吴 翔
（晋能控股煤业集团白洞煤业公司，山西 大同 037003）
当前采矿行业飞速发展和广泛应用的技术是大数据和物联网，如人工智能和大数据以及云计算等在当今工业化与信息化领域的成熟应用，都极快地促进了密集型煤炭技术的发展方向，井下煤矿工作面的5G智能化，大大拓宽了开采煤矿的范围。综采工作面是生产煤炭不同环节里最重要的一步，可以说是枢纽的一步，代表上游环节的是准备工作面和治理灾害，中间环节是运输和煤炭采落，代表下游环节的是管理后期的矿井和采空区。综采工作面最常用到的采煤机械有3种：刮板输送机和液压支架以及采煤机，其中高效发展和安全及绿色的煤矿保障前提是运行和衔接以及“三机”配套的综采工作面。所以，本文重点研究了基于液压支架和刮板输送机还有综采工作面中采煤机典型应用时，运行和衔接以及“三机”配套环节采用智能化方式后，其综采工作面未来的智能化建设方向的研究。
选取的大同煤炭隶属于山西省区域的试验矿井，其矿井性质是高瓦斯，具备4.72m3/t 的相对瓦斯涌出数据和8.94m3/min 的绝对瓦斯涌出数据，属于压力低且含量小的瓦斯程度，井田煤层的主采煤尘属于倾向性无自然发火，并具备爆炸性。试验工作面具备较简单的水文地质，在+1085～+1155m范围的工作面地表，其开采水平可达+830m，其冲击地压方面不具备倾向性，基本保持在300m的埋深范围。工作面试验区的主要采煤方法选择了长壁走向式，管理顶板全部采用垮落法，其采煤工艺是机械综合化，综采矿井工作面可以较好地开展主要是依靠优良的瓦斯地质环境，表1记录了综采工作面的主要数据。
表1 工作面采煤参数表（单位：m）
工作面试验区的煤层为黑色条痕，主采是5#，1.2的硬度具备玻璃光泽，断口是阶梯状或参差状，韧性一般。煤体结构部分出现夹矸，在工作面内相对平稳，基本是0.25m的总夹矸厚，煤层基本是3.3m的平均厚度，还算稳定；
工作面的试验区，在掘进巷道时，可以推测地质揭露状态，总体构造是单斜的西低东高走势，有较少的断层和基本不变的煤层产状，可以预测没有风氧化或冲刷甚至陷落柱的现象，不会被岩浆岩左右，因为相对简单的地质构造工作面决定的。工作面试验各个顶底板时，直接顶大概有6.8m 厚的砂质泥岩，褐色斑点大多分化来自灰色砂岩；
老顶大概有3.6m厚的中粒砂岩，根化石较多位于砂质的深灰色泥岩里；
直接底大概有2.6m厚的砂质泥岩，根化石及粘土质较多位于砂质灰色泥岩里；
老底大概有2.8m 厚的细砂岩为灰褐色；
6#煤层底部局部不稳定[1]。
三机配套的综采工作面必须按照互相协同配合的原则去进行，主要的配套要求有很多方面：系统寿命和几何尺寸以及工作性能和生产能力，首要注意的就是设计工作面生产能力的要求必须满足破落煤的采煤机能力，也就是说采煤机要具备尽可能大的能力；
除此之外，要求刮板输送机具备尽可能大的能力，可以预防堆积破落煤炭，可以顺利输送。刮板输送机和采煤机的子系统必须完美协作，具体表现在:运输槽中部的刮板输送机必须匹配采煤机的滑靴和托架底，机尾和机头的输送机要贴合采煤机机尾机头的三角煤特殊割透区域。另外，液压支架和刮板输送机要配合的子系统表现为:液压支架保持同等的溜槽尺寸和中心距。还有液压支架和采煤机要配合的子系统表现为:液压支架保证支撑最大高度大于采煤机采高的最大高度，移架液压支架必须快于牵引采煤机;“三机”移架步距的液压支架需大于截深，并且实现相互协调制约及配合，才能达到最优的系统性能。选择配套设备的型号必须严格按照表2试验设备的基本原则。
表2 综采工作面所用主要设备及其型号表
电液控支架的完整控制系统有红外接收器、电源和驱动器以及耦合器和控制器去实现控制；
视频监控主要的关键设备和工作面综采视频的控制系统是依靠支架姿态以及视频完成的；
不同设备工作面综采传输和控制信号的实现依据的是井下中心集控，实现的是承上启下的连接地面中心集控；
智能手机App矿山终端软件以及Web端都能进行快速便捷的提取远程的可视化信息。
3.1 智能化采煤机
