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综采工作面采煤机智能化技术研究现状张旭,韩涛，高博（山东充矿能源股份有限公司济宁三号煤矿，山东济宁2 7 2 0 0 0）摘要：随着采煤技术的不断发展，综采工作面的智能化技术已然成为重点方向，由于综采工作面的环境复杂、设备协同性与工序的耦合度高,给设备的智能化控制带来了较大的挑战。本文为了分析综采工作面的智能化现状,探索解决综采技术问题的方法，现根据综采工作面智能化技术的应用情况，综合分析了综采工作面的智能化发展历史,并重点介绍了综采工作面智能化系统的架构与技术,探讨了综采工作面智能化建设中存在的问题,基于理论视角,阐述采煤机的自适调节性、设备协调控制性与自动跟机等技术。关键词：综采工作面；智能化技术；采煤机中图分类号：F406.3;TD632.1煤炭是我国非常重要的基础能源之一，根据相关报道可以得知，在能源的组成结构中，预计到2 0 30 年，煤炭的占比将超过1/2；预计到2 0 5 0 年，煤炭仍有可能以4 0%的占比位居榜首。当前，实现煤炭的高效安全生产,是确保我国经济稳定发展的关键。一直以来，煤矿开采被认为是一种高危艰苦的工作，煤炭企业很难招收到专业采煤人才，同时，随着电商、IT、金融等行业的蓬勃发展，加剧了煤炭行业人才的流失，报考煤炭专业的考生逐渐减少，导致新型煤炭人才比较匮乏。而随着人们对煤炭需求量的不断增加，煤炭资源的开发逐渐朝着纵深发展，这样一来，在采煤深度增加、地质条件复杂、灾害不可预测等问题的叠加下，煤矿生产的安全隐惠持续加大，容易给采煤人员造成人身威胁。因此，为了提高煤炭行业的采煤效率与经济效益，煤炭企业必须建立稳定性好、专业性强、安全性高的生产队伍和技术，这样才能快速推动煤炭行业的有序发展。1采煤机智能化的研究现状采煤机属于综采工作面的核心装置，采煤机的智能化水平影响着煤矿的智能化等级，我国的采煤机智能化程度与国外相形见细，国外到了2 0 世纪9 0 年代后，采煤机的智能化已经达到了成熟阶段，在远程监控、机载主控软件与煤岩识别等方面都取得了突破。而我国的采煤机智能化发展由借鉴与引进吸收，才逐渐实现了自主创新。1.1我国采煤机智能化的研究现状我国的智能化采煤机起步较晚，不过发展速度较快，原因主要和我国对煤矿的智能化开采的重视力度有关。国内不少的院校与科研单位都对煤矿的智能化开采技术进行了研究。2 0 0 5 年，西安煤矿机械有限公文献标识码：B司将远程通信技术应用到采煤机的设计中，并成功使用，之后又成功发布了采煤机远程控制技术及监测系统，以此促进了采煤机远程通信技术的进一步成熟。自此以后，国内越来越多的煤矿开始了智能化采煤设备的研发，其中包括机载视频、采煤机记忆截割以及故障诊断等智能化的开发。2 0 15 年，我国引人了LASC技术，并在自由曲线模式下实现了采煤机的全程自动化记忆截割。2 0 19 年，我国成功制造出了全球首台8.8m的超大采高智能化采煤机，并投入使用。2 0 2 0年，黄陵矿业集团有限责任公司成功完成了智能化采煤系统由1.0 到3.0 的升级，实现了传统记忆截割技术向自动规划截割技术的跨越。现如今，在采煤机智能化程度不断加深的情况下，我国的采煤机智能化架构已经集聚了智能控制、智能感知、智能通信与智能诊断功能。在科学技术的不断推动下,未来的智能化技术将得到进一步的完善。1.2国外采煤机智能化的研究现状国外的采煤机技术已经相当成熟，尤其是德国、美国等发达国家都相应提出了优化采煤机智能化开采技术的系统性方案。早在2 0 世纪末，采煤机就在自动化的基础上增加了记忆截割功能，之后，采煤机逐渐具备红外煤岩分界与雷达防碰撞功能，并且可以通过编程技术模拟采煤机的采煤状态，达到智能化采煤的目标。进入2 1世纪后，智能化的综采工作面就逐渐出现在了人们的视野中，由德国等国家开发的“煤机领路者”系统被成功应用到了North-RheinWestphalia矿中，相应地提高了采煤工作的效率，为德国煤矿行业的发展带来了积极影响。