0 引言
合理选择智能化综采装备不仅能够保证工作面生产能力，还能大大提高综采装备智能化控制水平。大采高智能化综采装备关键技术的深入研究，不仅是智能化综采装备安全高效运行的保障，更是智能化综采技术常态化应用的关键[1]。陕西黄陵二号煤矿有限公司(以下简称黄陵二号煤矿)针对其厚煤层地质条件，确立了全国产综采装备的设计选型思路，并充分引进国内先进的煤机装备制造工艺和控制技术，在确保整套装备性能的同时，大大提升了综采自动化、智能化控制水平[2]。经过充分调研和实地考察，黄陵二号煤矿配套了ZY10800/28/63D型液压支架、MG900/2210-GWD型电牵引采煤机、SGZ1200/2565型刮板输送机、SZZ1300/525型转载机、PLM4500型破碎机等装备，并实现了可视化远程干预型智能化采煤。为了提高大采高综采工作面智能化整体水平，保障智能化综采技术的常态化稳定运行，需重点研究采煤机、液压支架、视频系统等关键装备和技术[3]。
1 采煤机关键技术
在可视化远程干预型智能化采煤过程中，采煤机通过自动记忆截割+人工远程控制方式实现智能割煤、装煤[4]。目前自动记忆截割和远程控制技术均已成熟、稳定，研究重点是如何保证采煤机自动记忆截割的精度、提高设备可靠性[5]。对于黄陵二号煤矿大采高综采工作面地质条件，还需加强对采煤机割煤过程中主动防尘技术的研究，进一步保障视频可视化效果。
1.1 精准调高传感器
采高精准监测是实现采煤机自动记忆截割的基础。为了提高采煤机智能化割煤精度，采用高精度位移型液压油缸作为精准调高传感器。其采高监测误差为±2.5 cm，采高记忆曲线位置分辨力达10 cm[6]。位移型液压油缸通过安设在调高油缸内的位移传感器实时监测调高油缸的伸缩长度，并通过三角模型自动推算出采煤机截割高度。传感器数据通过从油缸内腔引出的信号线传输至采煤机监控系统。
1.2 装备可靠性
1.2.1 机械和液压系统可靠性
在机械可靠性方面，对采煤机壳体、齿轮等关键材料进行微合金化改良，提升了机械强度和综合力学性能；齿轨轮渗碳层厚度增加至7 mm以上，提高了关键零部件的耐磨性；连接架与摇臂采用超级螺母连接，提高了使用过程中摇臂的稳定性。另外，增加了位移型液压油缸旁通泄油功能，在因摇臂割顶或割底等工况导致油缸压力过大时旁通泄油，从而使位移型液压油缸和采煤机结构件免遭破坏。
在液压系统可靠性方面，采用高集成度五联电磁比例换向阀，增大泵箱容积，设置隔离板，重排液压管路走向，优化了液压系统布置，提高了液压系统可靠性和稳定性。
1.2.2 精准调高传感器保护装置
精准调高传感器的信号线及接头长期裸露在采煤机机身外，极易被煤块压砸和煤泥挤压，造成接头拉脱和线缆拉断，降低了数据传输的稳定性，影响采煤机自动记忆截割。
根据现场实际情况，设计了精准调高传感器保护装置，如图1所示。该装置是在调高油缸上焊接挡煤板和快插接头，采用高压胶管将信号线从中引出，从而保护传感器信号线。
图1 精准调高传感器保护装置
Fig.1 Protection equipment of precise height sensor
1.2.3 采煤机CAN总线通信隔离
为了实现采煤机位置监测、滚筒自动调高、三维自动割煤等功能，采煤机监控系统采用了电流、电压、水流量、液位、压力、位移、角度、位置等传感器。这些传感器大多采用CAN通信方式将采集数据传输至上位机控制器。传感器分别安装在电控箱内部或外部，构成了特殊的采煤机CAN总线通信结构。连接通信接口时，必须坚持“本安(本质安全)对本安、非本安对非本安”的原则，否则接口之间会存在电磁干扰，影响设备安全运行。然而，矿用传感器多为本安接口，控制设备多为非本安接口。当需要本安接口与非本安接口连接时，必须经过信号电气隔离处理。因此设计了CAN总线隔离器，实现本安型传感器和非本安型控制设备连接，提高了CAN总线通信的抗干扰能力[7]。
