高瓦斯综放工作面智能放煤关键技术研究与应用

目前高瓦斯综放工作面的智能化放煤面临着许多难题，主要包括煤矸识别精度较差、煤流与瓦斯浓度的控制不够全面、跟机工艺设计研发繁琐、控制系统响应较慢。为解决这些问题，研发了基于5G通信的云边端协同智能放煤控制系统，包括5G网络、云端服务器、边缘处理器、终端执行设备等，系统具有较高的数据传输速度、控制响应速度和数据处理能力，在对综放开采放煤工艺参数和智能放煤工艺流程分析的基础上，详细阐述了煤矸识别技术、大块煤识别与煤流负荷平衡技术、瓦斯安全联动控制技术、跟机放煤数字孪生技术四大智能放煤关键技术。在保德煤矿81309综放工作面进行应用试验，采用智能综放技术后，顶煤采出率由86%上升到93%，煤炭含矸率由21%下降到15%，总的生产效率提高了10%，放煤作业人员由原来的3～4人减少为1～2人。开发的基于5G通信的云边端协同智能放煤控制系统及其关键技术也可以推广到其他综放工作面，对煤矿减人增效和安全高效开采具有重要价值。     

中薄煤层智能开采技术及其装备

针对我国薄煤层产量逐年增长和开采技术相对滞后的现状,提出了透明化自适应型中厚偏薄煤层智能开采模式。以神东矿区为例,对当前的中厚偏薄煤层智能化开采技术进行了总结,介绍了中厚偏薄煤层智能开采情况,由此提出厚度1.0～1.7 m的煤层称为中薄煤层的分类概念,以适应煤矿智能化开采和优先发展的需要。首先,在综合处理多源异构信息的基础上,将三维初始地质模型、激光扫描动态数字化工作面、顶底煤厚度探测结果以及煤机姿身数字化,实时提交给智能开采系统进行超前规划,生成动态透明四维地质模型。随后,根据实时生成的动态四维地质模型,获取每个截割位置的顶、底板高度数据,结合煤机姿态参数和采煤机的绝对位置坐标,及工作面平直度要求,对未来几个割煤循环的采煤机调高策略进行提前规划,形成基于动态透明工作面智能化割煤技术。提出了"十二工步"割煤工艺,建立采煤机电缆拖拽系统。最终,以动态四维地质模型构建、采煤机智能化割煤、工作面自动调直、机器人巡检、采煤机电缆拖拽、液压支架自动跟机以及智能协同联控等技术为依托,建立了具备综采工作面全面感知、设备远程集控、协同联动、自动控制、多维数据融合、隐患自动辨识、流程数据驱动、智能辅助决策的中厚偏薄煤层智能化综采工作面开采体系,实现由可视化远程干预型智能开采模式向透明化智能自适应型智能开采模式的转变。实践表明,动态四维地质模型的构建解决了薄煤层开采煤岩分界线识别,对未来10刀割煤循环给出调高策略,预设割煤轨迹与实际割煤轨迹趋势曲线位置偏差小于0.3 m。榆家梁煤矿43101工作面实践,日割煤15刀,年产量达221.6万t,生产工效提高15.08%;工作面无直接操作人员,仅有1人巡视。     

长壁综采工作面无人自主开采发展路径与挑战

智能化无人开采是实现煤矿安全高效开采的技术途径。根据无人控制系统发展的一般规律,分析了综采工作面控制系统发展历程包括远程遥控、自动控制和自主控制3个阶段。综采工作面自主控制需要解决综采工作面环境实时感知、综采“三机”协同控制、高精度煤层地理信息系统、开采工艺智能决策与无人综采工作面评估试验方法5个方面的问题。总结了综采工作面控制系统的3个目标任务：可靠割煤与装煤、保持工作面几何关系、围岩可靠支护;凝练了综采工作面控制系统的8项关键技术：液压支架电液控制技术、综采装备协同控制技术、工作面通信技术、工作面可视化技术、采煤机定位技术、采煤机自动调高技术、工作面自动调直技术、工作面围岩支护控制技术,并分析了综采工作面控制系统关键技术与其目标任务之间的逻辑关系。通过分析综采工作面控制系统关键技术的功能需求和综采工作面自主控制的研究问题,提出了综采工作面由自动控制迈向自主控制首要解决的问题,即工作面煤层地理信息系统精细化、采煤机截割规划策略、工作面围岩智能支护策略以及综采工作面控制系统适用性评估检验方法。     

