采煤机智能化发展现状及关键技术展望

介绍了国内外采煤机智能化发展的现状:采煤机目前正朝着智能机器人化的方向发展,处于智能化初级阶段。阐述了采煤机智能化发展历程及趋势:英国远程操作长壁工作面(ROLF)计划、采煤工作面自动化系统(MINOS)、美国航空航天局(NASA)长壁自动化合作项目、澳大利亚煤炭工业研究计划(ACARP)、澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)项目、欧盟长壁钻井设备新型机械化与自动化(NEMAEQ)等6项科研项目在采煤机智能化发展中扮演了重要角色;采煤机发展趋势在于利用不断发展的监测传感及远程控制技术代替人工干预及操作,不断提高工作面设备的生产效率及可靠性,朝信息化、一体化、无人化、智能化的方向发展。从采煤机智能感知、智能控制和智能通信3个方面介绍了采煤机智能化关键技术,指出基于煤岩识别的智能截割技术、智能滚筒调速技术、采煤机精确定位技术和基于三维地质模型的采煤机规划开采技术是亟待突破的关键技术。从采煤机降尘和降噪2个方面对采煤机智能化发展过程中不可忽视的人机关系进行了论述。

厚煤层大采高智能化综采工作面关键技术研究与应用

针对付村煤矿井下综采装备落后、开采成本高的问题,综合考虑生产安全、经济效益、资源回收等多方面因素,提出了在付村煤矿建立厚煤层大采高智能化工作面的构想。根据付村煤矿3上煤层赋存条件,基于智能化工作面设备集成控制平台,结合大采高液压支架智能化电控系统、大采高采煤机智能化控制系统及移动互联网云存储系统,重点突破了工作面主要设备姿态监测、大采高工作面智能化开采工艺、远程控制与集中监控等技术,实现了采煤机自主定位、记忆截割、液压支架自动跟机移架、全工作面一键顺序启停、故障自动顺序停机、三机协同控制,优化升级了矿井信息化系统,建立了智能化综采工作面互联网云平台。结果表明:自2017年11月在付村煤矿3上1008工作面进行工程应用以来,工作面生产班工作人员从12人减少为5人巡视检查,减员率达50%以上,日采煤达6000 t,技术应用效果显著,建立了枣矿集团6 m厚煤层智能化开采的生产模式,为厚煤层大采高智能化生产系统的发展提供示范与实践基础。

薄煤层综采工作面智能化关键技术与应用

针对薄煤层工作面开采长期面临的装备配套性能低、智能化程度低、经济效益低、劳动强度高的“三低一高”问题,构建了工作面生产时地面工艺调度决策,井下设备依据决策自动执行的“地面规划采煤、装备自动执行、面内无人作业”的智能无人开采新模式。建立了以地面控制中心为核心,以井上下万兆网络通讯平台、采煤机规划截割、液压支架主从调度、机载音视频装置、巡检机器人、电缆拖拽、三岗合一为辅的成套化薄煤层智能化开采关键技术。通过工业实践表明,该模式可实现生产时将工作面内作业人员由原来3人减为无人,达到无人则安;生产效率由原来的每天12刀提升到14刀,最高达到16刀,平均提升17%以上。

采煤机自适应截割及跟踪控制技术研究

以MG1100/3030-GWD型采煤机为例,介绍了1种采煤机自适应截割及跟踪控制系统。该系统由截割系统及截割跟踪控制模型2部分组成,其中,截割系统主要根据作业面具体情况,自动对采煤机运行轨迹、姿态、所处位置等进行调整,而截割跟踪控制模型主要对整个截割过程进行监测与控制。在2个模块的共同作用下,采煤机可以安全、稳定地运行,实现了煤炭的高效生产。

中薄煤层采煤机技术发展与应用

针对近年来中薄煤层高产高效开采的快速发展现状,总结了在中厚偏薄硬质煤层、复杂工况较薄煤层和0.9 m采高极薄煤层开采中应用的几款典型采煤机特点;分析了在中薄煤层采煤机中推广应用的摇臂硬岩截割、高可靠牵引行走和高效智能控制等关键技术;展望了中薄煤层采煤机的技术发展方向;对煤矿井下工作面采煤机设备选型和采煤机技术研发方向提供一定的参考。