1.2.4 采煤机远程启停控制
大采高综采工作面生产时容易出现煤壁片帮，现场人员一般站在支架内部进行巡检作业。每次启停作业时，现场人员必须走到采煤机前操作，工作流程复杂，且危险性较大。针对该问题，采取远程先导和普通先导双回路互锁远程启停控制策略，在保证设备和人员安全的情况下，实现采煤机远程启停控制功能[8]，具体原理如图2所示。
图2 采煤机远程启停控制原理
Fig.2 Remote start-stop control principle of shearer
(1) 采煤机需要远程启动时，将采煤机远程监控箱上的“修改允许”按钮向左旋转，2 s后旋至中位，此时采煤机远程监控主机100.02端口输出，使得继电器K1得电(持续6 s)，K1常开节点闭合，使得采煤机远程先导回路导通，采煤机得电。采煤机自保继电器K3得电，K3常开节点使得采煤机普通先导回路导通。6 s后，采煤机远程监控主机100.02端口停止输出，使得K1断电，采煤机远程先导回路断开，而采煤机因普通先导回路导通而继续得电。
(2) 采煤机需要远程停止时，将采煤机远程监控箱上的“总停”按钮向左旋转，采煤机远程监控主机100.03端口输出(持续5 s)，使得远程断电继电器K2得电，K2常闭辅助节点使得采煤机普通先导回路断开，采煤机断电。5 s后采煤机远程监控主机100.03端口停止输出，使K2断电。
(3) 紧急情况下，可将采煤机机载监控箱或远程监控箱上的“急停”按钮按下，使采煤机先导回路断开，采煤机断电。
1.3 外喷雾装置
综采工作面煤尘主要在滚筒破煤、滚筒装煤及拉架过程中产生。大采高综采工作面因破煤面积和扬尘高度大，普遍存在煤尘过大现象，不仅危害现场作业人员的身体健康，还降低了跟机视频的清晰度，导致监控员无法通过监控视频看清现场情况，增加了远程控制难度，影响智能化开采连续作业[9]。通过分析综采工作面煤尘产生原因，采用采煤机外喷雾装置进行降尘。该喷雾装置由喷雾模块、喷雾泵和高压供液管路组成。喷雾泵选用0～17 MPa可调高压泵，确保源动力充足；高压供液管路采用φ25 mm→φ19 mm→φ16 mm的不断变径处理，确保喷雾末端的压力始终达12 MPa以上。通过采用高雾化效果喷嘴和调整采煤机摇臂上下侧喷雾模块角度等措施，形成立体式环抱空间降尘，有效降低了煤尘。采煤机外喷雾装置使用前后对比如图3所示。
图3 采煤机外喷雾装置使用前后比对
Fig.3 Comparison before and after applying outer spraying equipment of shearer
2 液压支架关键技术
在基于可视化远程干预型智能化采煤过程中，液压支架通过自动跟机拉架、推溜+人工远程控制方式及时支护裸露顶板和推移刮板输送机。目前电液控制和远程控制技术均已成熟，且已在薄及中厚煤层实现了常态化运行。但大采高综采工作面液压支架自动跟机作业存在护帮板精准控制、自适应控制、直线度控制难度均较大等问题[10]，应重点加强高精度传感器和液压支架推溜控制等方面的研究。
2.1 高精度传感器
为了实现大采高工作面煤帮与液压支架护帮板的自适应控制，一般选择控制一级护帮板，二级护帮板通过双向联动液压锁实现自适应联动控制，从而保证割煤过程中煤壁能够得到及时支撑。因此，实现液压支架护帮板自适应控制的关键是精准控制一级护帮板。黄陵二号煤矿设计大采高液压支架时，通过选用高精度、高可靠性的压力传感器和行程传感器来进一步保障护帮板精准控制。
