智能化发展的近远景目标，明确了主要工作任务。中煤平朔集团有限公司在井工三矿先行先试，建设 1 个智能化综采工作面、1 个智能化掘进工作面1。此次采煤机智改项目是中煤平朔集团有限公司煤矿智能化开采的“第一步”，也是井工设备维修中心设备维修机械化、自动化、信息化和智能化的升级。收稿日期：2023-08-10第一作者简介：张万永袁 1971 年生袁 男袁 江苏徐州人袁 高级工程师袁 主要从事煤矿机电设备维修与管理工作遥矿井综采工作面采煤机智能化改造的高效应用张万永袁 苏良碧袁 李卓明（中煤平朔集团有限公司，山西 朔州 036002）摘要：针对目前中煤平朔集团有限公司煤矿井下综采工作面采煤机的使用状况袁 如前期进口采煤机数量大尧 配件昂贵尧 维修费用高尧 自动化水平没有升级等弊端袁 在进口采煤机艾柯夫 SL 750 基础上进行智能化升级改造袁 对一些重要原配件实现国产化替代袁 增加匹配智能化控制系统 渊如增装位置尧 倾斜尧 识别等智能传感器冤袁 从而降低采煤机维修费用袁提高整机电气性能尧 设备稳定性和安全可靠性遥 通过国产智能化升级改造袁 可实现采煤机远程控制和煤机自动记忆割煤功能袁 达到减人提效尧 高产高效袁 将大幅提升采煤机的安全性能袁 为煤矿安全高效生产提供有力保障袁 为中国建设智能化数字矿山打下坚实的基础遥关键词：综采工作面曰 采煤机曰 国产化改造曰 智能化控制曰 远程控制曰 记忆截割中图分类号：TD421.6文献标志码：A文章编号：2095-0802-(2023)11-0188-05Efficient Application of Intelligent Transformation on Shearer in Fully MechanizedMining FaceZHANG Wanyong,SU Liangbi,LI Zhuoming(China Coal Pingshuo Group Co.,Ltd.,Shuozhou 036002,Shanxi,China)Abstract:In view of the current use of the shearers at the underground fully mechanized mining face in the coal mine of ChinaCoal Pingshuo Group Co.,Ltd.,such as the drawbacks of large number of imported shearers in the early stage,expensiveaccessories,high maintenance costs,no upgrade of automation level,etc.,intelligent upgrading and transformation were carried outon the basis of the imported shearer Eickhoff SL 750,and some important original accessories were replaced domestically,matching intelligent control systems were added(such as adding intelligent sensors for position,tilt,recognition,etc.)to reducemaintenance costs of coal mining machines,improve overall electrical performance,equipment stability,and safety reliability.Through domestic intelligent upgrading and transformation,remote control of coal mining machines and automatic memory coalcutting functions can be achieved,achieving reduced personnel and increased efficiency,high production and efficiency.This willgreatly improve the safety performance of coal mining