煤矿机电装备智能测控虚拟仿真实验

实验指导书

 

 

 

 

 

 

 

学校：西安科技大学

日期：2020年5月

 

 

内容简介

 

本虚拟仿真实验课程针对煤矿井下复杂环境的采掘工作面机电装备智能测控过程，按照“学生中心、问题导向”的教学理念进行实验设计，主要包含漫游认知和智能测控2个模块，其中漫游认知模块按照1：1还原煤矿主体实验室场景与装备，学生通过该模块学习煤矿井下环境及采掘成套机电装备基本知识。智能测控模块，学生根据自动采掘工艺流程，可以开展综掘工作面自动截割过程虚拟智能测控和综采工作面自动采煤过程虚拟智能测控实验。本实验指导书可作为《煤矿机电装备智能测控虚拟仿真实验》实验指导教师用书，以及学生开展实验的任务书。

 

 

 

 

 

 

 

模块一：漫游认知

一、实验目的

通过课前预习与漫游认知虚拟实验模块，使学生掌握煤矿自动化采掘工艺、煤矿机电装备自动控制理论知识、采掘运装备协同控制理论知识、采掘工作面装备自动开采工艺流程。

二、实验任务

虚拟仿真实验模拟西安科技大学煤矿主体实验室构建了完整综采工作面设备及场景、掘进工作面设备及场景、掘锚一体机工作面设备及场景。学生可以在多个场景进行自由漫游，通过键盘与鼠标与所有虚拟设备热点进行交互，通过文字与动画了解设备基本功能与控制原理，记录和了解煤矿采掘设备工作原理以及智能化开采过程。

三、实验原理

（1）煤矿采、支、运装备及相关生产自动开采原理

综采工作面主要由采煤机、可弯曲刮板输送机、液压支架、转载机、破碎机、可升缩缩带式输送机、液压泵等设备组成。采煤设备是一种集机械、电气、液压于一体的综合大型装备，承担着截煤和装煤两项任务，是煤矿现代化生产作业的重要设备之一。采煤设备分为采煤机和刨煤机两大类，目前应用最广泛的采煤机械是双滚筒采煤机。综采工作面的配套设备通常由双滚筒采煤机、可弯曲刮板输送机及液压支架等主要设备组成。用液压支架支护顶板，实现了支护、移架及推移输送机过程的机械化。采出的煤经转载机及可伸缩胶带输送机运到采区煤仓。

（2）煤矿掘、支、运装备及相关生产原理

综合机械化掘进由悬臂式掘进机、转载机、单体锚杆钻机、通风除尘设备及供电系统等设备组成。悬臂式掘进机是煤巷综合机械化掘进的关键设备，掘进机的性能对于提高掘进工效和掘进进尺具有重要作用。根据巷道形状和参数以及巷道地质条件，确定掘进机截割工艺路径，常见截割工艺有以下三种方式，分别为矩形断面，梯形断面以及半圆拱形断面，掘进机操作人员根据巷道施工工艺进行选择，并且确定进刀方式，在按照轨迹完成掘进作业后，进行刷帮扫底工作，保证掘进断面的施工要求。在完成断面截割控制后，使用锚杆钻机等设备进行支护作业，完成巷道掘进任务。

四、实验步骤

（1）课前学习：在完成网站系统登录后，点击进入煤矿机电装备智能测控虚拟仿真实验，进行操作手册与视频学习。如图4-1所示，通过视频与手册学习使学生了解虚拟实验操作方法与操作流程，使学生对实验过程进行初步了解。

图4-1 实验操作视频学习

（2）课前理论知识测试：完成操作视频学习后，点击进入下一步课前基础理论知识测试，从系统题库中随机抽取20道测试题，如图4-2所示，题目包含各类煤矿机电设备结构功能，工作原理，生产工艺等，分为单选、多选两种类型，对学生煤矿机电设备基础理论知识进行考核，测试通过后进入漫游认知模块。

 