(1) 采用微熔压力传感器。该传感器外形尺寸为φ30 mm×144 mm，供电电压为DC12 V，工作电流不大于25 mA，测量范围为0～60 MPa，输出信号为DC0.78～4.94 V，输出基本误差不大于0.6 MPa。压力传感器安装如图4所示。
图4 压力传感器安装
Fig.4 Pressure sensor installation
(2) 采用磁致伸缩行程传感器。该传感器利用铁磁材料的磁致伸缩原理，通过检测磁致伸缩线的形变位置来确定传感器行程，实现千斤顶活塞杆行程测量。
磁致伸缩行程传感器结构如图5所示。与传统干簧管行程传感器相比，该传感器内部元器件大大减少，且没有干簧管等易碎器件，可靠性明显提升。
图5 磁致伸缩行程传感器结构
Fig.5 Structure of magnetostrictive travel sensor
磁致伸缩行程传感器工作电压为DC11.4～12.6 V，工作电流不大于20 mA，输出范围为0.5～4.5 V，测量行程为0～1 200 mm，非线性误差小于±0.1%FS或±1 mm(以较大者为准)，分辨率小于1 mm，防护等级为IP67。
2.2 液压支架推溜控制
液压支架通过电液控制系统实现自动跟机拉架作业。在移架过程中，移架拉力作用于中部槽上，中部槽可能被拽向液压支架侧，使相邻的已完成移架动作的液压支架与刮板输送机连接处销耳间隙发生位移，造成下一循环的移架距离发生变化。完成数个移架循环后，该位移累积变得明显，导致自动跟机作业很难保证液压支架直线度。因此，设计了液压精确控制推移阀，通过逻辑控制(液压)实现千斤顶慢速/快速动作切换，并依托液压支架电液控制系统实现推移阀软件控制功能。自动移架结束后，通过慢速推移千斤顶消除液压支架与刮板输送机连接处销耳间隙[11-12]，使液压支架与刮板输送机充分接触受力，避免移架时刮板输送机中部槽被拽回，将液压支架推溜控制精度提高40%以上[13]。液压精确控制推移阀安装方式及工作流程如图6所示。
3 视频系统关键技术
大采高综采工作面如何实现对关键设备和关键部位的无盲区视频监控，是制约大采高综采工作面智能化开采常态化运行的主要问题[14]。大采高综采工作面视频系统的研究重点是高性能广角摄像仪和多角度调节安装架。
3.1 高性能广角摄像仪
针对黄陵二号煤矿大采高智能化开采项目，选用广角、自动旋转的云台摄像仪，主要技术参数见表1。其较普通摄像仪的视频监视范围提高了20%。
(a) 安装方式
(b) 工作流程
图6 液压精确控制推移阀安装方式及工作流程
Fig.6 Installation mode and working flow of hydraulic precise control push valve
表1 云台摄像仪主要技术参数
Table 1 Main technical parameters of PTZ camera
3.2 多角度调节安装架
根据现场情况，设计加工了专用多角度调节安装架，如图7所示。该安装架采用大钢管内镶小钢管方式垂直于液压支架顶梁布置，实现了摄像仪水平方向自由调节；通过在大钢管上均匀布置固定螺丝孔对内镶小钢管进行上下调节，实现了摄像仪垂直方向高度调节。采用上述措施后，视频监视画面的实用性和可靠性大大提高。
图7 摄像仪多角度调节安装架
Fig.7 Multi-angle adjustable mounting frame for camera
4 结语
以提高大采高综采工作面综采装备智能化控制应用水平为目标，研究了采煤机、液压支架、视频系统等大采高智能化综采关键装备及关键技术，创新应用高精度传感器、专用保护装置、精准控制方式等，不断提升大采高智能化综采装备的可靠性和监控精准度，为智能化综采技术常态化运行奠定了基础。
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