machines,provide strong guarantees for safe and efficient production in coalmines,and lay a solid foundation for the construction of intelligent digital mines in China.Key words:fully mechanized mining face;shearer;domestic transformation;intelligent control;remote control;memory cutting（总第 218 期）实践运用1882023 年 11 月2023 年第 11 期综上所述，采煤机电控系统国产化智能改造项目紧密贴合国内矿山设备行业的发展需求，具有重要的现实意义和战略价值。通过实施该项目，可以降低企业成本、提高设备性能和可维修性，推动国内采煤机行业的技术创新和市场竞争力提升，为中国矿山企业的发展提供有力支持。1项目实现的目标采煤机自动化技术国内水平接近国际先进水平，研发了仿形截割技术，驾驶舱系统取代远程监控，液压支架电液控制技术实现自主化并广泛应用。这些进步显著提升了煤矿生产自动化水平，增强了煤矿安全高效生产能力。随着采煤机自动化技术不断发展，研发了恒功率自动调速、无线遥控、自动调高、机载自动控制和远程集控技术，分为初级、中级和高级自动化阶段，如图 1 所示。在初级自动化阶段，主要研发了控制采煤机行走速度的恒功率控制系统；在中级自动化阶段，产生了采煤机截割煤层的自动调高技术，同时向基于液压支架自动跟机移架的采煤机自动截割、采运支护设备远程控制发展；在高级自动化阶段，形成了采煤机、液压支架、输送机等多机自动协作控制模式2。图 1采煤机自动化技术发展脉络该项目主要是在艾柯夫 SL 750 采煤机基础上进行智能化升级改造，智能化升级后可提高整机电气性能、设备稳定性和电气使用周期，同时可选择性增加煤机远程控制和煤机自动割煤功能。通过矿用艾柯夫 SL750 采煤机电控改造，实现运行数据采集上传、远程控制和煤机自动割煤功能。该项目采用 CAN（ControllerArea Network，控制器局域网）总线通信，一台主控器与多个 CAN 模块组成现场总线式控制系统，采用工作面智能控制系统，在顺槽监控中心、地面调度中心能够进行远程监控，实现协同控制、一键启停等功能。采用红外监测、牵引编码器精确计算等技术实现采煤机精准定位，配置工作面视频系统，实现人员、设备在工作面的可视化监控。与电液控支架配合，实现工作面自动化，具有运行状态显示、电控故障预警、故障指示及历史故障数据查询功能。增加了智能控制模块，配备了采高监测传感器，可以监测显示采煤机的采高；配备了倾斜传感器，可以实现采煤机自动割煤扫底修正刮板机的水平；配备了位置监测传感器，可以实时监测采煤机在工作面的位置；配备了矿压传感器，可以实现煤机内喷雾系统的防堵高效降尘；具备以太网通信、光纤通信、Wi-Fi 和 5G 通信接口，可实现双向实时通信3。该智能化改造系统应用智能化决策和自动化协同运行，可减少综采工作面作业人员，体现“少人则安”的理念。采煤机自动化和智能化技术取得了显著进展，目前推出使用第四代自动化截割系统，增加了比例阀控制、离线编程、模拟系统、双通道遥控器等软硬件功能。结合机器人智能化采煤机技术，基于煤层 MGIS（Multimedia Geographical Information System，多媒体地理信息系统）的采煤机导航截割技术，形成融合地质信息的采煤机截割定位与导控方法和采煤机电控系统，具有基于自适应预测算法的自动化割煤模式。采煤机采用高度集成的 DSP（Digital Signal Processor，数位讯号处理器）+ARM 电气系统和 RTOS（Real Time OperatingSystem，实时操作系统），具有全面的工况监测、故障诊断和安全保护功能。智能化电牵引采煤机实现了截割轨迹规划和导航等功能，取得了无人驾驶采煤机的 5 种调控技术的突破。这些技术的发展显著提升了采煤机的自动化和智能化水平，提高了煤炭生产效率和安全性4。图 2 为无人驾驶采煤机的 5 个运动调控架构图。图 2无人驾驶采煤机的 5 个运动调控架构图2主要研究内容2.1研究目标2.1.1主要器件国产化为了降低成本并提高自主创新能力，计划将采煤机电控系统主要器件国产化。