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智能化综采技术发展及应用现状分析

发表时间：2021/5/21 来源：《基层建设》2021年第2期作者：杜成祖

[导读] 摘要：为了顺利完成矿井“机械化换人、自动化减人”的目标，完善安全科技保障能力，针对目前的智能化综采技术中的问题，在简述国内外自动化、智能化综采技术发展过程基础上，结合现实当中智能化无人综采技术的成功实践经验，研究了智能综采工作的关键技术，分析了当前智能化无人综采技术应用中存在的问题，有针对性地提出未来智能综合采矿技术的研究重点和创新发展方向。

        陕西金源招贤矿业有限公司调度指挥中心陕西宝鸡 721500
        摘要：为了顺利完成矿井“机械化换人、自动化减人”的目标，完善安全科技保障能力，针对目前的智能化综采技术中的问题，在简述国内外自动化、智能化综采技术发展过程基础上，结合现实当中智能化无人综采技术的成功实践经验，研究了智能综采工作的关键技术，分析了当前智能化无人综采技术应用中存在的问题，有针对性地提出未来智能综合采矿技术的研究重点和创新发展方向。
        关键词：智能化、综采技术、发展、应用分析
        一.国内外智能化综采工作面发展分析
        目前，我国的大中型煤矿，很多已经实现了单一系统的自动化或集中控制，作为煤矿生产的核心，综采工作面也实现了局部的自动化功能，可在一定条件下实现自动割煤，但只是短期的，无法实现常态化，且生产效率较低，不具备大规模推广应用的条件。
        从国内来看，经过近10年的研究和实践，我国的综采工作面形成了一种集中控制加远程干预的综合自动化模式，即以采煤机记忆割煤、液压支架自动跟机拉架、三机集中控制为主，视频监视、人工远程干预为辅的生产模式，较为成功的有2015年黄陵矿业公司的自动化综采工作面；从国外来看，近年来智能化综采工作面也取得了较大的发展；2014年德国鲁尔集团在现代工控平台的基础上，通过采煤机路径规划，支架自动跟机和煤机自动协调，实现了德国版的智能化采煤模式；澳大利亚通过采用惯性导航技术，确定采煤机在工作面上的三维定位，并以此为基础通过工控平台协调工作面设备的自动运行，从而实现澳大利亚版的智能化综采工作面。
        总体来看，目前的智能化工作面发展仍处在半自动化的初级阶段，主要是远程集中控制加人工干预模式，设备的环境识别能力和自适应水平仍然较低，算法控制系统仍不够先进，只能在一定的条件下运行，对人的依赖仍然较大，作业工程质量较差，作业效率较低。在智能化工作面发展方面，相对于国内的人工干预指导思想，德国、澳大利亚、美国等采用的是在工控平台基础上的自适应控制指导思想，即综采工作面在不需要人员直接干预的前提下，系统依据所获取的信息和数据，通过系统专业算法，独立实现设备协调和修正，完成割煤任务。
        二.国内智能化工作面目前存在问题及解决办法
        1.设备统一性差，控制算法不够先进。综采面设备种类较多，各厂家之间设备及控制系统自成一体，相对独立，只能进行简单的数据通信，各类保护及控制参数都依托于自有控制系统，相互之间联动协调的能力较差，缺乏统一控制的系统平台和控制算法（现有的工控平台一般由电液控厂家在做，只是简单的把各设备的数据收集过来，进行上传，并没有综合分析并形成统一的控制算法）；在这种情况下，无论各自的子系统再怎么发达，各设备也很难一盘棋，达到理想的智能化运行效果。对此，需要联合各设备厂家，研究一套能够统一控制所有设备的算法软件系统，进行高度集成的协调和控制，实现系统的智能运行。
        2.设备稳定性、可靠性差，监测保护系统需进一步发展和加强。综采面作业环境恶劣，粉尘、水汽很大，光线较差，大块煤矸多，导致设备的稳定可靠性较差，故障率较高，很难实现连续的智能化运行。研究分析目前的大型国产综采设备，不难发现：一方面是材料和制造工艺与国外有一定差距，有待逐步改善；另一方面是设备的监测保护功能不全，经常在过负荷或故障隐患下继续运行，不能得到及时有效的保护，导致设备损坏；其中，对于第二方面，我们具有这样的技术和能力，需要加快改进和完善。比如：井口的JOY采煤机，当牵引电流或截割电流超过额定值时，采煤机就会自动降低牵引速度，降低负荷，就保护了电机，也保护了齿轮箱，而国产的采煤机，往往在过负荷下连续运行，导致设备损坏；因此说，研究智能化工作面的基础就是提高设备的稳定性、可靠性，当务之急是加强和完善设备的监测保护系统。