煤岩识别及采煤机自适应控制技术研究进展

煤矿井下环境恶劣、事故多发,实现采煤机智能化开采既是煤矿安全生产的需求,也是减轻作业人员劳动强度和改善作业环境的必要条件。研发推广智能化采煤机是实现煤矿智能无人化的重要环节,而煤岩识别技术的开发与实施是实现采煤机智能无人化的关键条件。本文综述了当前煤岩识别技术的研究现状,分析了其技术研发历程和未来技术发展趋势。概括了多种煤岩识别技术的研发途径、科技创新及应用效果等;总结了基于煤岩识别技术的采煤机自适应调高、调速系统的设计理论与创新成果,并针对当前其存在的问题,提出解决的办法。通过对基于煤岩识别技术的采煤机调高、调速系统的研究,制定采煤机调高-调速协同控制方案。结合目前煤岩识别技术领域的先进发展水平,提出了其研发过程中实用性差、普适性弱的问题。并在此基础上,针对我国目前面临煤岩界面在线识别准确、稳定性差、系统及设备可靠性难以得到验证等新的难题,重点对实验环节准确化、技术开发精准化、平台应用快速化、系统整体可靠化的创新研究内容进行了展望,提出开发多领域耦合技术、保证装备安全可靠的新思路。     

基于LoRa技术通信的采煤机姿态感知系统设计

为实现采煤机滚筒智能调高与远程控制记忆截割煤等功能,需获取采煤机精确姿态信息。设计一种基于LoRa技术通信的采煤机姿态感知系统。考虑井下工作条件恶劣、通信干扰因素多等特点,该系统采用抗振倾角传感器精确获取采煤机姿态信息,利用LoRa技术并结合滤波算法来提高系统的通信距离,实现采煤机滚筒智能调高和记忆截割煤的远程控制。通过在黄陵1#煤矿井下进行实际测试,结果表明,该系统在井下恶劣环境中获取的采煤机姿态信息精确,传输距离可达140 m,可以满足工作面远程控制需求。     

采煤机截割状态与煤岩识别的关联载荷特征模型

针对采煤工作面煤层的厚度变化、含夹矸和包裹体的不确定性,以及复杂煤岩占比和岩层位置辨识的差异,致使采煤机在截割过程中会产生无效调整截割高度的情况,影响其可靠性和智能化技术水平。截割煤岩载荷特征及其关联截割状态的模型可以预测、修正和决策采煤机截割行为,提升采煤机智能化程度。借鉴多信息实时修正记忆截割与煤层三维地质信息建模等方法,提出了采煤机自主调高-调速二元协同控制模式及截割状态关联特征模型,考虑煤岩赋存条件以及滚筒相对煤岩层的位置和工作参数,划分滚筒截割过程为顺转截割、逆转截割、向和逆自由面截割以及截割顶底板和夹矸等截割状态,分析截齿截割煤岩的过程与状态,构建了向和逆自由面截割状态特征量的数学模型和截割顶底板位置与占比的识别定量载荷关联特征模型,给出了截齿垂直、平行于层理方向截割力的累计占比计算方法,通过旋转截割实验验证截割煤岩载荷特征模型的准确性。根据截割顶、底板、夹矸岩层前后载荷变化导致的截割电机电流变化规律与调高液压缸两腔压力的关联性变化规律,结合截割状态的关联载荷特征模型,修正与预测截割状态和岩层位置,确定了修正采煤机调高调速行为协调控制的截割状态特征参量。研究表明:向自由面截割煤岩断裂位置大于逆自由面的,向自由面易于破碎煤岩,且截割载荷与比能耗均小;分别获取截齿截割顶底板载荷增量与方向角,载荷增量均与岩层厚度呈正相关性,但截割顶底板方向存在明显差异;随截割夹矸岩层厚度增加,截齿截割载荷增大,且截割载荷与夹矸位置呈抛物线关系;给出截齿垂直和平行层理截割力特征值占比的度量,反映截割顶板易于截割底板的特征;截齿向自由面截割煤岩理论和实验的截割阻力功特征值、断裂位置和断裂崩落线与截割点垂线夹角的平均误差分别为3.10%,3.37%和8.07%,验证了截割煤岩状态特征量数学模型的正确性。该研究通过给出融合载荷特征的截割状态修正与煤岩状态识别的理论基础描述,为进一步精准实现智能化采煤机调高-调速二元协调控制提供了借鉴。     

