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采煤工作面复杂地质条件智能开采
国家能源集团利民公司
一 、场景描述
国家能源集团利民公司I030905综采工作面位于井田东南部，工作面倾斜长度为 235m , 走向长度为1082m, 平均埋深263.5m 。依据矿井地质探查资料及实际揭露情况，工作面受地质构造影响严重，煤层起伏较大，节理、裂隙发育，回采过程中揭露断裂构造4条， 并伴有断层破碎带；受地质构造影响，回采期间顶板破碎，易发生冒顶、片帮现象，煤层厚度变薄，层理紊乱、松软破碎。 I030905 工作面整体地质结构较复杂，受断裂构造影响较大， 无冲击地压危险性。
图为利民公司智能化生产指挥中心
二、解决方案
I030905 智能化综采工作面以智能化开采技术为核心，针对复杂地质条件，截割“三角煤”危险系数大、自动跟机丢架和拉移不到位、刮板输送机“上窜下移”、设备故障率高四个方面难点入手解决问题。
1. 基于程序定制开发，实现采煤工艺革新。
由于地质构造、煤层起伏变化大等诸多限制因素，严重影响智能化系统的运行和威胁工人的人身安全。因此我矿对自动控制技术进行定制开发，实现采煤工艺革新。
定制自动控制进刀工艺，既消除“三角煤”区域作业，又提高工作效率。
根据传统工艺特点、在设备参数对中部斜切进刀阶段进行细化，将原有的2个阶段，优化为4个阶段。
利用采煤工艺编辑技术，设定采煤机滚筒高度、行走方向、 运行速度等关键参数，使煤机能够按照既定要求运行。
采用“极限位置+惯性修正”的方式解决进刀问题。统计近一刀极限位置偏差，减去100mm 的惯性修正量，作为下一刀煤 机进刀的极限位置，实现采煤机、支架、刮板机协同作业。
根据不同工艺阶段，对煤机设定不同速度，如临近进刀口 时，为确保精度，煤机设定速度为2m/min, 在采煤机完全进入 刀口后，正常截割。让煤机“该快就快，该慢就慢”,提高中 部斜切进刀效率。
采用人机融合跟机移架自动控制技术，消除煤层起伏变化 大时丢架或支架拉移不到位现象。
根据移架工艺特点，将原移架工序“降—移—升”细化：
步骤I—降架阶段—1.5s 从原支护工位移出200mm。
步骤Ⅱ—移架阶段—1s 拉移至既定工位。
步骤Ⅲ—补架阶段—4s 持续执行拉移动作。
判断条件—位移传感器数值小于30mm 停止拉架。
步骤IV—升架阶段—3s 支架升至25.5MPa。
结合人工操作经验，设定拉移支架动作时间。将整个拉移动作的时间缩短，形成多个循环阶段。第一个循环为降架阶段， 时间控制在8S 左右，将支架从原支护工位少量移出；第二个 循环为移架阶段，时间控制在5S 左右，将支架拉移至既定工 位；第三个循环为补架阶段，时间控制在2s 左右；最后执行升 架动作。
2. 基于高精导航技术，实现设备位置控制，惯性导航系统， 保证工作面直线度。
在采煤机上安装惯性导航系统，通过射频发射装置将高精 度陀螺仪获取的采煤机行走状态信息，发送给支架智控系统， 再通过WIFE6 无线传输至综采智能控制系统，由支架智控系统 对刮板输送机进行调整，保证工作面直线度。
雷达测距仪+高清摄像仪，控制刮板输送机上窜下移，通 过工作面两端头加设雷达测距仪和高清摄像仪，不断监测和监 视两端头安全出口大小，并将数据传输到支架智控系统，自动 推送报警信息。
3. 基于矿压监测系统，实现工作面超前预警。
依据多时段矿压监测数据为基础，实时上传至地面灾害监 控预警平台，以大数据平台和算力中心为核心，计算出来压步 距、范围、分析压力规律，超前预警，辅助工作面在回采过程 中进行应对调整。
4. 基于设备在线监测，实现设备健康诊断。
复杂地质条件回采过程中，设备的损伤较大，严重制约智 能化常态化运行。建立主要设备在线监测和预警系统，依据设 备健康诊断，合理制定预防性检修，避免设备损坏。
采煤机运行状态监测及健康管理系统：构建采煤机关键部 件剩余寿命的预测模型，以累积损伤预测的分析方法，构建关 键部件最佳维护周期和采煤机故障可信度分析。通过分布三维 坐标系的振动传感器监测各个关键关联部件振动波形变化，以 时域、频域、复频域、包络图等相关波形特征，构建采煤机的 运行状态评估和预测模型，为采煤机安全运行预测提供平台和 手段，确保采煤机整机部位的最佳维护周期预测。
设备智能监测诊断与精准预警系统：在综采关键设备上安 装无线振动温度一体式传感器(包括振动X 、Y 、Z 三个方向 振动加速度传感器和温度传感器)、相关区域安装无线网关， 通过传感器采集设备轴承水平、垂直、轴向三个方向的振动、 温度数据，并将数据通过zigbee 无线形式上传预警系统。服务 器对数据进行分析、计算，并通过监测、诊断模型对设备的运 行状态进行状态报警、出具诊断报告，为设备管理人员、检修 人员提供设备运行状态报告。
三、应用效果
通过搭建综采智能化生产协同控制系统，将工作人员从井 下恶劣的环境中解放出来，降低劳动强度。单班作业人数由15人降至5人，并实现常态化运行。
充分利用程序定制开发、高精导航技术、矿压监测系统与 移架工艺深度融合、设备在线监测等多项技术创新，保障了智 能化工作面常态化运行的稳定性。通过对井下环境的整体呈现， 辅助作出决策，减少误操作，大大提高了安全系数。