采煤机自适应截割技术的控制策略与应用

为优化采煤机自适应截割技术,通过分析截割电机定子电流与煤层开采截割电阻范围的变化,提出分阶段优化调节采煤机牵引速度与滚筒转速,以300 kW截割输出功率采煤机为对象,制定不同调速控制策略。结果表明,截割电机定子电流和截割负载变化趋势相同,可根据截割电机定子电流与截割电阻关系自动截割开采不同硬度的煤层。

基于粉尘浓度实时监测的采煤机尘源跟踪喷雾参数智能调控技术研究

针对目前采煤机尘源跟踪喷雾降尘技术无法智能调节喷雾参数以匹配不断变化的采煤机截煤产尘强度的问题,提出针对采煤机截煤尘源处的粉尘浓度设置限值、根据采煤机截煤产尘强度变化相应调节喷雾降尘效率来保证采煤机截煤尘源处的粉尘浓度始终在限值以下的智能调控逻辑,并得出了工作面的粉尘浓度分布与即采煤机位置之间的关系规律,以及喷雾降尘效率与喷雾数量之间的函数关系,实现了基于实时监测的粉尘浓度智能调控采煤机尘源跟踪喷雾参数。在青龙寺煤矿5-20109综采工作面应用该技术后,采煤机司机和机尾10 m处的降尘效率均达到90.47%以上,降尘效果显著。

基于ARIZ的采煤机截割滚筒节能方案研究

采煤机截割滚筒能耗高、效率低的问题日益突出,急需对其开展节能增效研究。因此,基于发明问题解决算法(Algorithm for Inventive-Problem Solving,ARIZ),提出一套采煤机截割滚筒节能方案,包括优化滚筒结构设计、改进驱动机构、智能控制策略、回收利用等。通过理论分析与仿真,优化截齿布置参数和滚筒体结构,提出电液混合驱动和自适应智能控制方法,给出热能回收和振动能量收集方案。试验结果表明,该节能方案在不同工况下的能耗降低15%以上,振动降低30%以上,具有显著的节能效果和良好的动态特性。

煤矿智能化掘进关键技术研究

介绍了近年来煤矿巷道掘进主要技术(悬臂式掘进机综掘技术、连续采煤机掘进技术及掘锚一体化掘进技术)的研究成果,分析了这3种主要巷道掘进技术在我国的适用性及推广价值,指出:(1)悬臂式掘进机综掘技术仅能“前掘后锚”,掘进与支护的过程不能同时进行,限制了掘进效率。(2)连续采煤机掘进技术仅可在近水平煤层条件下进行,且对顶板的稳定程度有一定要求,适用性不强。(3)掘锚一体化掘进技术仅适用于巷道断面大的单巷快速掘进,所用到的掘锚一体机机身大且价格昂贵,并对所掘进巷道的底板稳定性有一定的要求。相比连续采煤机掘进技术,掘锚一体化掘进技术在我国有较好的应用前景。将原有掘进机的掘进功能拓展为掘进兼支护的功能,这对掘锚一体化掘进技术的研究与普及可起到推动作用。分析了近年来煤矿巷道机器人化智能掘进技术中智能截割、远程智能监控、智能协同控制3个方面的研究成果,得出:(1)智能截割技术主要集中在对煤岩自适应识别方面的研究。(2)远程智能监控技术已从远程实时监测向远程可视化监控方向发展,虚拟仿真技术的发展将井下掘进巷道的情况可视化地展现在地面,并将控制信号反馈到掘进工作面来对掘进工作面掘进机组进行远程同步控制,成为当前巷道掘进远程监控智能化的重要标志。(3)目前针对智能协同控制技术的研究较少。探讨了煤矿巷道掘进智能化的发展方向:加强掘进设备集成协同化、设备模块化组合、5G矿用无线网络设备、掘进远程智能监控系统及难掘慢掘巷道掘进工程等方面的研究。