采煤机截割状态与煤岩识别的关联载荷特征模型

针对采煤工作面煤层的厚度变化、含夹矸和包裹体的不确定性,以及复杂煤岩占比和岩层位置辨识的差异,致使采煤机在截割过程中会产生无效调整截割高度的情况,影响其可靠性和智能化技术水平。截割煤岩载荷特征及其关联截割状态的模型可以预测、修正和决策采煤机截割行为,提升采煤机智能化程度。借鉴多信息实时修正记忆截割与煤层三维地质信息建模等方法,提出了采煤机自主调高-调速二元协同控制模式及截割状态关联特征模型,考虑煤岩赋存条件以及滚筒相对煤岩层的位置和工作参数,划分滚筒截割过程为顺转截割、逆转截割、向和逆自由面截割以及截割顶底板和夹矸等截割状态,分析截齿截割煤岩的过程与状态,构建了向和逆自由面截割状态特征量的数学模型和截割顶底板位置与占比的识别定量载荷关联特征模型,给出了截齿垂直、平行于层理方向截割力的累计占比计算方法,通过旋转截割实验验证截割煤岩载荷特征模型的准确性。根据截割顶、底板、夹矸岩层前后载荷变化导致的截割电机电流变化规律与调高液压缸两腔压力的关联性变化规律,结合截割状态的关联载荷特征模型,修正与预测截割状态和岩层位置,确定了修正采煤机调高调速行为协调控制的截割状态特征参量。研究表明:向自由面截割煤岩断裂位置大于逆自由面的,向自由面易于破碎煤岩,且截割载荷与比能耗均小;分别获取截齿截割顶底板载荷增量与方向角,载荷增量均与岩层厚度呈正相关性,但截割顶底板方向存在明显差异;随截割夹矸岩层厚度增加,截齿截割载荷增大,且截割载荷与夹矸位置呈抛物线关系;给出截齿垂直和平行层理截割力特征值占比的度量,反映截割顶板易于截割底板的特征;截齿向自由面截割煤岩理论和实验的截割阻力功特征值、断裂位置和断裂崩落线与截割点垂线夹角的平均误差分别为3.10%,3.37%和8.07%,验证了截割煤岩状态特征量数学模型的正确性。该研究通过给出融合载荷特征的截割状态修正与煤岩状态识别的理论基础描述,为进一步精准实现智能化采煤机调高-调速二元协调控制提供了借鉴。     

基于截齿截割红外热像的采煤机煤岩界面识别研究

为实现采煤机截割过程中煤岩界面的有效动态识别,测试和提取不同煤岩比例条件下截齿截割的红外热图像,分析截齿表面温度场分布规律与截割闪温特征,得到不同煤岩比例条件下截齿截割温度特征数据库,建立基于最小模糊度优化的采煤机煤岩界面动态识别模型。试验结果表明:截齿在截割不同比例煤岩试件时,齿尖均产生突兀的瞬时闪温区,岩石比例越大,其闪温值越高。该系统可实现煤岩界面的在线、精确动态识别,可为提高采煤机的截割效率和实现滚筒智能调高控制提供重要的技术手段和理论依据。     