而由美国研发的新型采煤机自动化长壁系统，可以在多装置的协调应用下,实现采煤机的全31文章编号：10 0 8-0 15 5(2 0 2 3)10-0 0 31-0 3自动智能化控制，且美国公司设计的自动化采煤系统应用了“浅截深、多循环”的截割工艺，在开采上具有远程监控、自动移架、自动截深控制等功能，在开采矿井煤层较薄的工程中得到了有效的应用，同时被推广至俄国、法国、德国等多个国家，美国在Pinnacle矿的开采工作中应用智能化开采技术后，煤矿的日产量突破了3.2 4 4 万t，引起了美国煤矿行业的广泛关注。当下，在科学技术的不断发展与创新的背景下，综采工作面采煤机智能化技术发挥的作用越来越突出，今后智能化开采技术不仅会被应用于煤矿领域，还会被推广至更多不同的领域中2 2综采工作面智能化的关键技术从科技视角看，智能化开采技术属于一种复杂的系统性工程，在具体分析国内外的综采工作面的智能化技术后，可以大致了解到,综采工作面智能化开采系统的主干模型是由地理信息系统、截割模型、采煤机控制系统以及惯性导航系统等部分构成，在多系统的联合应用下，实现自动化控制和采煤的智能化控制。2.1溜坡控制技术当沿煤层走向回采时，如果煤层走向和工作面不垂直，那么液压支架在两巷道间就容易发生溜坡，给开采人员造成威胁。不少国家在遇到这种问题时会通过激光扫描仪纠正法进行调整，例如澳大利亚CSIRO中心为了防止发生此现象，会在端头的中部槽设置激光扫描仪,以便更好地记录设备的推进长度，另外，扫描仪也会对巷道的方向进行扫描，而在确定扫描仪的姿态时，可以通过特殊滤波算法进行确定，随后把这些信息反馈至地理信息系统，以便人员实时查看，当发现异常的数据时，就能对巷道与工作面轮廓进行管理，确保煤层与工作面处于垂直的状态，提高采煤的安全性，促进采煤工作的顺利进行3。2.2自动取直技术逐渐推进工作面的过程中,要想使支架与刮板输送机的受力达到最佳，就要保持采煤机的位置与工作面不偏，使工作面直线和巷道方向呈正交。要想达到理想化效果，往往难度较大，为了实现这一目标，需要通过地理信息系统获取采煤机运动学的相关参数，同时确定采煤机的位置，使采煤机可以自动导航，此外，还需要利用截割模型传输采煤机的截割数据，将相关数据发送至液压支架电液控制系统。早期，在对采煤机的位置进行监测时，国内外都应用了如倾角传感器技术、光栅位移监测技术以及无线电回声等技术，不过测量精度不高，难以满足综采自动化的开采需求。2.3液压支架电液控制技术在采煤工作中，液压支架的电液控制是决定工作32面控制的重点内容，电液控制系统的工作模式有很多，其中包括手动操作、全自动操作与邻架操作等。发展至今，这一项技术已经十分成熟，由于其能够实现液压支架和采煤机的远程控制，所以已经被广泛应用到生产中,加上这种技术具有较高的安全性与可靠性,因此应用范围较广。现如今，在许多施工场合中都应用到了液压支架电液控制技术，常见的液压支架电液控制器有RS20型控制器、PM4型控制器、PM32型控制器等。自我国成功研发出SAC型液压支架电液控制系统后，就改变了国外对我国采煤机开采的看法。2.4实时在线诊断技术随着采煤智能化程度的不断提升，采煤机实现了实时在线诊断。采煤机在进行实时诊断之前，会先收集各类装置反馈的数据，然后对数据内容进行诊断，查找判断异常点，从而将结果反馈出来。采煤机配备了电流传感器、油位传感器以及温度传感器等。启动电源后，采煤机开始运行，传感器实时监测各项数据，因为对各项指标阈值进行了设计，当监测到的阈值参数超出限定值范围时，系统就会自动发出警报，这时，管理人员就能对采煤机的运行状态进行诊断，排除故障问题,降低采煤机的故障率，提高采煤机的智能化水平。3智能化开采问题虽然科技的发展进一步完善了采煤的智能化，但是在实际应用中，依旧存在不少问题，其中包括煤岩识别系统不够完善、系统软件尚未完善、找平系统不够理想、设备成本高等，由于受到这些问题的影响，使采煤智能化系统无法满足实际需求，制约了采煤智能化技术的推广和应用。3.1煤岩识别系统不够完善尽管采煤技术经过了不断地升级与发展，但是煤岩识别系统还不够完善，在实际应用中，不能充分发挥出识别作用，原因是煤岩识别系统的识别精度不够高，识别结果和现实存在一定的误差，给采煤工作带来错误的指导,增加了采煤的风险。