摘要：与地下开采相比，露天煤矿具有资源利用充分、回采率高、经济效益好、生产安全等优点。目前国际上露天煤矿开采的比例是50%，而我国只有10%，远低于国际平均水平。这其中一个重要原因就是大型露天装备被国外垄断，制约了我国露天采矿业的发展。与国外同类产品相比，目前国产千万吨级露天煤矿半连续开采成套装备的智能化方面尚有不足，严重限制该套成套装备在国内、国际市场的竞争力。因此，迫切需要研发型露天矿联采成套装备的配套自动化检测、监测、保护和控制系统，研发新一代大型工业装备智能化技术和方法，保障系统运行的可靠性、安全性和高效性。
关键词：智能控制；大型露天矿；半连续开采系统
1概述
在露天煤矿中，开采工艺决定了开采成本，而成套装备是开采工艺实现的前提。目前最先进的开采工艺是以自移式破碎站为核心的半连续开采工艺，其主要工作过程是：电铲或斗轮挖掘机-自移式破碎站-转载机-移置式胶带运输机。该套工艺的综合开采成本仅为传统“单斗-卡车”工艺的20%，且克服了“以油换煤”的重大问题，并因替代卡车简化了生产环节、降低了环境污染。目前该套工艺和成套装备已得到全世界认可，尤其适合我国目前石油资源短缺的情况。目前我国的各大露天煤矿纷纷决定新的项目采用此工艺，因此对于联采成套装备具有重大的需求。由于该套成套装备价值高、利润大，国外公司如德国克虏伯、英国MMD、瑞典山特维克公司等都想进入这个市场。为保证我国露天煤矿装备制造业的发展，避免能源受制于人，我公司经过艰苦努力，自主开发出千万吨级露天煤矿半连续开采成套装备，填补了国内空白。目前国外公司开发的该系统装备与我国同处于成长期，技术成熟度不高。从我国现有的开发基础分析，如果国内有研制实力的设备制造企业及相关专业院、校能及早动手，开展卓有成效的联合攻关，我国完全有条件在这一领域赶超西方国家，尽早开发出国际先进水平的成套装备信息化与智能控制技术，迅速占领国内外市场。采用该成套装备，可节约大量燃油，人力、轮胎消耗，突破目前国内大型露天矿山开采“以油换矿”的瓶颈。改善原有工艺的高成本、高排放的现状，主要设备国产化可大幅度减少设备投资，开发先进的采矿工艺可使我国露天采矿业技术及其成套装备的发展水平步入世界先进行列，无论在技术创新理念，还是经济、社会与环境效益方面都具有重要的现实意义。因此本项目的实施不仅适应我国科技发展和政策精神，也完全符合我国大型露天矿开采智能化的迫切需要。
2装备的智能功能
2.1多台大型装备智能快速准确自动对接功能
自移式破碎站半连续开采系统由单斗挖掘机、自移式破碎站、转载机、带式输送机、等部分组成。工作过程中随着采矿作业的进行需要频繁变动各个设备的工作工位。由于破碎站重量达上千吨且体积庞大，70多米长转载机需要在起伏路面上两端对接破碎站和受料车，加上受到风力和负载扰动及煤粉干扰，对接难度很大。当前国际上只能采用人工对接。本项目研制装备具备多台大型装备智能快速准确自动对接功能，能够大幅度提高对接效率，有效克服如下缺点：第一、生产效率低。以克虏伯为例，其在电铲需要在工作面小范围移动时，自移式破碎站和自移转载机需要人工微调，主要由短距离履带直行和臂架回转来完成，每次对接需要15-20分钟，每小时需要对接一次（小对接）；在采掘面两端需要调转方向及移设后的重新对接，此时需要履带大范围转弯、调整和臂架大幅度回转、俯仰，需6-8个小时（大对接）。这样，仅对接时间就占总工作时间的25%以上。第二、对设备安全有影响。由于露天矿粉尘较大，对接时经常发生电铲与料斗、破碎站与转载机的碰撞，对设备的安全造成影响。第三、夜间无法作业。由于操作者的夜视能力限制，人工对接在夜间难以进行，导致装备不能在夜间工作。为解决该问题，本装备拟采用结构创新+智能对接技术。结构创新主要是对所设计的自移式破碎站和转载机各增加一个回转自由度；智能对接通过差分GPS和UWB元件实现定位。整个对接过程做到快速、准确，能够解决由于露天矿粉尘较大、严重影响传感器精度，无法实现快速对接的难题。
2.2大型装备位姿感知及智能预警功能
千万吨级露天煤矿半连续开采成套装备，尤其是破碎站和转载机体积庞大，工作在起伏不平的工作面上，而且时有转弯运动发生，设备经常保持在倾斜工况下，而且有爬坡、转弯工况。在倾斜面，尤其是侧面倾斜的工作面工作时，此外，露天矿环境风速会超过30m/s。在这些恶劣条件下，装备会有倾翻的危险。采用智能控制结构提高大型装备侧面工作能力和抗风载倾覆能力；配置水平、竖直位置传感器、风速传感器，实时监测自移式破碎站行走姿态和风速、并根据监测信息及时实施装备姿态（自移式破碎站上部机身可以360°回转、排料臂可实现±75°回转）及速度调整、危险姿态数值报警、高危姿态停车以保证设备安全可靠运行。
2.3履带智能调速及动力匹配功能
目前国内外同类装备的关键部机-自移式破碎站和转载机，其行走速度完全靠人工操作，操作者根据行走工况调整履带行走速度，尤其是转弯工况需要双履带分别单独驱动，根据经验实现动力匹配，因此在许多情况下不能达到最佳效果。千万吨级露天煤矿半连续开采成套装备的行进速度较低，针对履带三种典型的转弯情况（原地转弯：一条履带制动，另一条履带前进；滑移转弯：一条履带后退，另一条履带前进；大半径转弯：一条履带前进速度慢，另一条履带前进速度快），可以采用智能控制方法进行调速及动力匹配，达到提高效率、降低能耗的目的。研制履带智能调速及动力匹配系统，针对履带三种典型的转弯情况，通过智能控制算法调整驱动电机转速，保证在转弯效果满足的情况下耗能最小；也可以保证原地转弯时滑移量最小。装备具有自学习功能，可以通过算法学习滑行动计算最佳速度及各驱动电机功率，从而达到行走装置的自动调速及动力匹配。
3结束语
通过本成套装备智能化实施，可提高效率，每套装备每年增加经济效益亿元以上，主要测算依据如下：采用自动准确对接技术，可以大幅节省对接时间，提高总工作效率20以上；而且装备可以在夜间工作。仅按提高工作效率20%计算，年产1000万吨煤的生产线可以多采煤200万吨，按每吨煤增加收益50元计算，可增收1亿元人民币以上；开发出装备重要工作参数的自动测量及感知技术，并实现成套装备工作状态的开放互联，完成套装备的信息整合与深度挖掘，使大型装备智慧化，从而提高企业装备制造水平、应用水平和管理水平，解决安全生产、培训等设备的管、用、养、护等问题。
参考文献
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作者：朱占成 王嘉男 国占一 单位：北方重工集团工程设计研究院有限公司