山西焦煤集团首个智能化综采工作面

<正>2017年12月21日,山西焦煤集团正利煤业有限公司14-1104智能化综采工作面正式组织试生产调试,2018年1月25日顺利通过初验。目前,工作面已实现了全区段自动化采煤、地面远程集中监控、主要参数在线监测和数据远程采集分析,智能化综采工作面系统运行平稳。智能化综采工作面系统通过航天惯性导航、无线通讯传输、视频监控等技术,构建了自适应的记忆割煤控制系统(辅以振动频域分析的煤岩识别技术),建立以采煤机自动割煤为指令,通过工作面智能电液控制系统网络,对工作面刮板输送机、转载     

无人工作面智能化采煤机监控系统的研发

为实现采煤机在各监测点数据的准确采集、智能分析和有效控制,进行了具有自主控制与监测系统的智能化采煤机的研究。以MG250/595-WD电牵引采煤机的智能控制与监控系统为研究对象,运用采煤机滚筒接触到不同煤层时截割电动机负载及滚筒调高油缸前后腔压力变化的新型煤岩识别技术、记忆切割技术以及井下数据传输技术等,最终实现采煤机手动控制、自主控制、上位机远程控制3种控制工作模式以及相关工作参数的实时监测。采煤机及其配套监控系统在古书院矿152304工作面试验期间,累计采煤30万t,煤岩识别准确率达到80%,有效提高了煤矿生产的安全系数、割煤效率以及自动化程度。     

综采工作面智能感知与智能控制关键技术与应用

"十三五"期间,我国煤矿开采开始进入了智能化模式,但处于智能开采的初级阶段。首先,对国内外智能开采技术进展进行了分析,重点介绍了澳大利亚的智能煤矿建设和北京天地玛珂电液控制系统有限公司的无人化综采工作面技术进展。其次,按照智能感知和智能控制2个环节总结了国内智能开采行业的顶层设计。对于智能感知关键技术,建立了智能感知技术体系,攻克了综采装备全方位感知技术和工作面自动找直技术,解决了惯性导航长时间坐标漂移的累积误差增大问题;以物联网推动了围岩透明感知技术,基于多信息融合的煤岩界面识别和超宽带雷达精细测量,具备了一定的超前探测能力和适应煤层地质条件变化能力,高精度三维动态地质模型的动态修正技术;将机器人技术引入到综采工作面感知体系中,通过巡检机器人实现综采工作面生产的快速无缝实时感知;通过对传统VR的建模技术升级,建立了工作面三维实景模型。对于智能控制关键技术,建立了智能控制技术体系,研究了远程监督型控制技术和自主控制技术,利用巡检机器人超前对煤岩界面自动检测和滚筒截割状态的实时识别,实现了智能调高控制、俯仰采控制和推进方向的平滑阶梯多级调整控制,开发了巡检机器人模式下的智能割煤工艺;通过对5G通信系统的协议改进,实现了工作面移动传输上行带宽超过300 Mbps和传输延时小于20 ms的视频传输性能。保证了综采远程控制的实时性和可靠性。通过智能感知与智能控制的关键技术应用,进行了远程干预型智能控制综采生产、视觉测量煤岩分界、直线度自动测量调直、超宽带雷达探测、真实场景综采工作面三维建模和巡检机器人自主采煤等应用实践。最后提出了尚待解决的理论和关键技术问题:深度超前精确探测理论体系、综采全工艺流程无人化控制理论体系、全矿井无缝覆盖通信定位体系、复杂环境下的目标识别、上窜下滑控制和超前自动移架技术等。     