采煤机借用了航天技术的惯导系统后，集控中心可以接收到环网传输的监测数据，综采设备认可的指令动作转换必须利用中央处理器，最终达到一键启停和拉移支架以及推溜精准自动的功能，大大提升管理精度的“三直一平”标准。最终运行姿态的采煤机全部建立在传感器摇臂震动以及摇臂倾角还有电控参数和贯导系统，采煤机割煤截齿记忆的实现是实时监控了负载运输系统和环境因素以及瓦斯浓度，图1能够看到其割煤速度和运行都是经过自行调整适应的[2]。
割煤时的采煤机模式主要是记忆截割，其次才是人工干预，遇到工况比较特殊的情况才需要人工去适度的调节和干预，和采煤机之前老旧的旁站式全程盯防模式完全不一样，大大降低了司机及其他人员的工作量。
3.2 智能化的液压支架
新型智能化液压支架，有很多感应探头：位移传感器能实现推移刮板和护帮推力以及顶板压力监测，另外还有很多红外接收器和压力传感器。
推移配备的液压支架是控制双速的专用阀，它可以把千斤顶进行缓慢移动达到自动移架支架的效果，进一步使间隙销孔消除，完全贴合溜槽的输送刮板机和移动的千斤顶接触，不会出现不充分和不统一的移架距离，推移误差较大一般发生在支架反复多次时，会发生弯曲的工作面。为避免不一致的支撑力，使用了控制双速阀，降低了支架推移不一致长短的现象，尽可能达到平直的工作面。推送现实运用的工作面成果可知，精度大大提升到厘米级，推移输送刮板机提升了不止50%的控制精度。
根据每架，集控中心接收到红外传感器在采煤机液压支架所定位的具体位置数据进行分析，支架模块控制部分进行接收后完成喷雾护帮和推溜移架以及自动跟机的动作。
由于工作面地质不一样，所以补压自动升架这一项目必须根据实际的工作面综采情况，调节升、降液压自动装置的压力，达到调整并升降支架的目的，大大减少人工劳动力，从技术层面去实现无人或少人的采煤状态。
3.3 智能化的输送刮板机
安装在采煤机联动上的感知设备及探头，可以实现输送机判识并分析大数据集控中心，根据液压支架的情况对采煤机判别实时的位置，达到精确控制拉架和推溜的推移智能化状态，帮助工作面采煤实现动作惯导，达到调直高效并有序的综采工作面。
安装在采煤机里的惯性导高精度设备及位置编码器，可以模拟位置曲线，无线基站支架定点上传所得到的惯导信号到集控中心，经计算分析可以得到下一行程的推移顶驱，千斤顶控制刮板输送机工作面推移的溜槽，可以达到直线要求的程度。采面支架联动前需要分析回馈信号，循环推溜移架时随时调整幅度，行程传感器的高精度控制电液系统可以精确控制拉架和推溜，实现调直的工作面要求。
3.4 智能化三机
基于智能化的刮板输送机和液压支架以及采煤机整合的大系统，协调优化并有机地集成了核心功能的调直刮板输送机和割煤记忆采煤机，还有升架补压智能化和移架、跟机自动化的液压支架等互补功能，使工作面综采实现了“智能化三机”替代了“配套三机”的模式。工作人员利用手机APP移动端和Web数据端都可以实现工作面各类综采设备的集控参数查看，实现了工作面综采设备快捷并快速的监控监测云平台远程操作[3]。
运行“智能化三机”的工作面综采期间，达到了整体协调有序的系统状态。工作面综采试验发现，五十五人的总人数替代了一百三十人的员工量，只需十二人即可替代以往二十六人的工作量，超过50%的减员率代表提效减员效果非常明显；
而巡检回风对应系统无需人工，安全地保证了核心特殊区域;大幅减少了刮板输送机和液压支架以及采煤机的工作面综采停产因单机故障或整体系统的发生率，保证7.5～8h的开机单班时间，具备至少93%的开机率，整体上升20%，煤炭产量也具备相同的提升率，保证了稳定可靠的系统状态。
建设智能化煤矿，尤其是智能化煤矿工作面的综采建设，在扩展时要保证从点到面的全方位模式，并保证平稳的推进，实现同步推进软硬件，尤其是提升技术操作人员的基本素质。实现智能化的工作面综采必须提前培训人员并处理检修设备故障，完成治理核心灾害。发展整合智能化系统代替了智能化单机模式，要保证大力发展无人值守和自动控制等技术的提升，才能彻底替换人员值守和手动干预；
大力发展事先预警可以保证安全管理效果，逐步代替事后响应的被动局面；
加强实施AR 现实增强技术和VR 现实虚拟技术，达到智能化的远程维护运行设备，保证平稳的开启智能化综采工作面局面。