機電自動化技術(shù)在煤礦掘進(jìn)工作的應(yīng)用論文

　　【摘要】煤炭開采行業(yè)對于我國經(jīng)濟社會的發(fā)展起到了重要的推動作用，那么如何在掘進(jìn)工作面中，合理應(yīng)用我國引進(jìn)的先進(jìn)技術(shù)，成為相關(guān)技術(shù)人員以及企業(yè)的關(guān)注焦點。本文主要闡述了我國煤炭行業(yè)的現(xiàn)狀、煤炭掘進(jìn)面機電自動化技術(shù)，以及機電自動化技術(shù)在煤炭掘進(jìn)工作面的具體應(yīng)用，以供技術(shù)參考。

　　【關(guān)鍵詞】煤炭；機電自動化技術(shù)；煤炭掘進(jìn)面

　　近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，煤炭開采技術(shù)也得到了極大的發(fā)展，特別是煤體開采的自動化水平顯著提高。但是我國煤炭的綜合掘進(jìn)工作面技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)要落后于綜合開采工作面的技術(shù)，這大大影響了煤礦的整體工作效率。此外，我國煤礦生產(chǎn)過程的環(huán)境比較惡劣，時常發(fā)生安全事故。而機電自動化技術(shù)應(yīng)用在煤礦生產(chǎn)過程中，能極大地提高煤礦生產(chǎn)效率和生產(chǎn)安全，所以必須加大對綜掘工作面自動化技術(shù)的研究，從而促進(jìn)綜掘工作面向安全、高效方向發(fā)展。

　　1、煤礦掘進(jìn)工作面自動化系統(tǒng)

　　目前我國煤礦開采已經(jīng)進(jìn)入到深井作業(yè)，煤礦掘進(jìn)工作中需要使用大量的生產(chǎn)設(shè)備，但是這些生產(chǎn)設(shè)備對生產(chǎn)環(huán)境要求很高，如果環(huán)境沒有達(dá)到生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)，那么就會影響設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)。自動化技術(shù)應(yīng)用在煤礦掘進(jìn)工作面中，可以準(zhǔn)確的測量出掘進(jìn)工作中的各項參數(shù)，從而形成掘進(jìn)自動運轉(zhuǎn)。在煤礦生產(chǎn)過程中，掘進(jìn)面是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，想要實現(xiàn)掘進(jìn)自動化生產(chǎn)，則必須將煤巷看成一個整體，將煤巷掘進(jìn)當(dāng)作一個控制的對象，它的輸出是根據(jù)斷面的要求成形的原煤和煤巷，煤壁當(dāng)成一個目標(biāo)。同時還要考慮到煤礦生產(chǎn)當(dāng)中的一些信號，這些信號有可控的也有不可控的，而這些信號又關(guān)系到煤礦的通風(fēng)、排水、運輸、瓦斯監(jiān)控等等。

　　1.1自動化系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。我國煤礦資源豐富多樣，且地質(zhì)條件相對復(fù)雜，煤層深處最淺不足一米，最深長達(dá)幾十米，煤礦掘進(jìn)主要采用的是單巷掘進(jìn)模式。在煤礦的煤層厚度處于零點幾米到幾十米之間的范圍內(nèi)，相關(guān)煤礦的巷道主要是以單巷進(jìn)尺應(yīng)用技術(shù)。那么，我國煤礦當(dāng)前使用的綜合機器如轉(zhuǎn)載機、懸臂式掘進(jìn)機、通風(fēng)除塵機等，于這類先進(jìn)化配備而言，懸臂式掘進(jìn)機是重要配備機器之一，其工作任務(wù)主要是對于掘進(jìn)作業(yè)面施行采煤、割煤以及裝煤。因此，為促進(jìn)煤巷掘進(jìn)工作面智能化技術(shù)的發(fā)展，務(wù)必對掘進(jìn)工作面進(jìn)行智能化的探究，并需以煤巷懸臂式掘進(jìn)機為主。煤礦生產(chǎn)環(huán)境惡劣，自動化技術(shù)的應(yīng)用對于煤礦的生產(chǎn)至關(guān)重要，能夠改變傳統(tǒng)的工作模式，提高生產(chǎn)效率，提高經(jīng)濟效益。