透明工作面采煤机规划调高策略研究

基于透明工作面地质模型，提取规划截割曲线，制定采煤机调高策略是煤矿智能开采的核心；其中研究采煤机如何利用截割曲线实现高效截割是打通地质模型与综采设备智能联动的关键；采煤机通过控制摇臂进行规划截割，摇臂的控制是通过调节油缸的高度决定的，如何将透明地质模型的采高、俯仰角、倾伏角等参数转化为调节采煤机油缸高度的参数是实现透明工作面规划截割的关键。分析了基于透明地质模型的截割曲线规划原理，建立了透明工作面自动调高模型，分析了截割曲线与油缸调节高度之间的映射关系，并在此基础上进行了采煤机规划调高的工程应用，验证以地质模型指导采煤机规划调高的可行性。研究结果表明：基于透明地质得到的截割曲线能够指导采煤机实现高效采煤；从截割曲线计算得到的采高、卧底和坡度等关键参数可控制采煤机油缸的自动调高；在构建采煤机自动调高模型和分析相关影响因素的基础上，通过提高模型精度可达到精准控制油缸高度的目的，为实现透明工作面智能开采提供了坚实的技术支撑。     

智能采煤机煤岩识别分析与设计

煤岩识别是实现无人化采煤工作面的关键技术之一,利用采煤机滚筒接触到不同媒介时反映出的截割电机负载变化进行初步煤岩识别,进一步通过分析调高油缸前后腔体压力的变化进行煤岩识别,该煤岩识别方法具有实用、可靠、稳定的特点。     

基于虚拟仪器的采煤机自动调高系统研究

本文结合传统的记忆截割法,并结合采煤机的振动信号和截割电机电流信号,提出了一种基于虚拟仪器系统的采煤机自动调高方法。分析了传统的记忆截割法的优劣,对振动信号进行了分析描述;对截割电机的工作特性进行了分析,包括采煤的调速状态和截割电流变化,为电流检测方法提供了更加合理的理论依据。最后根据信号的变化特性建立了基于虚拟仪器的采煤机信号检测系统,搭建了基于虚拟仪器的采煤机自动调高硬件系统;通过LABVIEW软件建立了振动信号和电流信号的分析程序和自动调高控制程序,可以进行煤岩识别,从而对摇臂摆角进行相应的调整;运用LABVIEW建立模拟电流信号和振动信号,对控制过程进行了仿真。仿真结果表明建立的基于虚拟仪器的采煤机自动调高控制系统是可行的。     

采煤机煤岩截割智能识别系统构建与流程设计

煤岩识别是实现煤矿智能化工作面的关键技术之一,本文分析了电牵引式采煤机基本结构和原理,其主要结构包括截割机构、行走机构、破碎机构、液压系统、电气系统以及其他辅助机构,基于此,构建了采煤机煤岩截割智能识别系统,该系统由信号识别前端、数据交换传输基站以及远程监测控制中心组成,并设计了采煤机煤岩截割智能识别四大流程:信号增强、信号去噪、模式识别、智能控制,为煤矿智能化工作面建设提供一种新思路或新技术,具有一定的研究意义。     

基于采煤机摇臂惰轮轴受力分析的综合煤岩识别方法

提高采煤自动化、无人化程度的关键在于提高采煤机对煤炭和岩石的识别能力,在记忆截割的基础上,采用灰色预测理论,提出了1种基于滚筒采煤机摇臂惰轮轴受力分析的综合煤岩识别方法,通过实时检测采煤机在截割不同介质时的惰轮轴受力,并根据惰轮轴受力建立采煤机截割路线智能预测系统,实时修正截割路线,提高了采煤机的追踪适应能力。该方法在中煤张家口煤机厂实验平台上进行截割实验验证,结果表明：采煤机割岩时受力比割煤时平均受力大19.45%,能够很好的对煤岩界面进行识别。     

