智能化采煤系统架构及关键技术研究

智能化采煤系统架构及关键技术研究
摘要:采煤系统是指回采巷道的掘进和回采工作在时间上的配合以及在空间
上的相互位置关系，即回采巷道布置系统。

由于各个煤田内煤层的数目、厚度、
倾角各不相同，导致巷道布置形式的多样化，即使同一矿井，其不同的采区，巷
道布置系统也不尽相同，主要包括走向长壁采煤法，采煤系统、倾斜长壁采煤法，采煤系统、放顶煤采煤系统、急倾斜采煤系统以及柱式体系采煤法，及采煤系统等。

关键词：智能化采煤系统；架构；关键技术
1采煤机智能化技术概述
1.1视频系统
将高清摄像头安装在采煤机上，同时，还安装了LED等辅助照明设备，通过
对专用视频监控设备的应用，完成对采煤现场情况的监控，在监控系统中，可以
采用计算机，以及网络终端对工作面的具体情况进行全面检测，而且还可以采取
远程在线方式对采煤机的具体运行情况进行全面参控。

1.2记忆截割
智能记忆截割系统在具体应用期间，采用自由曲线记忆截割，通过对该项切
割方式进行应用，能够确保煤矿开采时，在复杂截割状态完成相应的切割作业，
采煤机在运行时能够依据事先学习的采煤工艺，完成相应的切割作业。

从以往的
工作经验来看，在350m工作面作业中采用自动运行采煤机，采煤机行走与作业
期间，作业人员要将其在具体行走时要做好精度控制，控制时误差不得超过5cm，而针对滚筒截割高度来说，要将误差控制在4cm以内。

2智能化采煤技术发展历程
智采工作面在机械化、数字化、自动化、信息化的基础上发展而来。

在蒸汽
机时代，只产生了蒸汽机驱动的提升机、排水泵和井下轨道运输车；到20世纪
50年代，普采机组诞生之后才有了流程式采煤技术，要靠矿工观察工作面状态，
手动控制设备运行；进入21世纪初，综采设备能够单参数(如采煤机速度、调高、液压支架移动)自动控制，实现机械化减人、自动化换人；至2010年左右，综采
设备具有多参数(位置、压力、速度、功率等)综合优化控制，实现信息化替人。

预计2025年左右将实现以高级自动化为支撑的初级智能化采煤作业，2035年左
右实现半自主控制的中级智能化采煤作业，基本跨入智采工作面无人化作业阶段。

自动化开采改变了人工手动操作的采矿设备，产生了程序化控制的自动采矿机器；数字化开采使采矿物理空间转换到信息网络的虚拟空间，使智能化元素参与提高
采矿信息处理能力；信息化开采建设矿山物联网、服务网、数据网，促进庞大采
矿装备实现信息集成；智能化将通过传感器和人工智能等技术实现采矿智能感知、决策和运行。

因此，智能化采煤要以数字化为基础，以信息化为带动，通过建立
信息物理系统(CPS)，对采运设备进行智能升级，使其能够自主地根据实时开采
信息进行分析、判断、优化、决策、驱动，构成一个具有自律分散型的采煤系统。

智采工作面不仅要求单体采运设备具有高级自动化，而且要求工作面内形成人机
环物联网，使地质信息、煤层割采、煤流运输、安全保障、设备状态等信息实现
互通互联互控，最终能够达到智能采运作业的要求。

3智能化采煤系统在煤矿开采中的应用
3.1采煤机自动化
采煤机作为智能化联合采煤系统中的关键设备，对技术要求极高，尤其是自
动化水平和检测技术。

工作人员建立智能化联合采煤系统时，让采煤机实现自动
化需要多个传感器，如电压传感器、电流传感器、牵引力传感器、温度传感器、
湿度传感器和机身倾斜传感器等，通过传感器了解采煤机机身倾角和运行位置，
精准判断采煤机工作状态，并在此基础上添加采煤机记忆割煤技术如摇臂自动调
高技术。