　　1.2自動化系統(tǒng)模型。根據(jù)上述自動化技術(shù)應(yīng)用范圍的探析可明確，自動化系統(tǒng)的構(gòu)建需要解決以下問題：一是確保掘進(jìn)與支護(hù)操作的自動化、平行化，確保兩者可同步進(jìn)行；二是確保質(zhì)料輸送與原煤的持續(xù)自動化同步進(jìn)行；三是確保安全系統(tǒng)的自動化。同時滿足這些條件，才能夠確保自動化系統(tǒng)的完美配合，使得整個系統(tǒng)高效運行，提高生產(chǎn)效率。那么我們也需要開展創(chuàng)新技術(shù)，通過系統(tǒng)模型來實現(xiàn)掘進(jìn)工作面自動化控制系統(tǒng)。采用系統(tǒng)模型能有效促進(jìn)自動控制程序的各個部分在工藝、構(gòu)造等環(huán)節(jié)均可互相合作，相輔相成，在性能中的運用也可以起到推動的作用。和諧配合，最終促使全部控制系統(tǒng)可以達(dá)到高效性。穩(wěn)定性的運轉(zhuǎn)，但是要想完成掘進(jìn)工作面自動控制系統(tǒng)，就要使技藝一直改革，同時也要把各個方面的技藝融合在一塊。

　　2、機電自動化技術(shù)在煤礦掘進(jìn)工作面中的應(yīng)用

　　煤炭掘進(jìn)工作面自動化系統(tǒng)主要包括高效生產(chǎn)和安全生產(chǎn)兩個方面。其中高效生產(chǎn)主要是依靠掘錨機組的運輸自動化和集成系統(tǒng)等問題，安全生產(chǎn)則是利用掘進(jìn)工作面自動化技術(shù)工作時產(chǎn)生的振動、粉塵、瓦斯、通風(fēng)等問題。

　　2.1巖層識別技術(shù)。巖層的識別直接影響煤礦開采的效率，而采煤掘進(jìn)機截割負(fù)荷大小的差異直接影響煤層和巖層硬度識別能力，具體體現(xiàn)在掘進(jìn)機截割作業(yè)的運行速度上。當(dāng)掘進(jìn)機對煤層和巖層進(jìn)行截割的時候，截割電流、油缸旋轉(zhuǎn)和升降壓力的變化都會影響從而影響對煤層和巖層的識別，掘進(jìn)機對巖層和煤層的識別功能通過同一巷道截割不同參數(shù)從而對煤層和巖層界面進(jìn)行判斷，在掘進(jìn)機截割中，頂板和底板會依據(jù)巖、煤層的參數(shù)對其加以識別。比如當(dāng)掘進(jìn)機沿著底板進(jìn)行截割時，若截割的軌跡在底板以上形成，在其遇到巖石后可以判斷為夾矸，此種情況下作業(yè)員只要通過調(diào)節(jié)電磁比例閥就會繼續(xù)進(jìn)行截割；如果在截割底板下面遇到巖石則可以判斷為底板，可以通過天宮截割頭進(jìn)行作業(yè)，直到發(fā)現(xiàn)煤層為止。

　　2.2自動截割技術(shù)。采煤掘進(jìn)機在作業(yè)時，自動截割技術(shù)與數(shù)控加工技術(shù)、傳感器技術(shù)、運動控制技術(shù)等結(jié)合起來，可以實時獲取截割頭空間位置坐標(biāo)、截割軌跡和導(dǎo)航，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)信息調(diào)整掘進(jìn)機作業(yè)。掘進(jìn)機在巷道作業(yè)時的狀態(tài)分為偏心和對心兩種，掘進(jìn)機處于對心作業(yè)，只要按照正常的操作流程進(jìn)行操作就可以了，如果掘進(jìn)機在作業(yè)時受到不平衡傾覆力的作用，位置可能會偏離，會產(chǎn)生很大的噪音和振動現(xiàn)象。因此遇到這樣的情況，必須合理設(shè)置截割面的參數(shù)和軌跡，確保截割頭按照作業(yè)預(yù)設(shè)的要求進(jìn)行作業(yè)，然后為了提高作業(yè)的精準(zhǔn)度，再按照DSP運動控制器進(jìn)行閉環(huán)控制。比如想要確定截割面的尺寸大小，則要根據(jù)截割范圍，也就是回轉(zhuǎn)臺中心的切削球面在巷道橫斷面形成的圓形投影，截割的范圍必須在這個圓形投影內(nèi)。

