创力系列采煤机智能化技术应用研究

采煤机的智能化程度对煤矿智能化水平具有重要影响。智能控制、智能感知、智能诊断和智能通信是采煤机智能化改造的核心技术。通过对采煤机智能截割、自动纠偏和智能感知等关键技术进行研究及现场实践,为煤矿无人化综采作业提供基本保障。     

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。     

煤矿综采工作面智能化系统的设计

对高山煤矿综采工作面智能化技术进行了全面、系统的研究,重点阐述了综采工作面智能化控制系统技术方案及关键技术,介绍了综采工作面各个智能化控制系统的技术路线以及目前综采工作面智能化存在的问题。智能化控制系统实现了液压支架自动跟机、采煤机记忆截割、远程集控与监控等功能。     

基于透明地质的综采工作面规划截割协同控制系统

随着煤矿智能化逐步应用开来，透明地质技术成为智能化开采的重要技术支撑之一。针对当前透明地质技术成果在智能开采应用中与装备控制集成融合度不高的问题，研发了基于透明地质的综采工作面规划截割协同控制系统。该系统以智能规划中心和开采控制中心为核心，智能规划中心以地质模型等数据为依据，生成截割模板和控制策略；开采控制中心负责协同控制综采装备，依据截割模板执行控制策略。阐述了系统的两项关键技术，截割模板规划技术和综采装备协同控制技术。截割模板规划技术包括滚筒高度规划和截割工艺段规划。滚筒高度规划采用基于趋势分解与机器学习的滚筒高度预测方法，生成规划高度模板；截割工艺段规划根据单个工艺段的特征，结合中部和端头的截割工艺，形成了工艺段规划表。综采装备协同控制技术包括采煤机支架协同控制和煤流负荷协同控制。采煤机支架协同控制提出了截割前工艺适配和截割中实时调整的控制策略，保证采煤机运行时，支架能够自动跟机作业；煤流负荷协同控制提出了基于线性规划的控制方法，推导出采煤机速度的线性规划函数，用以调整采煤机的速度实现煤流负荷平衡。现场应用和试验表明：采煤机按照规划截割工艺自动执行，试验过程中每刀人工干预次数最大...     

综采工作面“三机”智能化研究现状及展望

煤矿智能化已是我国能源战略的重大发展方向。加快推进煤炭智能化发展是“双碳”目标背景下的一项变革性、牵引性、标志性重大举措。基于先进智能化技术与矿井主要设备相融合的发展需求,阐述了采煤机定位、记忆截割、姿态感知所采用的关键技术,分析了采煤机实现自主截割需要进一步突破的关键技术,探讨了液压支架姿态感知、自动跟机技术发展现状和亟待解决的问题和发展方向,分析了刮板输送机煤流量检测与自动调速、故障自动检测相关技术的优势和不足,指出了未来刮板输送机实现智能化需要突破的方向。最后,结合定位、感知、大数据分析等领域的发展动态,对综采工作面“三机”的发展趋势进行了展望。     

采煤机自主导航截割原理及关键技术

深部煤层构造较为复杂,实现采煤机无人驾驶开采更加困难。在总结采煤机结构和截割调控技术演变历程基础上,提出采煤机截割调控技术在经历了人工目测截割、机载探测截割、示教记忆截割3个发展阶段后,已经进入到自主导航截割的第4阶段,并提出了适用于深部煤层采煤机自动驾驶的导航截割理论与技术框架,包括导航地图、位姿感知、路径规划、姿态控制4项技术内涵和精细化煤层截割定位地图、精准化煤层截割导航地图、动态化煤层截割导控地图、采煤机融合定位方法、定位精度提升、智采机组全位姿参数矩阵建立、物理-虚拟模型驱动与交互、无人驾驶防冲撞路径规划、截割作业智能调高调直9项关键技术。系统阐述了采煤机自主导航截割相关核心技术基本原理:首先,构建煤层智能化开采导航地图,从精细化煤层截割定位、精准化煤层截割导航和动态化煤层截割导控3个关键步骤实现地图构建及更新;其次,通过融合定位和定位精度提升方法,完成了采煤机位姿精确感知;再次,创建智采机组全位姿参数矩阵,并结合物理-虚拟模型驱动与交互技术构建出导航截割数字孪生系统;最后,基于实时综采装备位姿状态和煤层导航地图信息,实现了无人驾驶防干涉防冲撞路径规划、截割滚筒自适应调高控制...     

