数字孪生-应对智能化综采工作面技术挑战

基于智能化综采工作面目标任务-自主完成综采工作面可靠割煤、保持工作面几何关系、顶板可靠支护,提出了综采工作面智能控制关键技术,包括采煤机定位技术、工作面可视化技术、液压支架电液控制技术（装置）、工作面通信技术、综采装备协同控制技术、采煤机自动调高技术、工作面自动调直技术和工作面围岩支护控制技术（其中前3种技术属于智能化综采工作面的感知与执行层,工作面通信技术是智能化综采工作面的传输层,后4种技术属于智能化综采工作面的决策层）。指出智能化综采工作面面临的挑战为决策层的自主决策能力不能适应复杂多变的工况、感知与执行层不能支撑决策层的信息需求和决策指令的可靠执行。针对上述挑战问题,采用基于仿真的数字孪生建模方法,提出了综采工作面数字孪生系统架构。综采工作面数字孪生系统虚拟实体包括机理模型和行为模型,利用综采装备机理模型可获得综采装备物理系统的不可测数据,行为模型可为综采工作面智能控制系统提供反映物理装备运行状态的全息信息,解决决策层数据信息匮乏问题;综采装备机理模型与其控制系统组合的离线运行模式形成综采工作面硬件在环仿真系统,为基于工艺规则的智能控制算法提供测试平台;综采装备机理模型、行为模...     

大采高工作面智能化综采关键技术研究

为了解决大采高综采工作面用人多、劳动强度大等问题,针对陕西陕煤黄陵矿业有限公司二号煤矿实际情况,分析了大采高工作面智能化综采存在的片帮精准控制难、底软拉架难及装备可靠性、感知精准度、协同性差等技术难题;选用可视化远程干预型技术路线来实现大采高综采工作面智能常态化开采;重点研究了高效采煤工艺、防片帮控制技术、底软智能控制技术和顶板破碎智能控制技术。通过采煤工艺革新,三角煤截割效率提高了30%;在煤壁发生片帮的不同阶段采用不同的控制手段,实现了护帮板精准控制;通过液压支架多次降架模拟人工操作的方式完成底板软弱条件下的智能化处理,解决了架前堆煤问题;通过液压支架超前拉架的方式完成工作面顶板破碎条件下的智能化处理,确保顶板破碎区域可以智能开采。二号煤矿实践表明,采用智能化综采技术后,实现了以工作面设备智能运行为主、现场干预控制为辅的智能化生产模式,以及井下7人作业、地面2人监控的"7+2"作业模式,达到了减员提效的目的。     

薄煤层综采工作面自动化技术综述

分析了国内外薄煤层综采工作面自动化技术的发展现状,介绍了薄煤层综采工作面自动化系统结构、采煤机自动化控制技术、液压支架电液控制技术、刮板输送机自动化控制技术及采场空间环境可视化监测技术,指出了薄煤层综采工作面自动化技术的发展趋势:采用先进工艺提高采煤机、液压支架等设备的工作可靠性;提高薄煤层综采工作面自动化系统的自动化程度,完善控制系统与故障诊断系统,提高对各种采煤环境的适应能力;从有链牵引向无链牵引及电牵引方向发展;进一步研究综采工作面可视化监测系统。     

巨厚松散层下煤层开采薄基岩变形及矿压显现研究

以赵固一矿12051综采工作面为研究对象,采用UDEC数值模拟软件对巨厚松散层条件下煤层开采薄基岩变形及矿压显现进行了研究。结果表明:(1)工作面初次来压步距为55 m,周期来压步距为15m;开采后上覆薄基岩出现垮落带和裂隙带,垮落带高度为12.4 m,垮采比为3.54,裂隙带高度为36.7m,裂采比为10.48。(2)随着工作面推进距离的不断增加,工作面前方支承压力影响区范围、支承压力峰值和塑性区范围均增加;当基本顶初次来压后,工作面前方支承压力处于稳定状态,主要表现为最大应力集中系数和塑性区范围基本保持不变。研究结果可为类似地质条件下综采工作面围岩控制提供依据。     