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        三.智能化综采关键技术分析
        1.液压支架全工作面跟机自动化与远程人工干预技术
        在液压支架电液控制系统实现全工作面跟机自动化的基础上，依据电液控制系统的数据与液压支架视频相结合，通过监控中心远程操作台对液压支架进行人工干预，以满足复杂环境下液压支架的自动化控制。其中，自动跟机技术是指综采工作面液压支架以采煤机位置及运行方向为根据，在电液控技术的基础上，跟随采煤机完成工作面自动移架、自动推刮板输送机、自动喷雾、三机联动等成组或单架控制功能。
        2.采煤机记忆截割技术
        记忆切割控制程序实现了采煤机在工作面的自动记忆切割操作，并根据采煤工艺的需要对配置进行了修改。将采煤机操作设定为学习模式，手动控制采煤机采煤(示范刀)，此时控制程序将所有割煤参数进行储存，并根据工作面的状态及采煤工艺的需要，及时做出改变；采煤机智能运行时，可根据储存的截割轨迹自动截煤，当煤层条件发生变化时，可就地或远程干预。
        3.位置监测技术
        位置监测技术利用加速度计算和陀螺仪来确定采煤机的位置，但是长时间仅用这一种技术进行监测的话容易产生误差，因此需要结合一些其他的技术来进行辅助监测、降低误差。比如最常用的是闭合路径算法。对于综采工作面的采煤来说，通过位置监测，实现自动导航非常重要，这样就可以避免每次都需要人工下井开采，尤其是在大型工作面上，智能化技术可以有效代替人工开采。
        4.远程集中控制技术
        远程集中控制技术是在列车或地面建立“综合监控中心”，使用“一键启停”按钮，使设备按顺序在工作面逐个启动。数据上传速度快，控制信号实时释放，延时稳定控制在200ms以内；若生产过程中出现偏差，如工作面煤层位置变化或支架参数扰动影响工作面正常进度时，可及时进行手动远程干预，保证生产安全顺利进行。
        四.智能化综采技术的发展方向和前景分析
        目前，我国的矿井开采智能化正处于升级改造与结构调试的重要时期，在新网络技术与传统产业深度融合的新形势下，各行业都面临着巨大的技术变革，其中智能化技术与传统成套设备的融合，实现产业升级改造正成为重要的发展趋势。
        1.复杂地质条件下智能化综采技术。详细分析矿井复杂地质条件和灾害存在的隐患对智能开采技术应用的制约，解决推广应用在复杂开采条件下矿井的诸多问题，建立安全保障体系，实现安全生产环境，特别是对各种致灾因素的实时监控和管理保障信息系统，实现智能化开采系统在复杂开采条件的应用，从而形成不同地质条件下的全面智能化开采技术和设备系统，实现智能化综合开采技术在矿井开采的全面应用和推广。
        2.信息精准感知技术。地质条件、开采条件、设备状态的精准感知是实现煤矿智能化开发的重要前提，重点攻克地质条件超前精细探测、开采条件实时预测与处置、设备位置及姿态精准感知等技术。
        3.综采智能化前沿技术研发。在现有技术的基础上，继续进行理论性研究和技术上的突破，逐渐完善智能化综采控制系统的适用性和实用性。加快综合矿山设备在智能检测、智能导航、智能控制技术等方面的研究，不断提高设备智能感知、自主判断、智能控制能力，解决工程质量、煤岩鉴定等技术难题。
        结语
        综上所述，智能化采煤已成为行业发展趋势和国家发展战略。而我国智能无人开采技术在技术和管理等方面还有许多问题需要解决；要实现更高水平的智能开采，需要在地质、信息技术、智能机械、先进管理技术等领域进行创新突破，其中智能采矿设备是核心，既要吸收人工智能、现代通信等先进技术，又要符合智能开采的发展方向。
        参考文献
        [1]王海军.数字式智慧综采工作面集控系统研究[J].煤炭科学技术,2017 (01):135-141.
        [2]王金华、黄乐亭，等.综采工作面智能化技术与装备发展[J].煤炭学报, 2014(8):1418-1423.