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煤矿智能化开采关键技术的应用与发展

2020-06-04 1505 上传者：管理员

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：
智能化开采
煤矿
矿业开采
综采装备
自适应控制
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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[1,2,3]。

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。

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,2019,47(1):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,2019,34(2):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,2016(1):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,2018,8(16):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,2018,43(2):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,2018,33(12):208-209.

[7]任怀伟,孟祥军,李政,等.8m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,2017,45(11):37-44.

杨竞巍.煤矿智能化开采关键技术分析[J].能源与节能,2020(05):77-79+90.