基于变论域模糊控制的综采工作面围岩支护装置的研究

针对煤矿综采工作面围岩动态特性复杂、支护控制效果较差以及无法实现自适应控制等问题,本文基于变论域模糊控制理论设计了综采工作面围岩支护自适应控制装置,利用围岩强度、刚度和稳定性进行耦合,实现了在工作面移动过程中随围岩作用动态变化,实时调节液压支架的结构和参数特征。经现场测试后得出,当液压支架受到的外部载荷大于自身设定的压力值时,控制系统能够自动打开安全阀以实现压力开启适配现场的实际压力值,压力可以自动调节,并且响应耗时仅为2.85 s,控制误差小于4.2%,始终处于稳定支护状态,验证了方案设计的合理性。     

井下综采设备高精度激光定位技术的应用与研究

为提升煤矿智能开采安全技术水平,解决综采设备在复杂井下条件下低成本精确定位及控制问题,开展井下综采设备高精度激光定位技术的应用与研究。基于井下综采设备作业过程分析,研究井下综采工作面绝对坐标系确立及工作面跟踪定位系统测量基准传递与重构方法,在此基础上搭建激光跟踪实时定位系统架构。该方案已在某煤矿采煤机井下作业中得到应用,结果表明,该方案能实现井下综采设备高精度定位功能,连续作业条件下推移曲线误差控制在20 mm内,可满足井下综采设备作业需求。     

综采工作面采煤机和液压支架协同控制技术

针对综采工作面采煤机和液压支架协同控制效率较低问题,基于采煤机记忆割煤和液压支架跟机自动化控制技术,提出了一种综采工作面采煤机和液压支架协同控制技术。依据综采工作面生产作业工艺,对采煤机和液压支架作业工序进行划分后重新匹配,生成采煤机和液压支架协同工序,各工序中通过协同控制逻辑实现对采煤机牵引方向、速度和液压支架跟机动作的协同控制。应用结果表明,与人工干预控制模式相比,该技术降低了采煤机和液压支架控制对人工干预的依赖性,提高了综采工作面自动化水平,为实现无人化开采提供了技术支撑。     

综采工作面自动化控制技术的应用现状与发展趋势

介绍了国内外综采工作面自动化控制技术的研究发展状况和实际应用现状,指出了中国未来综采工作面自动化控制技术的发展趋势,给出了实现综采工作面无人自动化开采所需突破的关键技术。     

综采无人工作面的整体设计与实现方法的构想

综采工作面的无人化和少人化是解决煤矿安全的核心课题。文章指出应从综采系统的整体角度来思考自动化采煤问题,并将综采工作面的设备分为生产设备、辅助设备、工作面控制中心,指出了各种设备的控制要求;重点阐述了工作面控制中心的组成及各组成部分应具备的主要功能;介绍了综采无人工作面的组成,给出了综采无人工作面的系统架构及特点;最后认为综采无人工作面可实现四级监控、三级控制的预期效果。     

基于透明工作面的智能化开采概念、实现路径及关键技术

提出了以煤层透明化、综采装备透明化、决策及控制透明化为核心的基于透明工作面的智能化开采概念,即在综采工作面煤层地质增强感知的基础上实现工作面开采过程的全面感知、信息集成与分析、智能生产决策、综采装备自适应控制;从感知、分析、决策、执行4个层次指出了基于透明工作面的智能化开采实现路径,即煤层超前探测、“机-环”模型关联、采前规划决策及随采智能控制;阐述了基于透明工作面的智能化开采依托的三大关键技术,即地质勘探技术、综采装备定位技术及三维激光扫描技术。基于透明工作面的智能化开采以达到综采装备智能决策和自主执行为目标,可为最终实现无人化开采奠定坚实基础。     