基于矿用5G技术的采煤机智能化技术

通过综述当前专家学者及工矿企业对“矿用5G+煤矿智能化”技术的研究与应用,得出其进展长足但仍然存在应用场景和生态匮乏的结论。针对采煤机智能化方面存在全面感知能力较弱、远程控制时效性低、通信系统可靠性差的技术短板,构建基于采煤机的矿用5G通信系统。以单一采煤机通信系统为研究对象,分别阐述了采煤机5G通信系统架构、采煤机5G CPE安装方式、综采工作面5G基站布设方式。基于5G技术具有的大宽带、低延时、广连接的特性,展望5G技术应用于采煤机后,可拓展采煤机在煤机云端控制、海量数据传输、故障远程诊断等智能化方面的应用。     

煤矿智能化(初级阶段)技术体系研究与工程进展

煤炭是实现清洁高效利用的最经济、最可靠的能源,煤炭资源的智能、安全、高效开发与低碳清洁利用是实现我国煤炭工业高质量发展的核心技术支撑。基于我国煤矿智能化初级阶段的发展要求,开展了煤矿智能化技术体系研究和工程建设,进行了智能化煤矿顶层设计研究,以"矿山即平台"的理念将智能化煤矿整体架构分为设备层、基础设施层、服务层与应用层,实现煤矿生产、安全、生态、保障的智能化闭环管理。针对智能化煤矿存在的信息孤岛问题,开展了多源异构数据建模、特征提取与数据挖掘等技术研究,研发了基于数据驱动的信息实体建模与更新技术;研究了智能化煤矿高精度三维地质模型构建方法,通过在刮板输送机上布设巡检机器人与三维激光扫描仪,将三维激光扫描数据与地质模型数据、采煤机位姿数据、采煤机摇臂截割数据进行有效融合,获取采煤机的实时截割曲线,通过比对采煤机实际截割曲线与地质模型的煤岩层分界面曲线,实现基于地质模型动态更新的煤层厚度自适应截割控制方法;研发了工作面采掘接续智能设计技术,实现了接续工作面图纸、规程、规范的智能设计,大幅降低了采掘接续过程中的重复劳动;研究了掘锚一体机的位姿检测与导航技术、自动打锚杆技术、自动铺网技术、巷...     

智能采煤机器人关键技术

采煤机是综采工作面的核心装备,研发智能采煤机器人是实现综采工作面智能化的关键。综合分析当前采煤机机器人化研究进程中的传感检测、位姿控制、速度控制、截割轨迹规划与跟踪控制等技术的研究现状,提出研发智能采煤机器人必须破解的“智能感知、位姿控制、速度控制、截割轨迹规划与跟踪控制、位-姿-速协同控制”五大关键技术,并给出解决方案。针对智能感知问题,提出了构建智能感知系统思路,给出了智能采煤机器人智能感知系统的架构,实现对运行状态、位姿、环境等全面感知,为智能采煤机器人安全、可靠运行提供保障;针对位姿控制问题,提出了智能PID位姿控制思路,给出了改进遗传算法的PID位姿控制方法,实现了智能采煤机器人位姿精准控制;针对速度控制问题,提出了融合“力-电”异构数据的截割载荷测量思路,给出了基于神经网络算法的截割载荷测量方法,实现了截割载荷的精准测量;提出牵引与截割速度自适应控制思路,给出了人工智能算法牵引与截割速度决策方法和滑模自抗扰控制的牵引与截割速度控制方法,实现了智能采煤机器人速度精准自适应控制;针对截割轨迹规划与跟踪控制问题,提出了截割轨迹精准规划思路,给出了融合地质数据和历史截割数据的截割轨...     

采煤机智能化控制技术研究

文章基于7LS-LWS638型采煤机进行采煤机智能化控制技术研究,以实现采煤机滚筒智能调高和记忆截割的智能化控制。通过遗传算法与PID控制器结合,并应用电液比例阀等装置,实现了采煤机滚筒调高和截割深度控制,同时通过优化采煤机自动截割流程,使得采煤机在完成两个循环煤层手动截割后可实现自动截割,与传统控制技术相比,智能化控制技术下设备运行更加稳定,抗干扰能力更强。     