1)将对现有采煤机的关键器件进行分析和评估，确定可替换的国产产品；2)与国内领先的矿用设备制造商和零部件供应商建立合作工作面自动化流程流程流程多机协作自动截割远程监控恒功率自动调高自动操作采煤机自动化行走截割作业Z，割煤高度S，行走直度Y，割煤深度X，进给速度Q，煤流速度张万永，等：矿井综采工作面采煤机智能化改造的高效应用1892023 年第 11 期2023 年 11 月关系，确保所选国产器件符合质量、性能和可靠性要求，保证采煤机的性能与进口产品相当。此外，将在技术研发阶段密切关注国产器件的生产过程和质量控制，确保产品的长期稳定运行。国产化进程中，将充分利用国内研发和制造资源，促进技术创新，提高采煤机的整体竞争力。2.1.2控制系统智能化为了提高采煤机的自动化程度、生产效率，降低人工操作风险，将对其控制系统进行智能化升级。1)将研发基于大数据和机器学习的智能调度算法，实现对采煤机的实时监控、自动调速、自动调高、自动控制、远程监控、故障诊断和预测性维护；2)将研究并应用自适应控制技术，使采煤机能够自动调整截割参数，以适应煤层变化。此外，还将研发无人驾驶和远程操作技术，降低矿工作业风险，提高作业安全性。在实施控制系统智能化升级过程中，将密切关注国内外先进技术动态，吸收借鉴先进经验，持续优化和完善控制系统，为中国采煤机行业的智能化发展贡献力量。2.2采煤机控制系统智能化智能化控制是采煤机电控系统国产化改造项目的一个重要方向。采用人工智能技术，可以实现采煤机的自动控制和自适应调节，从而减少人工干预，提高生产效率和产品质量。采煤机主要的智能化控制系统包括恒功率调速技术、无线遥控操作技术、机载自动控制技术、机组远程集控技术和记忆截割技术。无线遥控操作技术将引入无线遥控操作系统，使操作人员能够在安全距离内实时监测和控制采煤机的运行，提高作业安全性和操作便利性；机载自动控制技术方面将研发和应用先进的传感器和控制器，通过采用人工智能技术，实现采煤机的自适应调整和截割参数优化，根据实时数据和环境条件，自动调整采煤机的工作状态和控制策略，提高截割效率，延长设备寿命；采煤机机组远程集控技术方面将构建远程集控系统，实现对采煤机、液压支架和刮板输送机等设备的实时监控和调度，提高生产效率和管理水平；记忆截割技术方面将开发采煤机的记忆截割系统，使系统能够自动识别煤层轮廓，根据预设的截割路径进行精确截割，降低人工误差，缩短非生产性时间。通过实施这些智能化控制系统升级，将进一步提高采煤机的生产效率、安全性和自动化水平，助力采煤机在国内市场的竞争力提升。2.2.1采煤机恒功率调速技术鉴于煤岩层的复杂性和特殊性，并不能够准确地建立模型，本项目采用了模糊自适应的控制模式，这种控制模式能够根据作用在截割机构上的煤岩截割阻力，灵活调整采煤机的进给速度和截割转速。模糊自适应控制模式为采煤机的运行提供了更加智能化的调整手段，使采煤机在复杂的矿山环境中高效、稳定和安全地作业。模糊自适应控制是一种基于模糊逻辑的控制方法，能够处理非线性、不确定性问题。通过实时采集采煤机的工作状态数据，如截割阻力、进给速度和截割转速等，采用模糊自适应控制算法对这些信息进行模糊化处理，结合预先设定的规则库，生成相应的控制指令，实现对采煤机的精确调节。采煤机恒功率调速技术的优点主要如下。1)提高生产效率。采煤机恒功率调速技术能够在复杂的工况下实现对采煤机的最优调节，提高生产效率，减少停机时间，降低生产成本。2)降低能耗。该技术通过调整截割转速和进给速度，实现设备在不同工况下的最佳能耗状态，减少能源消耗，有利于矿山企业实现绿色发展。3)增强设备稳定性。采煤机恒功率调速技术能自动适应矿石不同的硬度和截割阻力，减少设备负载波动，提高设备稳定性。4)提高设备安全性。采煤机恒功率调速技术可实时监测并调整设备工作状态，避免过载和异常情况，保障设备及操作人员安全。采煤机恒功率调速技术的应用需要采用先进的控制系统、传感器和执行器等关键组件。通过推动这些器件的国产化和智能化改造，将有助于提高中国采煤机制造业的技术水平和竞争力，为煤炭产业的可持续发展提供有力支持。2.2.2采煤机机载自动控制技术机载自动控制技术是关键一环，它能提高采煤机的效率和安全性。机载自动控制技术通过集成传感器、控制器和执行器，实现对采煤机的实时监控和调控。传感器负责采集各种工作参数，如速度、力量和温度等；控制器基于预设的算法，分析这些参数，并根据需要生成相应的控制信号；执行器则根据控制信号调整采煤机的运行状态。通过机载自动控制技术，采煤机可以自动调整截割速度和进给速度，适应不同煤层条件。