自动化综采工作面概念探讨

介绍了国内自动化综采工作面的技术现状,并将综采工作面的设备分为生产设备、辅助设备、测控系统;针对目前业内工作面名称混乱的情况,认为"自动化综采工作面"的命名比较恰当;提出了自动化综采工作面技术可划分为综采工作面局部自动化、综采工作面半自动化、综采工作面全自动化、综采工作面智能自动化4个等级并给出了具体特征;介绍了自动化综采工作面的发展途径,指出把自动化综采工作面看成是一台可以自动行走、自动割煤、自动支护、自动装煤、自动运煤的大型机器更符合实用要求。     

孤岛工作面水侵沿空巷道围岩稳控技术研究

目前对孤岛工作面采空区积水弱化围岩条件下的合理煤柱留设研究较少,仅从积水侵蚀煤柱承载强度弱化影响因子、煤柱常规应力简化模型、实验室测定积水弱化煤柱强度等某一方面进行简化分析或理论研究,沿空巷道围岩控制效果不佳。针对该问题,以国能蒙西煤化工股份有限公司棋盘井煤矿I020908回风巷为工程背景,针对孤岛工作面采空区积水弱化条件下沿空巷道围岩变形严重这一特征,采用实验室测定和数值计算分析法,通过室内物理力学实验测定了干燥和吸水饱和2种条件下的煤岩体物理力学参数;基于测定的参数利用FLAC~(3D)数值软件建立了围岩弱化数值计算模型,分析了采空区积水条件下巷道围岩侧向支承应力演化规律、塑性区分布特征;建立了考虑积水弱化的煤柱力学模型,确定了水侵条件下合理煤柱宽度为6～12m;针对回风巷煤柱帮受积水侵蚀影响,容易产生冒顶和片帮的问题,提出了孤岛工作面水侵条件下沿空巷道围岩稳控技术方案,当煤柱宽度为6m时,对巷道进行锚索加强支护能够有效控制巷道围岩的大变形。采用加强支护后巷道围岩变形在52d内趋于稳定,顶底板最大移近量约为200mm,两帮最大移近量约为130mm,比原支护条件下围岩移近量降低85.6%,巷道围岩控制效果较好。     

综采工作面中部跟机自动化控制的数学模型

针对综采工作面的双向割煤生产作业特点,分析了采煤机、液压支架、刮板输送机联合运转时的协调控制过程,根据采煤生产作业中刮板输送机弯曲段形成原理,提出了刮板输送机弯曲段形成的数学模型;在该模型基础上,分析了工作面中部液压支架跟机自动化作业的工艺过程,提出了综采工作面中部跟机自动化控制数学模型;根据该综采工作面中部跟机自动化控制数学模型,对某煤矿3107综采工作面相关参数进行了计算,并总结了3107综采工作面中部跟机自动化生产的经验。应用结果表明,综采工作面中部跟机自动化控制的数学模型与跟机自动化工艺过程相吻合,为进一步实现智能化综采工作面提供了理论基础。     

基于虚拟现实与数字孪生技术的综采工作面直线度求解

直线度问题是综采工作面智能化建设的卡脖子问题之一,解决该问题的关键在于刮板输送机或者液压支架群的位姿获取。目前针对综采工作面直线度的研究大多是对液压支架和刮板输送机的直线度分别进行讨论,存在成本高、实现困难等问题。针对该问题,基于虚拟现实（VR）与数字孪生（DT）技术对综采工作面直线度求解方法进行探索,将液压支架、浮动连接机构、刮板输送机看作一个系统来进行整体考虑,搭建了综采工作面直线度求解框架,主要分为机理解析、模型构建、融合推演、重构监测、预测控制5个步骤。指出综采支运装备相对位置关系分析的关键在于连接液压支架底座与刮板输送机的浮动连接机构,根据浮动连接机构的运动特性将其简化为机器人模型,进行正逆向运动解析;依据真实的煤层环境,在Unity3D中建立基于关节的综采支运装备运动仿真模型,构建VR场景,实现虚实映射;通过非接触式视觉传感器、虚拟传感器、虚实融合等技术,融合传感器及点云信息进行支运装备位姿推演;利用虚实交互技术,联合真实物理场景构建DT系统,实现综采工作面虚拟监测;在虚拟场景中对保证直线度所需的推移行程进行预测,并将其反馈至物理场景中进行直线度控制。     