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。

TBM在煤矿巷道掘进中的技术应用和研究进展

TBM工法经济技术优势显著,正成为煤矿巷道快速掘进的一种新方法。但由于煤矿特殊的施工环境和复杂地质条件,TBM在煤矿巷道掘进中面临以下技术挑战:(1)煤矿特殊施工环境下TBM装备和矿井系统适应性设计难;(2)煤系软硬复合地层破岩机理不清,高效破岩控制难度大;(3)软弱地层挤压变形卡机灾害风险大,灾害预测和安全控制难度大;(4)掘进空间狭小和粉尘水雾干扰严重,TBM掘进过程监测难度大,难以进行掘进参数决策控制和灾害预警。对此,针对TBM装备适应性设计技术,深部复合地层TBM高效破岩理论,挤压变形卡机灾害预测控制方法,掘进过程智能化决策控制技术等开展了系统研究,在TBM安全高效掘进技术方面取得了以下研究进展:(1)论述了针对煤矿特殊施工环境的TBM装备和施工工艺适应性设计技术;(2)开展了TBM滚刀贯入和线性切割试验,揭示了复合地层地应力水平、岩石强度及岩性变化、掘进控制模式、滚刀安装半径等对TBM破岩效率和破岩模式的影响机理,提出了深部复合地层TBM掘进性能评价预测方法和岩体可掘性评价方法;(3)揭示了深部煤系软弱地层TBM掘进挤压大变形卡机灾害孕育发生机理,发展了挤压变形卡机灾害孕育演化及控制过程模拟预测的FDEM(有限元-离散元耦合)方法,提出了挤压变形卡机监测预警方法,形成了TBM掘进挤压大变形卡机“大变径扩挖、掘进参数优化和分步联合支护”综合防控技术体系;(4)提出了TBM掘进过程岩-机作用信息(刀盘刀具-掘进工作面作用、围岩-护盾作用信息)实时感知技术,初步提出了TBM掘进参数自适应智能决策方法。上述研究进展将推动TBM在煤矿巷道建设中的应用和安全高效掘进技术进步。

智能综采机组控制目标及采煤机割煤高度控制方法

煤矿智能化是煤炭安全高效生产的发展方向,综采智能化是煤矿智能化的关键环节,但智能综采机组的控制目标目前并不明晰,这严重制约了智能综采的发展。在系统分析综采工作面采煤机、液压支架和刮板输送机这3个主要设备之间的空间动态联接特性基础上,通过分析采煤机滚筒割煤高度变化规律,揭示了采煤工艺过程中工作面顶底板不平自行加剧机理,提出了采煤机滚筒割煤高度误差估算方法;结合综采工艺过程调查和经验,明确提出综采机组控制基本目标是保证工作面工程质量,构建综采机组控制关键指标,指出煤岩界面并不是控制采煤机滚筒割煤高度的基本目标,建立一种以“顶底板平”为目标的采煤机割煤高度控制的非线性规划模型,为综采面采煤机自适应割煤控制提供了一种方法,为智能综采机组控制明确了目标。

采煤机滚筒调高自适应预见控制方法研究

首先建立了采煤机滚筒调高机构的数学模型,并通过李雅普诺夫稳定性理论将自适应控制与预见控制结合起来,构造了采煤机调高的自适应预见控制器。在Simulink中搭建了采煤机自适应预见控制调高仿真模型,并进行了仿真实验。结果表明,自适应预见控制的响应速度和跟踪性能都要优于PID控制和预见控制。

采煤机自主截割系统架构及关键技术研究

针对当前国内煤矿智能化建设需求,分析了采煤机作为工作面开采核心装备的自主截割系统现状及问题,介绍总结了采煤机自主截割系统在煤矿智能化系统架构中的角色与定位,提出当前采煤机自主截割系统面临的闭环控制、通信交互、安全高效3个方面的实际问题与应用挑战。以中煤科工集团上海有限公司采煤机为例,围绕采煤机自主截割系统的实际问题,阐述采煤机自主截割系统的架构的实施思路与方法,通过截割建模与模型利用关键技术、增强感知与保护关键技术和冗余通信与协同控制关键技术3个方面建立以感知识别、决策规划、控制执行3个系统构成的采煤机自主截割系统架构,并结合在实际矿井应用中的经验,对榆家梁煤矿、麻地梁煤矿和鲍店煤矿的应用实践进行了分析,检验了该系统架构在一定场景的适应能力。