比如，工作面板发生变化时，无法第一时间对采煤机的滚筒高度进行调节，只能通过人工进行干预。在今后的发展和应用中，还需要不断加强煤岩识别系统的设计与优化，这样才能提高采煤的质量和效率4 。3.2系统软件尚未完善在现有的智能化综采工作面系统中，引进的技术虽然相对比较成熟，但是会增加企业的投入成本，而企业自发研究出来的智能化综采工作面系统，因为技术不够先进，采煤设备往往在使用过程中会发生卡屏、死机等现象，需要断电重启系统后才能顺利运行，可见系统的稳定性欠佳，还需要加以优化。3.3设备成本高智能化设备不仅购买成本高，在后续的维护中，同样也需要耗费较高的费用，给煤矿造成巨大的成本负担，智能化综采设备与普通综采工作面系统相比，其相关零配件的成本都偏高，对于那些资金不足的企业来说，在开采作业中应用智能化综采技术，会增加其压力。这也就使小型煤矿在发展过程中，智能化水平均较低，只有资金雄厚的大型煤矿，其智能化水平才比较高。4对综采工作面智能化技术的展望煤矿行业在发展中，要想达到安全高效的开采效果，综采工作面的智能化发展依旧是关键，也就是说煤矿的高效发展离不开综采工作面的智能化技术。在全球多个国家的共同努力下，综采工作面智能化技术已经取得了一定的成果，不过这些技术尚未成熟，无法完全满足煤炭企业的高效产生需求，仍然有很多地方需要优化,特别是在智能化系统的开发、多传感器的融合应用、煤矿物联网的建设等方面。4.1完善智能化开采系统从整体结构上看，智能化开采系统不是简单的子系统叠加，而是多个系统的高度耦合，各个子系统之间的参数紧密联系,然而，由于涉及的子系统较多,所以潜在的不确定影响因素也比较多，仍然需要不断对新算法、新技术进行优化，才能循序渐进地提高智能化系统的可靠性、鲁棒性与安全性。4.2综合多传感器融合技术虽然在实际应用中，现有的测量方法也能满足基础需求，不过煤层所处的地质条件与工作面数据的采集量较大，所以会造成传感器发生阶段性失效或漂移，所以,为了提高开采系统的可靠性，有必要综合多传感器融合技术，以便从整体上提高智能化开采系统的运行能力，减少穴余问题。4.3建设煤矿物联网系统由于智能化综采工作面需要在复杂的环境下实现基础设备与人员的协调管理,所以在实际应用中，会比较依赖于物联网技术的应用。而要想高效建设煤矿物联网系统，就要相应地解决生产过程协同控制、安全信息分布式传感以及动态组网等问题。这样才能建立起较为完善的煤矿物联网开采系统，有助于提高煤矿的采煤效率和发展能力5 5结语综上所述，综采工作面的智能化能给采煤工作带来方便，不过在智能化的发展过程中，依旧需要解决一些问题，包括机械设备、控制操作与地质条件等方面的问题。比如常见的采煤机闭环控制问题等，正是因为受到各种问题的影响，综采工作面智能化技术的推广与应用才受到了限制，综采智能化技术要想突破这些瓶颈,就要不断夯实基础，解决现有问题。众所周知，综采工作面智能化属于系统性工程，综采工作面智能化技术的应用,要考虑到各个方面因素的影响,其中包括采煤工艺的形式、矿区环境以及控制管理情况等，只有综合适应这些耦合因素，才能发挥出综采工作面智能化技术的作用。所以,在未来的发展中,综采工作面采煤机的智能化技术要通过不断的研究，进一步扩大人工智能技术在综采工作面的适应范围，才能在煤矿领域进一步推广和使用综采工作面的智能化技术。参考文献：1高有进，杨艺，常亚军，等.综采工作面智能化关键技术现状与展望J.煤炭科学技术,2 0 2 1,4 9(0 8)：1-2 2.2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,2 0 19,4 2（0 1）：6 0-6 4.3李文华，刘娇，柴博.薄煤层采煤机调高系统PID控制的研究与仿真J.测控技术,2 0 17,36（0 4）：5 7-6 0.4赵友军，赵亦辉，张旭辉.采煤机数字化技术发展及展望J.重型机械，2 0 18（0 4）：2 9-34.5曹现刚，狄航，杜青青，等.采煤机全生命周期服务系统研究J.工矿自动化,2 0 18,4 4（0 6）：4 0-4 5.作者简介：张旭（19 9 5-），男，山东济宁人，本科，助理工程师，研究方向：采煤智能化。33