图4-2 基础理论知识测试界面

（3）煤矿井下环境漫游认识：进入漫游认知模块程序，可以自由操控视角与虚拟场景及煤矿机电设备进行近距离观察学习，清晰直观的展现煤矿井下复杂场景及煤矿机电装备布置情况，通过键盘与鼠标与设备热点进行交互，漫游认知模块如图4-3所示，通过文字与动画了解设备基本功能与控制原理，需完整学习所有交互热点知识后，才能完成该模块实验内容。

 

 

图4-3 漫游认知模块

五、实验要求

具备基本矿山机械、矿山设备电气控制的相关理论知识，煤矿主要采掘装备的生产工艺控制方法，特别是掘进机、液压支架、刮板输送机、采煤机的综合机械化采煤工艺等方面的专业知识，了解虚拟平台相关操作方法，了解设备的操作要领和远程控制技术，了解实验安全的相关常识。

六、实验注意事项

1. 实验过程须严格按照实验步骤操作，依次完成各项实验内容；

2. 请准确填写个人信息，认真撰写实验报告。

 

 

 

 

 

模块二：智能测控

一、实验目的

学生通过视角切换与系统界面引导学生沉浸式进入煤矿生产工作面，将自己带入现代化煤矿设备智能测控技术人员视角，根据自动采掘工艺流程，掌握煤矿机电设备智能操控方法以及数字孪生虚拟平台相关编程知识，操作要领和远程控制技术。

二、实验任务

在智能测控模块中通过键盘与鼠标依次完成综掘工作面机电设备智能掘进过程操作，记录相应设备工况数据。进入综采工作面智能测控界面，控制综采设备完成智能采煤工艺，记录相应设备工况数据并撰写实验报告。

三、实验原理

（1）掘进截割断面自动成型控制原理

掘进机根据巷道形状和参数以及巷道地质条件，系统根据掘进机机身与截割头位姿参数确定截割工艺路径与进刀方式，截割断面成型工艺如图3-1所示，在自动截割过程中根据位姿参数对截割轨迹进行调整，最后进行刷帮扫底工作，完成断面自动成型截割。

图3-1截割断面成型工艺

（2）钻锚永久支护工作原理

掘锚一体机完成断面成型截割后，使用支护装置携带锚网进行顶部煤壁支撑作业，然后使用两臂锚杆钻机进行锚杆打孔作业，完成永久支护作业。

（3）掘进工作面成套设备智能控制原理

现代化智能矿井通过远程一键对掘进工作面设备进行启停控制，遵循逆煤流控制方法，从带式输送机到转载机到掘进机依次启动，运用自动截割与自动钻锚方式进行掘进作业，通过各类工况传感器实时获取位姿与电气信息进行实时监测。具体控制流程为：智能化截割总启——启动带式输送机——启动掘进机——掘进机向前——截割头启动——截割断面工艺选择（矩形断面、梯形断面、半圆拱形断面）——截割完成停机——启动临时支护（带锚网）——铺设锚网——启动钻锚——钻锚完成——启动掘进机——停机。

（4）综采工作面成套设备布局与连接原理

首先，布置液压支架对顶板进行支护工作，然后铺设刮板机，最后将采煤机装配至刮板机上。综采工作面设备布置情况如图3-2所示，采煤机由老塘侧的两个导向滑靴和煤壁侧的两个平滑靴分别支承在工作面刮板运输机销轨和铲煤板上。支架前移是要前移的支架以与支架前部相连接的刮板运输机为支点，通过推移油缸的伸缩，带动支架移动。推移运输机的原理与移架过程刚好相反，支架立柱撑起后支架紧挨顶板，再以支架为支点，通过推移油缸的伸缩，推动刮板输送机前移。

 

图3-2综采工作面设备布置原理图

（5）综采工作面三机配合采煤工艺原理

综采工作面三机配合采煤工艺原理如图3-3所示，以斜切进刀割三角煤方式为例，首先进行牵引启动，然后调整摇臂前进方向，以左高右低的姿态开始向左截割，在完成斜切进刀工艺后，三角煤部分液压支架成组推进一步，采煤机调整摇臂姿态，以左低右高姿态向右截割，割三角煤，在完成后，再次调整截割方向，左高右低完成采煤作业，在行至巷道尽头时，在此过程中液压支架根据采煤机行进位置落后三架成组进行跟机拉架支护。