巷道智能化掘进的自主感知及调控技术研究进展

针对当前煤矿巷道综掘工作面的智能化程度较低,掘进效率低下的问题,分析了煤矿综掘工作面实现智能化快速掘进的关键技术--自主感知和调控技术。首先,探讨了智能化快掘创新方法与理论,以智能感知技术、自主控制技术、群组协同技术为核心,构建智能化快速掘进技术体系,以实现煤矿综合掘进机器人化装备的探-掘-护-锚一体化协同作业。其次,重点阐述了智能化掘进的自主感知技术,包括基于超宽带原理的位姿感知、基于双频激电法的超前探测、基于SLAM原理的环境感知、基于变迁记忆故障Petri网的故障感知等;自主调控技术,包括基于群体智能算法的智能截割、基于遗传变异粒子群算法的路径规划、基于BP神经网络PID算法的自主纠偏等。再次,详细论述了智能临时支护感知,包括围岩压力、顶底板状况、支架位姿等多维信息的感知,研究了非水平场景下掘支协同与多机组多缸联动的自适应控制方法;介绍了智能永久支护感知,包括围岩位移感知和支护装备受力变形感知,探讨了锚护网络结构优化方法,提出了基于粒子群优化算法的自适应钻进控制策略。最后,展望了煤矿巷道智能化掘进的自主感知及调控技术的发展方向。     

采煤机智能化控制系统研究与设计

研究设计了具有自主控制以及监测功能的采煤机智能化控制系统,运用滚筒采煤机新型的煤岩识别技术,现代化截割技术等先进手段来实现智能化采煤机的自主控制、手动控制、远程控制等工作模式,为系统监测工作及时提供科学准确的参考数据。     

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。     

矿井综采工作面智能开采系统建设与分析

随着智能化开采在我国煤矿的应用推广,多处煤矿智能化建设已经卓有成效。本文通过构建煤矿智能综采适应性评价指标体系,确定影响智能综采适应性的主控因素,实现对智能综采工作面开采效能和安全性的智能评价。许疃煤矿8224工作面智能化开采以采煤机记忆截割、液压支架自动跟机和可视化远程监控为基础,实现在地面调度指挥中心或井下智能化工作面集控中心对综采设备的智能监测与集中控制。本文以许疃煤矿8224工作面为例阐述了智能化开采关键技术在煤矿的应用效果,并对其当前智能化建设现状及问题进行分析研究。     

综采工作面智能开采关键技术实践

目前国内智能化开采技术与装备迎来了重要的历史发展机遇期,国内已累计建成200多个以"可视化远程干预智能化开采技术"为主的自动化工作面。通过分析智能开采应用现状,指出由于煤矿工作面开采条件的多样性与复杂性,智能开采发展必然是分阶段、逐步实现,同时智能开采常态化应用受限于综采装备与控制元件等基础可靠性的提高及从业人员素质与能力的提高,因此智能开采发展与应用是一个长期的过程;基于现阶段国内自动化工作面的技术应用现状,从系统感知技术能力与特征的角度将智能开采发展阶段划分为4个阶段,并指出现阶段国内总体应用水平还处于智能开采的初级阶段,部分矿井正在试验第2、第3阶段的关键技术,距离智能开采技术的理想目标还有很长的路要走。同时围绕智能开采第2阶段的关键技术,重点阐述了基于装备主体结构件机械模型的液压支架与采煤机姿态感知技术,基于自主导航系统的刮板输送机弯曲度检测技术,采煤机行走轨迹,开采刀识别以及工作面自动校直等技术原理与实践情况。通过工业性实践验证了液压支架与采煤机姿态感知技术以及工作面矫直方法等理论的工程可行性,为工作面的液压支架防倾斜,防咬架,快速移架,截割面的开采规划与采煤机滚筒姿态调整,采煤机干涉预警以及刮板输送机直线度调整等功能的具体实施提供了技术支撑。     