　　2.3自動監(jiān)控技術(shù)。煤礦是高位行業(yè)，所以對煤礦采掘面的全面監(jiān)控很有必要。由于目前大多數(shù)礦井基本都是深井作業(yè)，礦井的深度一般在500~1000米，礦井作業(yè)的工作環(huán)境十分復(fù)雜，可能會出現(xiàn)各種情況，為了保證確保生產(chǎn)的安全，因此會對礦井進(jìn)行監(jiān)控�，F(xiàn)代煤礦監(jiān)控內(nèi)容十分豐富，有井下作業(yè)人員定位跟蹤、井下安全監(jiān)控、井下通信系統(tǒng)、電網(wǎng)監(jiān)控、工業(yè)電視等內(nèi)容。為及時了解采煤掘進(jìn)面的工作情況，比如掘進(jìn)的速度、空隙水的壓力等情況，必須對采煤掘進(jìn)面安裝監(jiān)控設(shè)備，監(jiān)控設(shè)備會將信息及時傳入到礦井的信息控制中心，然后工作人員根據(jù)采掘面的運行環(huán)境，做出相應(yīng)的決策，如果工作環(huán)境不適合繼續(xù)作業(yè)，那么信息中心的工作人員可以立即通知采掘面的作業(yè)人員，及時撤離，從而避免安全事故的發(fā)生。掘進(jìn)面的自動監(jiān)控技術(shù)是通過組態(tài)軟件實現(xiàn)的[1]，而組態(tài)軟件是上位機采集可編程的控制器數(shù)據(jù)信息，從而進(jìn)行有效的監(jiān)控。它的主要功能是對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、整理、參數(shù)顯示等。上位機是采用個人計算機實現(xiàn)的，而下位機則是由現(xiàn)場從基站和PLC控制系統(tǒng)組成，然后利用計算機軟件實現(xiàn)人機互動，從而達(dá)到監(jiān)控的功能。

　　2.4掘錨一體化技術(shù)。礦井掘進(jìn)作業(yè)時，一般會搭建臨時支護(hù)設(shè)施，傳統(tǒng)的支護(hù)按照“一掘一支”的原則，也就是掘進(jìn)和支護(hù)分開作業(yè)，這樣大大影響了作業(yè)的效率，因此礦工的工作時間長、勞動強度大，很容易產(chǎn)生疲勞，從而影響到作業(yè)安全。近年來，隨著煤礦產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，為了提高綜掘的工作效率，對掘進(jìn)技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，在掘進(jìn)機的上方安裝配套的錨護(hù)裝置，掘進(jìn)機在不退機的情況下，也能完成頂幫錨桿支護(hù)[2]。這種配套的錨護(hù)裝置由升降油缸、頂架、伸縮油缸、換向閥、管理和分流集閥等組成。其工作的原理是根據(jù)掘進(jìn)機自身液壓系統(tǒng)液壓閥切換到掘進(jìn)作業(yè)的油路，從而實現(xiàn)頂幫錨桿支護(hù)。而且這種支護(hù)在操作的時候，不會影響掘進(jìn)的掘進(jìn)作業(yè)，切換比較方便。

　　2.5掘進(jìn)機自動糾偏技術(shù)。當(dāng)掘進(jìn)在運行過程中要完成截割落煤、裝煤和運煤整個工作流程，然后到下一個截割工作流程中，為了保證掘進(jìn)機在作業(yè)時，始終沿著巷道的中心線前進(jìn)，而不發(fā)生偏移，在掘進(jìn)機進(jìn)行下一個掘進(jìn)工作任務(wù)時，必須對其進(jìn)行自動糾偏操作。掘進(jìn)機是否能滿足自動糾偏的功能，就要從它的位置和方向加以判斷[3]。三維電子羅盤儀是判斷掘進(jìn)機方向的主要元件之一，它主要是根據(jù)正北方向和掘進(jìn)機掘進(jìn)方向的夾角，從而判斷出掘進(jìn)機巷道中心線和掘進(jìn)機中性線的角度偏差，在此基礎(chǔ)上通過激光梁川：機電自動化技術(shù)在煤礦掘進(jìn)工作面中的應(yīng)用指示儀對方向進(jìn)行指正，從而起到控制掘進(jìn)機掘進(jìn)方向的作用。掘進(jìn)機巷道中心線和掘進(jìn)機掘進(jìn)中性線偏離的位置通常采用超聲波測距傳感器電子元件判斷，該元件通常在設(shè)備的左右兩邊設(shè)置，分別設(shè)置2~3個，通過超聲波回聲測距和精確測量時差就能對傳感器和掘進(jìn)目標(biāo)之間的距離進(jìn)行準(zhǔn)確判定，再利用二軸傾角傳感器檢測水平面和機身俯仰角是否沿著預(yù)設(shè)的位置掘進(jìn)。還可以通過比例電磁閥、行走馬達(dá)和PLVC單元調(diào)整掘進(jìn)機掘進(jìn)的位置和方向。

