国家能源集团榆家梁煤矿：采煤工作面无人化生产控制

中国煤炭工业协会

采煤工作面无人化生产控制

国家能源集团榆家梁煤矿

一 、场景描述

采煤工作面是煤矿生产的最前线，其作业环境恶劣，人员需承受高强度劳动，且存在诸多安全隐患。此外，由于地质条件复杂多变，当前针对这类复杂工作面的技术仍存在一定的局限性。 因此，为了推动工作面实现无人常态化生产的目标，需要进一步研发无人化采煤控制技术。

二、解决方案

以往液压支架电液控制系统总线存在偶发性中断情况，导致中断后支架控制器无法上传数据，且无法接收到下发的采煤机位置数据，导致液压支架无法正常运行。榆家梁煤矿采取创新自动化采煤控制方法来解决装备群复杂工序协同自动控制难题。

1. 采煤工艺驱动引擎主从调度控制方法

现有生产系统以单机设备控制为主，采煤机与液压支架弱相关，煤机位置是唯一相关变量，而在实际生产过程中，二者应该严格按照采煤工艺需求协同控制。为此，创新提出了基于“1套采煤工艺、2道控制工序、3项控制参量”的综采工作面采煤工艺驱动引擎主从调度控制方法。其中，“1套工艺”是生产过程中可以根据数据实时动态编辑的数字化采煤机工艺；“2道工序” 是指协同控制的采煤机割煤工序和液压支架支护工序； “3项控制参量”是工作面生产过程煤层顶、底板截割高度控制量、工作面推进量。通过该创新方法，实现综采关键设备采煤机和液压支架的协同全自动控制，为无人化采煤奠定核心基础。

图 1 主从调度控制技术的3项控制参量示意

为了便于工程应用，开发了采煤工艺驱动引擎软件平台，通过图像化界面可灵活编辑采煤工艺，支持现场工程人员实时修改； 并由采煤工艺驱动引擎在线调用执行自动化控制工序，实现采煤机与液压支架联动调度，由此解决了煤炭开采过程无法及时调整采煤工序，需要依赖生产人员就地操控设备的问题。并且相较于传统代码化开发，这种方式大幅提升了工艺程序开发效率。

2. 采煤机直接智能控制技术

目前，由于煤岩分界技术的成熟度不足，且精细化探测煤层赋存所需的工程成本高昂，使得依据地质赋存信息来指导采煤机进行自动化、精准化截割作业的技术方案尚未达到工程化应用水平。因此，在现有的传统生产模式下，采煤机系统通常是独立运行的，缺乏自适应煤层变化的能力。为了克服这种采煤机固化、死板的工作模式，提出采煤机直接智能控制技术，即基于采煤工艺驱动引擎，突破传统采煤机设备单机自主控制模式，实现采煤机截割工序(牵引方向、加减速)控制、滚筒采高(滚筒升、降) 控制。同时，依据预先规划的割煤工序、截割模板进行全工作面割煤作业，实现截割工序、滚筒采高的100%自动化调节控制， 大幅提升系统自动化控制适应性。图2为实际生产过程，应用采煤机直接自适应控制技术后监控页面展示当前采煤机左右滚筒的规划截割高度目标与实际采高。

图 2 采煤机自适应控制滚筒高度标识

3. 液压支架主从调度控制技术

在当前的支架跟机工作模式中，控制程序被固化在控制器内部，一旦部署完成，程序便无法进行修改。如果现场出现了新的工艺需求，就需要重新开发并部署新的程序。此外，该模式下的支架系统仅根据预先设定的程序指令执行操作，无法验证设备动作是否真正执行到位，同时也缺乏针对异常状态的有效补救措施。 因此，为了提高支架系统程序的自适应性，提出液压支架主从调度控制技术，由采煤工艺驱动引擎作为决策中心，依据预设采煤工艺文件调度支架电液控制执行单元自动移架、自动推溜等任务。 同时结合支架动作反馈结果及工况状态，优化支架控制工序。这样，可以实现支架在全工作面自动化控制过程中自主调节能力的显著提升。

图 3 支架动作反馈优化过程示意

4. 液压支架推进度连续动态调控技术方案

为保障实现工作面连续推进状态可控，需要综合考虑工作面刮板运输机直线度状态、上窜下滑状态和工作面整体推进伪斜状态，并进行综合调控。针对此情况，通过构建液压支架推进度散点模型，融合两巷伪斜量、运输机上窜下滑状态量、工作面直线度数据的动态调控需求。在此基础上，对每个割煤循环中综采工作面的液压支架推进控制量进行定量分析，以确定液压支架的推进控制行程目标。随后，每台液压支架根据接收到的行程目标设定值执行移架控制。通过这种方式，实现了对液压支架群组推进状态的整体调控，从而确保了工作面连续推进过程的有效控制。下图4中左上标识了工作面直线度情况及各变量定义，右上展示了工作面直线度控制过程中算法计算得到找直的目标线以及各 支架距离目标找直线的距离，左下为找直过程兼顾调伪斜功能， 右下为程序下发支架推进度量到控制器过程。

图 4 支架直线度与伪斜调控过程

三 、应用效果

通过梳理无人化采煤关键技术难题，突破了行业原有的“井 下自动化开采、有人巡视、远程监控”的开采模式，创新实践了 新一代智能无人化采煤控制技术方法，实现井上调度决策工作面 采煤工艺，井下设备依据控制决策自动执行的“地面规划采煤、 井下自动执行、面内无人作业”的智能无人开采新模式。实现了 生产班采煤期间无人员进入采煤机、刮板输送机及液压支架联合 作业区并常态化稳定连续运行15个多月，且新模式下生产效率 相比传统生产模式提高20%以上。通过长期地面连续采煤实践已充分验证了该新模式的可行性、可推广性。该模式的成功应用不 仅对煤炭行业无人化智能开采控制技术发展具有非常重大意义， 还为示范项目带来了较好的经济与社会效益。

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