特厚煤层综放工作面智能控制关键技术研究

煤矿智能化开采是实现我国煤炭工业高质量发展的核心支撑技术之一,特别是占我国煤炭产能比例最大的中厚及特厚煤层实现智能化开采意义重大。针对综放智能化成套设备系统可靠性、跟机自动移架及智能放煤可控性与放顶煤煤岩识别准确性三大特厚煤层综放工作面智能控制技术发展制约因素,提出了供液系统的多级过滤智能控制技术、综放工作面液压支架记忆放煤技术与放顶煤煤岩识别技术三大关键技术。在同忻煤矿8202工作面进行了现场工业性试验,该工作面通过集成综放自动化控制系统,实现了采煤机22种编辑状态下的智能程序割煤、支架智能跟机、智能放煤、视频智能监控和智能集成供液等系统的融合,实现了巷道和地面调度中心的远程集控智能化控制和人工干预,突破工作面年产量1 000万t以上,工作面回采率达到87%以上,吨煤耗电量小于9.1 k Wh,产值达到46.5亿元,利润达到5.0亿元,实现了特厚煤层综放工作面智能控制关键技术的突破性进展。并针对8202工作面在工业试验中就存在的问题提出了解决办法。该研究成果对提升高端重大装备适用性研究与实施效果形成示范经验,对我国煤炭行业快速发展具有重要的现实意义。     

超长综采工作面智能控制系统研究与应用

龙华矿在综采工作面设备改造基础上,克服过空斜巷、垂直空巷和平行空巷等开采难题,构建了400 m超长工作面。为实现智能化、少人化超长工作面,对多传感器信息融合定位、协同控制、刮板输送机煤流调速等关键技术进行了研究,设计了超长综采工作面智能控制系统,可以实现井下控制中心与地面调度室的远程监控。该系统包含了电液控制子系统、运输三机通信子系统、智能刮板输送机控制子系统、采煤机控制通信子系统、采煤机精确定位子系统、工作面视频子系统、工作面人员识别子系统、泵站集中控制子系统、在线故障诊断子系统。该智能化工作面的建设不仅提高了生产效率,还为矿井节能、降耗积累了宝贵经验,为我国智能化超长工作面开采提供了借鉴。     

综采工作面智能定位与喷雾除尘控制系统的应用与实践

介绍了国内首创的综采工作面智能定位喷雾除尘控制系统,利用智能定位传感技术,将采煤机割煤、移架、放煤喷雾系统合为一体,在采煤机割煤、移架放煤作业的风流下方自动顺序开启/关闭数道扇形强雾进行高效降尘,全自动运行无需人员干预,解决了采煤机及支架原喷雾装置降尘范围小、效果差、工作面粉尘浓度高的技术难题。     

基于高精度三维动态地质模型的采煤机自适应智能截割技术研究

采煤机使用“记忆截割”技术割煤时,需要进行人工领刀,且对煤层赋存条件要求较高,当煤层起伏较大时需要频繁示教领刀。“记忆截割”技术仅针对下一刀煤层顶板截割路径进行优化,在采煤机推进方向无法根据煤层的赋存形态对采煤机俯仰采路线进行精确规划与控制。本文基于采煤机自适应智能截割理念,设计了综采工作面采煤机智能截割系统运行模式,利用煤层精细化物探数据构建工作面高精度三维地质模型,而后利用地质模型对采煤机的未来截割路径进行规划,并在开采过程中根据工作面揭露的最新地质资料动态修正高精度三维地质模型。将高精度三维动态地质模型与采煤机开采规划算法耦合,提出可自适应煤层变化的采煤机开采控制基线规划算法,实现对采煤机推进方向的俯仰采控制与牵引方向的截割控制,以及地质模型更新、开采基线规划与采煤机滚筒调整之间的高效协作。设计了智能截割系统内滚筒调整参量的计算服务接口,以及智能截割系统与采煤机控制系统间的通讯协议,实现了采煤机滚筒基于规划截割路径的精准控制。实践表明,采煤机智能截割系统适用于底板倾角各种变化程度的煤层,采煤机截割线更好地贴合煤层顶、底板线,节约资源,提高生产效率。