煤矿在采煤过程中，由于受地质条件影响，工作环境极为复杂，尤其是
井下煤层和围岩，它们自身条件十分复杂，工作人员难以判断煤岩分界位置，而
通过联合采煤机可以精准判断煤岩分界位置区域，联合采煤机主要是利用摄像头、
多种传感器来对产煤工作面进行成像，让工作人员可以精准判断煤岩分界区域，
同时联合采煤机还可以通过信息技术精准控制采煤机滚筒高度以及牵引速度，掌
握控制采煤机的工作状态，提高工作质量。

3.2矿井掘进设备监控
随着我国电气自动化技术的发展，远程控制技术逐渐成熟，各行各业在日常
工作中都已经广泛应用远程监控系统，提高自身工作效率，煤矿亦是如此。

在我
国煤矿矿井采掘设备自动化水平发展背景下，大多数煤矿企业都会利用远程技术，在地面上对井下作业设备进行监控，大幅度降低煤矿安全隐患，但是由于矿井掘
进设备监控系统起步较晚，国内对其研究并不深入，因此技术仍处于起步阶段。

3.2.1悬臂式掘进机断面轮廓监控、矿下掘进装备遥控
该系统主要是以MCU或者DSP信号处理系统为核心，根据截割机构工作参数
和巷道断面尺寸关系数据为基础建立模型，并在系统中标注悬臂转角、液压缸行
程等坐标位置，建立嵌入式实时数据处理系统，提高掘进机工作效率。

该系统还
可以通过可视化技术，帮助工作人员准确、详细、直面地了解掘进机工作状态。

同时相关工作人员还能够以该系统为基础，结合煤矿实际施工需求，建立自动化
掘进机系统，如断面自动截割成型结构，截割在线检测以及远程控制等。

3.2.2掘进巷道截隔断面成型
该技术主要是以掘进机自动化技术水平为基础，如掘进机自动定位、外置调整，并结合运动学，设计出相应计算程序以及研究方案，通过传感器、自动检测
装备，对截割这头设计相应轨道运动，从而保证断面规整，避免出现超挖、欠挖
现象。

3.2.3掘进机运行姿态测量、定向掘进技术
煤矿工作人员在进行掘进时由于多种原因无法对掘进机实时监控，如工作环
境恶劣、照明不足等。

加上在施工过程中会产生大量尘埃，工作人员无法利用视
觉导向对其进行定位，只能适用非视觉传感定位系统，如激光指向仪。

根据研究
发现，我国大多数煤矿在进行掘进工作时，通常都会在掘进机后方安装激光指向
仪，司机通过激光指向仪进行相应工作，这种方式主观意识较强很容易出现误差，导致工作效率低下，严重者还会引起安全事故。

而掘进机定向掘进系统可以很好
地解决该问题，该功能主要利用纠偏控制器对掘进机所传输来的数据以及位置检
测参数进行分析、研究，形成误差反馈系统，并根据其数据以及方案，调整掘进
机工作方向，避免产生误差。

3.2.4掘进工作面远距离视频传输系统
矿井井下工作比较复杂，容易受到光线、灰尘影响，导致工作人员无法对井
下工作面环境进行实时监控。

井下工作会涉及大型设备，并且在工作过程中会不
断前移推进，因此设备布线比较困难，电磁干扰较多，严重影响到工作人员对巷
道进行视频监控，尤其是远距离视频传输技术所受到的影响更多，要想提高掘进
工作面远距离视频传输技术水平，必须对其进行无线视频传输技术，避免设备产
生电磁干扰，并根据掘进工作面距离建立相应传输系统。

结束语
针对我国智能化采煤尚处于初级阶段的实际情况，智能化采煤应该围绕地质
勘探与测绘、电子通信、信息处理与分析、装备智能化等方面全面开展，实现相
关技术与煤炭领域需求深度融合，助力我国煤炭资源安全、高效、智能开采技术
进步。

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