复杂起伏煤层自适应开采截割路径优化与仿真

采煤机自适应煤层起伏变化自主规划截割是实现煤矿智能无人开采的关键问题之一。然而,现有采煤机截割规划对复杂地质条件变化的自适应性相对薄弱。针对煤层分布信息特征考虑不全和缺乏适用于不同起伏条件的综采工作面采煤机截割路径规划模型以及连续规划精度差等问题,提出一种基于煤层起伏信息与采煤机滚筒高度预测的复杂起伏煤层自适应开采截割路径优化模型。首先,基于粒子群优化最小二乘支持向量机建立采煤机滚筒高度时间序列预测模型,实现采煤机滚筒高度精准超前预测。然后,分别构建以采煤机上下滚筒截割线与煤层上下分界线偏离最小为优化目标的近水平条件、俯斜开采条件和仰斜开采条件下的综采工作面自适应截割路径规划优化模型,利用多约束优化算法求解最优路径,从而实现适用于多种开采条件下的综采工作面自适应截割路径规划。通过数据仿真验证,采煤机滚筒截割高度预测精度达到84.11%以上,优化截割路径与模拟煤层分界线平均绝对百分比误差最大为3.13,所提方法能够在实现采煤机滚筒截割轨迹高精度预测的基础上完成复杂条件综采工作面的自适应截割路径连续规划,为复杂起伏变化工作面采煤机截割路径自适应规划应用提供参考。

采煤机截割滚筒自适应作业技术研究

截割滚筒是采煤机的重要工作部件,其运行性能会对采煤机整体性能产生决定性影响。以MG132/320-W型采煤机截割滚筒为研究对象,在对滚筒基本运动形式进行分析的基础上,研究了滚筒的自适应速度调节技术。在测试滚筒实际力矩的基础上,可以预测煤岩硬度并确定滚筒的目标转速,利用PID控制器对截割滚筒速度进行自适应调节;在采集采煤机截割滚筒历史数据信息的基础上,通过LSTM-ResNet网络可对截割滚筒的运动轨迹进行预测,并根据预测结果对滚筒的运行轨迹进行调节控制。对截割滚筒自适应作业技术开展实验验证工作,结果发现滚筒的轨迹预测以及轨迹跟踪结果与实际情况虽然有一定误差,但误差相对较小,完全在可接受的范围以内,说明本文提出的自适应作业技术是可行的,能显著提升采煤机的智能化水平。

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。

矿井综采工作面采煤机智能化改造的高效应用

针对目前中煤平朔集团有限公司煤矿井下综采工作面采煤机的使用状况,如前期进口采煤机数量大、配件昂贵、维修费用高、自动化水平没有升级等弊端,在进口采煤机艾柯夫SL 750基础上进行智能化升级改造,对一些重要原配件实现国产化替代,增加匹配智能化控制系统(如增装位置、倾斜、识别等智能传感器),从而降低采煤机维修费用,提高整机电气性能、设备稳定性和安全可靠性。通过国产智能化升级改造,可实现采煤机远程控制和煤机自动记忆割煤功能,达到减人提效、高产高效,将大幅提升采煤机的安全性能,为煤矿安全高效生产提供有力保障,为中国建设智能化数字矿山打下坚实的基础。

综采工作面自适应截割路径规划算法研究

目前综采工作面采煤机开采控制模式仍然以人工跟机操作或记忆截割为主,对煤层起伏变化适应能力差,无法满足智能化综采工作面建设需求。通过分析当前主流采煤机控制技术的不足和综采工作面高精度透明化三维动态地质模型的构建方法,提出利用综采工作面三维地质模型规划采煤机未来连续截割路径的方法。将地质模型与回采工作面时空位置耦合,从模型剖面获取未来回采工作面煤层顶底板线,进而规划采煤机截割路径,实现采煤机自适应煤层截割。通过理论分析、数据模拟对比和实际工程验证,采煤机采用自适应截割不仅可以更好适应煤层起伏,而且比记忆截割平均每刀提高生产效率3.63%。

高适配性融合5G技术中厚煤层采煤机研究

设计了一种高适配性中厚煤层采煤机,可实现采高范围2.0~5.2 m,电压等级满足1140 V和3300 V这2种配置,可适配SGZ764、SGZ800、SGZ900、SGZ1000等规格刮板输送机,总装机功率最大可达1320 kW、截割功率最大可达550 kW、牵引功率最大可达90 kW,根据客户需求采煤机可配置高精度自动化功能。为适应智能化综采工作面需求,开发了无线网络5G-WiFi高带宽低延迟系统,首次将5G技术融入采煤机中,有效解决长距离传输信号不稳定的问题,可靠性高、适应性强。