千万吨级矿井智能化综采成套装备及关键技术

针对国内厚3～4 m煤层生产效率低、采煤机割煤速度慢、液压支架自移跟机可靠性差等问题,根据转龙湾煤矿Ⅱ-3号煤层233采区煤层赋存情况,为了实现转龙湾煤矿一矿一井一面的千万吨级智能化矿井建设目标,开展了3～4 m厚煤层液压支架、采煤机、刮板输送机等成套装备一体化设计,确定了成套装备的技术参数和关键结构,研制了高可靠性、智能化成套装备,突破了基于惯性导航系统的综采工作面直线度精确检测技术、采煤机记忆截割智能控制技术、基于煤流负荷模型的刮板输送机智能调速技术、工作面端头联合支护技术等关键技术,实现了采煤机自主定位、记忆截割,液压支架自动跟机移架、推移刮板输送机和自动矫直,刮板输送机智能柔性变频调速,2巷超前液压支架协同推进,设备列车的自动控制和快速自移。结果表明,上述关键技术保障了综采装备的成套协同作业和连续回采,工作面具备了年产1 000万t的水平,大幅减少了采煤工作面的操作工人数量,实现了远程监控和少人值守常态化模式的智能化采煤作业,自2015年10月在转龙湾煤矿23303工作面进行工程示范应用,效果显著,每班可减少操作工人5人,最高日产达到3.78万t,最高月产90.13万t,建立了3～4 m厚煤层年产千万吨的配套模式,可为类似煤层赋存条件高产高效生产提供经验。     

基于5G+云边端协同技术的采煤机智能调高调速控制系统设计与应用

当前采煤机控制系统难以应对井下工作面复杂工况,采煤机智能调高调速控制的实现面临三大技术难题：传统4G、WiFi等无线通信技术的数据通信能力不足、集中式云计算平台的数据处理协同性低、割煤控制需要较多的人工干预辅助。为促进采煤机以及整个综采工作面的智能化发展,从解决采煤机5G通信、云边端协同、智能调高调速控制等关键技术出发,研制了一种基于5G+云边端协同技术的采煤机智能调高调速控制系统,对系统采用的5G通信技术和云边端协同技术进行了详细阐述,对采煤机智能调高调速控制系统的硬件平台和通信网络进行了介绍。采煤机智能调高调速控制系统采用基于特征级融合和决策级互补的多模态融合煤岩分布识别模型,并且在煤岩分布识别技术的基础上通过“记忆割煤+煤岩分布识别干预”的采煤机智能调高调速控制策略进行截割控制。在神东保德煤矿81309工作面对该控制系统进行了为期2个月的应用测试。测试结果发现：采煤机实时通讯丢包率约为0.003%,采煤机到集控中心之间的端到端平均通信时延下降了75%,采煤机滚筒故障率下降了约42%,前部刮板输送机煤炭混矸率下降了42.9%,验证了该采煤机智能控制系统及硬件平台的实用性及可行性。该...     

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。     

基于5G技术的煤矿智能化开采关键技术探索

5G的到来,极大地促进了云计算、大数据和人工智能等技术的深度融合,成为包括煤矿智能化开采在内的各行各业升级转型的关键基础设施,必将推动煤矿智能化开采技术的创新与变革。首先阐述了煤矿智能化开采的发展历程,总结了相关的政策支持和技术发展态势,系统分析了智能化开采技术在应用推广过程中亟待解决8个方面的问题,即:工作面自动找直技术、复杂环境下的高清晰可视化技术、煤炭开采多场动态信息融合的4D透明地质构建技术、煤岩自动识别及智能截割技术、高质量传感器研制与多传感器数据融合技术、采矿工艺智能化技术、煤炭智能化开采的微服务系统平台架构、危险源智能感知与预警技术;并从宏观角度分析凝练了技术方面的制约因素,提出以5G技术为核心汇聚而成的技术生态必将成为解决上述问题的一种有效手段。其次,深入研究了通信技术和煤矿开采技术之间的关系,分析了5G技术在智能化开采中的特点和优势,构建了智能化开采核心技术与5G技术生态关联矩阵,指出5G大带宽、泛在万物互联、低时延高可靠、切片技术等特性和技术在煤矿智能化开采发展中的关键支撑作用,阐述了5G生态在煤矿智能化开采中的重要性,并展望了随着5G技术生态的不断成熟,煤矿智能化开采将探索衍生出的一些高效关键技术和生产管理模式。最后,从多个方面探索了5G技术在智能化开采中的关键应用,包括:系统计算分析管控模式、4D-GIS透明地质和实时推演、工作面自动找直、视频驱动的智能化开采、井下环境感知等。最后针对煤矿智能化开采提出了一种基于5G技术的解决方案以供探讨。     

互联网+采煤机智能化关键技术研究

为实现煤矿无人化综采作业,根据智能化采煤机的作业要求,研究了采煤机智能感知、智能控制、智能截割、远程可视化监控以及综采机组物联网技术,实现了采煤机组的无人操作、远程监控。通过在煤矿现场的应用试验,可实现采煤机作业过程中的自主定位、自动调高、自我诊断、自适应牵引、远程可视化监控,为建设无人化综采工作面奠定了重要基础。