　　2.6通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)。礦井通風(fēng)情況直接影響礦井的正常運行，當(dāng)?shù)V井通風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)問題，系統(tǒng)無法及時排出瓦斯，導(dǎo)致礦井瓦斯?jié)舛仍黾�，很容易引起瓦斯爆炸，因此掘進(jìn)工作面的通風(fēng)系統(tǒng)非常重要。利用通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)，可以及時了解地面的通風(fēng)情況，因此在掘進(jìn)工作時，需要利用自動化控制技術(shù)實現(xiàn)對其的監(jiān)控。監(jiān)控系統(tǒng)由終端設(shè)備、智能通風(fēng)控制站、地面集控中心三個部分組成。其中地面集控中心是整個控制系統(tǒng)的核心部分，它的功能是處理和分析掘進(jìn)面通風(fēng)設(shè)備檢測數(shù)據(jù)信息，并將通風(fēng)設(shè)備運行情況、通風(fēng)量、瓦斯?jié)舛鹊刃畔�顯示在監(jiān)控系統(tǒng)的屏幕上。智能通風(fēng)控制站由PLC控制器、光纖交換機、隔爆光端機等組成，能夠?qū)ΡO(jiān)控設(shè)備采集、通信等技術(shù)進(jìn)行控制。終端設(shè)備主要用于通風(fēng)系統(tǒng)的電流、電壓以及采集掘進(jìn)工作面的溫度、風(fēng)速、風(fēng)量、瓦斯?jié)舛鹊刃畔�，然后通過智能通風(fēng)控制站對通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行控制。

　　2.7掘進(jìn)工作面的運輸自動化技術(shù)。隨著煤礦行業(yè)的發(fā)展，井下作業(yè)對運輸?shù)囊�求越來越高，巷道維護(hù)的工作量也越來越大，所以實現(xiàn)運輸自動化很有必要。掘進(jìn)工作面的運輸自動化技術(shù)主要是通過其控制室對輸送機進(jìn)行集中控制，控制器對帶式輸送機點擊開關(guān)、掘進(jìn)機狀況、除塵風(fēng)機開關(guān)等機械連鎖控制。設(shè)備采集終端對輸送機機尾、堆煤、電機電流、速度、溫度等數(shù)據(jù)信息，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障，控制器會自動可以實現(xiàn)緊急電話通知、叫急叫停等控制功能，從而實現(xiàn)運輸自動化[4]。

　　2.8自動探水技術(shù)。礦井在深井作業(yè)時，在挖掘的過程中，可能會遇到斷層、裂縫等情況，造成大量的地下水涌入工作面，影響到采掘工作的正常運轉(zhuǎn)。所以在掘進(jìn)前，必須對掘進(jìn)工作面進(jìn)行探測，是否存在斷層，是否有大量的地下水，根據(jù)探測的結(jié)果，設(shè)置掘進(jìn)的面積和范圍。因此在掘進(jìn)機安裝激光追蹤儀，在距離掘進(jìn)機有一定距離的支架上安裝3D傳感器，或者在控制柜內(nèi)安裝PLC控制系統(tǒng)，當(dāng)掘進(jìn)機作業(yè)時，根據(jù)探測機與探水的安全作業(yè)距離達(dá)到了預(yù)設(shè)范圍，掘進(jìn)機能自動停止作業(yè)[5]。煤礦生產(chǎn)需要大量的機電設(shè)備，自動化技術(shù)在煤礦生產(chǎn)中應(yīng)用的范圍也越來越廣，機電自動化技術(shù)已經(jīng)成為了現(xiàn)代煤礦企業(yè)生產(chǎn)中重要的組成部分。但是我國的煤礦自動化水平還需要進(jìn)一步提高，因此還需要煤礦設(shè)備制造商、煤礦開采工藝設(shè)計、計算機以及信息技術(shù)的相關(guān)人員通力配合，開發(fā)出質(zhì)量更好、靈敏度更高的自動化采煤設(shè)備，從而不斷提高我國煤礦掘進(jìn)工作面的自動化水平，提高我國煤礦企業(yè)生產(chǎn)效率，促進(jìn)我國煤礦工業(yè)的高效、安全發(fā)展。

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