此外，系统还能自动识别异常情况并采取相应措施，如降低速度或停止运行，以保护设备和人员安全。采用机载自动控制技术升级采煤机，有望降低人工成本，提高生产效率，同时确保操作安全。2.2.3采煤机机组远程集控技术采煤机机组远程集控技术通过采用先进的通信和网络技术，实现对“三机”（采煤机、刮板输送机、液压支架）的集中监控和协同控制。集控中心通过实时接收来自采煤机的各类工作参数，包括截割速度、进给速度、设备温度等，对这些数据进行实时分析，并根据预设的标准和规则生成相应的控制命令。此外，采煤机机组远程集控技术还能实时监控设备的运行状1902023 年 11 月2023 年第 11 期态，自动识别异常情况，并采取相应的措施，如降低速度、停止运行或发送报警信号，这有助于确保设备和人员的安全，降低事故发生的风险。通过采用采煤机机组远程集控技术，可以优化资源分配，提高设备利用率，降低人工成本和维护成本，从而在巷道监控中心和地面监控室随时了解采煤机的整机实时运行状态。2.2.4采煤机记忆截割技术电控系统具有全工作面记忆截割功能，可根据现场要求通过倾角传感器记录摇臂状态、复位传感器修正煤机位置误差、编码传感器计算煤机位置等，实现记忆截割，并且根据储存的数据自动运行，实现自动导航、自动调高；具备可配置复杂工艺程序的记忆截割功能，以满足不同工作面的采煤工艺要求，根据矿井综采工作面实际情况实现两端头斜切、割三角煤等工艺，工艺程序可以修改并配置5。1)采煤机正常工作时，其截割电动机电流、牵引电动机电流、采煤机速度、滚筒转速、滚筒调高油缸压力具有一个稳定状态值，采煤机上滚筒沿顶板岩石和煤体分界面割煤、下滚筒沿设定水平面割煤。2)上滚筒调高油缸压力在保持当前数值的基础上，给予一定的额外压力，从而保证滚筒截齿在不切割顶板岩面的同时，使滚筒紧贴顶板煤岩分界面切割。3)当采煤机监测到上滚筒截割电动机负载电流增大，且调高油缸压力波动范围变大，其平均值超过预设阈限时，表示滚筒接触到岩石。此时，保持采煤机牵引速度、滚筒转速不变，适当给调高油缸上腔供油、下腔回油，即适当降低滚筒，同时计算顶板切割角度是否超过综采工作面顶板倾角限制要求。4)若采煤机上滚筒高度降低后，油缸压力波动恢复正常，且顶板切割角度及工作面高度在综采工作面顶板倾角限制要求以内，采煤机就按当前工作参数工作。5)若滚筒高度不断降低，且顶板切割角度超过综采工作面顶板倾角限制要求，或者超过综采工作面高度要求，油缸压力仍然超限，采煤机发出信号要求执行单元降低采煤机滚筒转速和牵引速度，采煤机按照综采工作面顶板倾角最大限值，切割岩面强行通过。6)采煤机下滚筒自主控制算法根据上滚筒控制算法，综合下滚筒调高油缸压力、下滚筒电动机电流、综采工作面底板控制角度要求及采煤机牵引速度、滚筒转速等信息实现自动控制。7)沿工作面走向，依据上滚筒控制算法原理及综采工作面走向方向角度要求，基于采煤机的切割记忆，实现采煤机自主控制。2.2.5智能自动学习模式自动模式下滚筒轨迹曲线和自动割煤曲线如图 3所示。记忆自动割煤时，摇臂实际高度与学习曲线相差超过 1毅，摇臂高度自动上升、下降进行调整，保证其控制在依1毅。实际操作中，司机可根据不同情况进行干预，干预类型分为干预记忆和干预不记忆。1)干预记忆。摇臂高度变化数据被记录，此时摇臂高度数据将被覆盖，影响后续割煤，煤机运行状态不改变。2)干预不记忆。摇臂高度变化数据不被记录，下一刀割煤时不受此次干预影响，煤机运行状态不改变。图 3采煤机自动割煤线路图在自动割煤过程中，如图 3 中圆点标记处，采煤机运行状态发生转变。启动、停止、转向在此位置处，不能进行加减速操作，在其余工艺段位置均可根据需求进行加减速操作。当采煤机位于上述转折点处时煤机进入自动状态，此时不需要给予起始方向，采煤机可自动识别确定；当采煤机处于其他位置时，进入自动状态后需手动给予初始方向。图 4 为自动采煤工艺段采煤机摇臂示意图。图 4自动采煤工艺段采煤机摇臂示意图1左端到右端8右端到左端2右端到右切9左端到左切3右切到右端10左切到左端4右端到右三角11左端到左三角5右三角到右端12左三角到左端13左端到左切6右端到右切8 右端到左端91 左端到右端10131476321112左端右端 右切 右角左角左切54张万永，等：矿井综采工作面采煤机智能化改造的高效应用7右切到右端14左切到左端慢速区慢速区快速区左端右端左二切右二切左三角右三角1912023 年第 11 期2023 年 11 月5.4优化机械设备运行状态重介质选煤厂最重要的机械设备是重介质旋流器，该设备的运行状态直接影响选煤厂的经济效益。