WiFi快速漫游与Mesh网络技术在综采工作面的应用研究

针对目前对WiFi通信在综采工作面特定环境下的应用研究较少的问题,结合无线信号空间传播理论分析了WiFi信号在综采工作面的传播特性,分析结果表明:在综采工作面,WiFi信号的传播受到较大影响,尤其是信号覆盖范围明显减小;在综采工作面WiFi无线信号传播符合对数距离路径损耗模型。根据综采工作面的空间布局特点,采用快速漫游和Mesh网络技术构建了无死区、全覆盖的综采工作面WiFi通信网络优选技术方案。测试结果表明,该方案可解决采煤机机载视频通信难题,实现了WiFi网络快速漫游功能,可有效保证移动终端的应用效果,整个网络的平均通信吞吐量约为35 Mbit/s,最低通信吞吐量约为7Mbit/s,能够满足大多数综采工作面的通信需求。     

厚煤层综采工作面数值模拟研究

根据某矿综采工作面前方顶煤节理裂隙分布情况,建立了综采工作面数值计算模型,运用UDEC软件对同一地质条件下不同采高的综采工作面进行了数值模拟,分析了综采工作面前方煤岩变形特征及顶煤的受力情况。研究结果表明,确定合理的采高是保证顶板稳定的重要因素。     

自动化放煤控制系统研究

针对综采放顶煤工作面后端的综放工作面采用人工放煤控制方式,与综采放顶煤工作面前端的综采工作面自动化水平差距较大的问题,研究了一种自动化放煤控制系统。根据放顶煤液压支架上安装的倾角传感器和前后部刮板输送机千斤顶中的行程传感器,控制液压支架放煤机构位姿,实现放煤量精准控制;通过在液压支架尾梁上安装云台摄像仪和红外发射器,对放煤全过程进行实时视频监视,实现后部刮板输送机运煤量和直线度的检测与控制;利用图像灰度识别技术进行煤矸识别,检测采出顶煤的含矸率。该系统提高了放煤效率和质量,为实现综采放顶煤工作面无人化提供了思路。     

综采工作面虚拟现实监控系统设计

针对目前综采工作面自动化生产过程中视频监控图像效果差的问题,设计了综采工作面虚拟现实监控系统,详细介绍了系统功能设计、结构组成及系统实现的关键技术。该系统采用虚拟现实技术构建出了高仿真度的虚拟矿井作业场景,实现了综采工作面生产设备实时状态信息的采集、传输、显示、预警以及反向控制等功能,满足了综采工作面自动化生产监控的需求。     

“三软”不稳定煤层综放工作面智能化应用与实践

本文针对“三软”不稳定煤层地质特点,在综放工作面智能化建设实践中,通过一系列装备技术和管理、控制程序优化,较好地解决了综放智能化工作面常态化运行中支架钻底、超高、倒架、邻架错差等支架姿态控制技术难题;在目前煤矸智能识别技术条件下,通过优化放煤程序,较好地实现了自动+人工辅助放煤功能;通过支架采高动态管理和护帮板位置控制,有效避免了煤机运行中干涉支架风险;通过视频联动技术和分布式通讯控制装置,初步实现了工作面沿线设备协同控制问题。     

综采工作面智能化控制系统方案设计

针对煤矿井下综采工作面人工现场操作时生产效率低下、安全性不高、劳动强度大的问题,设计"三机"智能化控制系统.对"三机"姿态协同控制模式、性能协同控制模型以及远程集控中心进行模型、平台设计.通过与人工现场操作模式"三机"运行数据进行对比分析发现,智能化控制系统方案能够保证综采工作面生产连续、安全运行,提高设备生产效率.