选煤厂对旋流器材料、结构和其他硬件结构的控制非常有限。应提高机械设备的运行效率，因此选煤厂管理人员需要根据实际情况，科学合理地选择重介质旋流器，最大程度发挥出该机械设备的作用，提高选煤效率。特别需要注意的是，重介质旋流器具有内衬脆性高、耐磨瓷块硬度大的特点，容易发生堵塞，缩短旋流器的使用寿命8。因此，必须用特殊的黏结剂将内衬黏在旋流器内壁上，以免旋流器堵塞影响设备的正常工作。同时，制定机械设备操作和维护制度，由专业人员进行定期维护和检修，将责任落实到个人，保证机械设备始终处于正常运行状态。6结束语中国大力倡导环境保护，要求煤炭行业在开采煤炭资源的同时做好环境保护工作，因此选煤厂有必要研究重介质选煤技术工艺与管理，从而提高选煤质量和效率。在科技的推动下，重介质选煤技术工艺也在不断创新和完善，相关设备可以满足选煤的需求，逐渐应用在各个选煤厂。总之，选煤厂要引入先进技术、设备和专业型人才，从而提高选煤效益，促使选煤厂向更高水平发展。参考文献：1 靳职飞.重介质选煤技术工艺与管理 J.石化技术，2020，27(6)：351-352.2 安玉环.重介质选煤技术工艺与管理分析 J.矿业装备，2022(6)：24-25.3 路永广，张晓丽，杨胜杰，等.表面活性剂对选煤重介质悬浮液稳定性的影响 J.煤炭技术，2021，40(3)：149-150.4 李闯.关于重介质选煤技术工艺与管理 J.石化技术，2020，27(8)：173-174.5 武小兵.关于重介质选煤技术工艺与管理探讨 J.中国设备工程，2021(23)：83-84.6 彭春谦.重介质选煤技术工艺与质量管理 J.中国石油和化工标准与质量，2021，41(10)：184-185.7 孙广新.重介质选煤技术工艺研究 J.山西化工，2022，42(7)：104-105.8 郝新飞.重介质选煤技术工艺与管理研究 J.当代化工研究，2020(14)：125-126.（编辑：高志凤）3主要创新点和应用效果此次综采工作面采煤机智能化改造的主要创新点如下：1)国产化方面。采用了自主创新的硬件和软件设计技术，实现了采煤机电控系统的国产化和自主化，降低了系统的成本和依赖性。2)智能化控制方面。采用了基于人工智能和机器学习的自适应控制算法和技术，实现了采煤机的自动化和智能化控制，提高了采煤机的生产效率和安全性。3)通信技术方面。采用了更快速、更可靠的通信技术，实现了采煤机与地面的数据传输和控制，从而提高了采煤机的响应速度和安全性。4)信息化管理方面。采用了先进的数据采集、处理和分析技术，实现了对采煤机运行状态的实时监测和管理，从而提高了采煤机的管理效率和可靠性。5)安全监测和预警方面。采用了先进的传感器技术和数据分析技术，实现了对采煤机运行过程中安全风险的实时识别和预警，从而保障了工人的生命安全。推广应用情况：建设可靠实用的智能化工作面；提高设备自动化水平、降低人工工作劳动强度，形成“以自动化生产为主，人工干预为辅，远程实时监控指挥”的智能开采模式，实现综采设备连续安全、高效运行；该项目实施后，于 2021 年首次在中煤平朔集团有限公司井工三号井综采工作面使用，效果较好，能满足矿井智能化安全高效生产的要求。4结束语通过本次控制系统智能化升级改造，不但提高了采煤机电气性能、设备稳定性，延长了电气使用周期，而且满足数字化矿山对工作面采掘设备的自动化、信息化、智能化要求，为今后其他采掘设备智能化改造打好坚实基础。本项目不仅完整地吸取了国外技术的核心优势，还结合国内煤矿的实际工作环境和工作人员的操作习惯，进行了实用性和创新性改进。虽然本项目取得了不错的经济效益和社会效益，但在监测参数的智能分析、通信抗干扰等方面仍存在不足，需要在今后的实际应用中进行进一步的完善。参考文献：1 冯文茂，田奎彦，郭健.智能化综采工作面自动化系统关键技术研究与应用 J.内蒙古煤炭经济，2023(3)：130-132.2 葛世荣.采煤机技术发展历程(五)：自动化技术 J.中国煤炭，2020，46(10)：1-15.3 张为涛，邸连波，赵满宜.新型计算机控制技术在煤焦运输系统中的应用 J.能源技术与管理，2012(4)：149-150.4 刘燕强.煤矿采煤机自动化与智能化技术研究 J.机械工程与自动化，2021(4)：218-219.5 苗艳才，杨栋，赵其龙.智能采煤机煤岩识别分析与设计 J.煤矿机械，2014，35(7)：81-83.（编辑：刘晓芳）（上接第 187 页）192