 

图3-3三机配合采煤工艺原理

（6）综采工作面成套设备智能控制原理

现代化智能矿井通过远程一键对综采工作面设备进行启动，遵循逆煤流控制原理，从带式输送机到转载机到综采三机依次启动，采煤机依照综采工艺进行自动采煤作业，刮板机与液压支架进行跟机拉架作业。通过各类工况传感器实时获取位姿与电气信息进行实时监测。

四、实验步骤

（1）进入掘进工作面：在完成漫游认知模块后，如图4-1所示，点击界面中进入掘进工作面按钮，进入掘进工作面，开始实验操作。

 

图4-1 进入掘进工作面

（2）掘锚一体机行走控制：通过界面掘进机手动操控按键，如图4-2所示，依次点击掘进机启动，油泵启动，前进，停止，油泵关闭，并记录掘进机位姿数据变化，控制掘进机行走至掘进断面，截割头切入截割面。掌握掘进机工作原理以及手动操控方法。

 

图4-2 掘进机行走控制

（3）智能化掘进总启：点击如图4-3所示总启按键，工作指示灯变亮，环境传感器开始工作，记录巷道环境参数，对环境参数进行分析。

 

图4-3智能化掘进测控总启

（4）启动运输系统：依照逆煤流启动控制原理，如图4-4所示，依次启动带式输送机，记录带式输送机转速，启动桥式转载机，启动一运，记录一运转速，掌握一键逆煤流启动控制方法。

 

图4-5 运输系统逆煤流启动

（5）自动截割控制：如图4-6所示，控制掘进机完成截割断面自动成型控制及工艺选择，依次启动掘进机泵站，记录电压、电流、流量、温度参数，对截割断面成型工艺选择，选择1种工艺，启动截割头，记录截割头转速。

 

图4-7 截割断面自动成型控制界面

（6）钻锚支护控制：如图4-8所示，点击启动掘进机临时支护，采用顶网工艺进行临时支护，控制钻机至巷道顶部，启动钻机，开始进行钻进工艺。

 

图4-8钻锚支护控制

（7）停机操作：如图4-9所示，按照智能掘进顺煤流停机工艺控制设备停止运行，依次点击掘锚一体机-桥式转载机-带式输送机的停止按键。

 

图4-9顺煤流停止控制

（8）进入综采工作面：在完成掘进工作面智能测控模块内容后，如图4-10所示，点击界面中进入综采工作面按钮，进入综采工作面，开始实验操作。

 

图4-10进入综采工作面

（9）综采工作面成套设备组装：如图4-11所示，依次放置刮板输送机、液压支架、采煤机、转载机、带式输送机，记录各设备配套连接方式，掌握综采设备配合运动控制原理，采煤机的采高范围与支架的最大和最小结构尺寸相适应，而其截深应与支架推移步距相适应以及尺寸计算方法。

 

图4-11 综采工作面成套设备组装连接

（10）采煤机换向控制：根据采煤机工艺要求，开始采煤机单机换向控制，如图4-12所示，点击采煤机启动，控制采煤机姿态至右摇臂高，左摇臂低，掌握采煤机工作原理与控制方法。

 

图4-12 采煤机单机换向控制

（11）综采智能化测控总启：如图4-13所示，点击总启按键，工作指示灯变亮，环境传感器开始工作，记录巷道环境参数，对环境参数进行分析。

 

图4-13综采智能化测控总启

（12）启动运输系统：依照逆煤流启动控制原理，如图4-14所示，依次启动带式输送机，记录带式输送机转速，启动转载机，启动刮板输送机，记录转速，掌握一键逆煤流启动控制方法。

 

图4-14运输系统逆煤流启动

（13）自动采煤控制：根据智能化采煤工艺进行采煤工艺选择，如图4-15所示，采煤机依照斜切进刀割三角煤的综采工艺进行自动采煤作业，刮板机与液压支架进行跟机拉架作业。然后启动滚筒，启动自动截割，在采煤过程中根据采煤方向变化进行采煤机换向。

 

图4-15智能化采煤控制界面

（14）停机操作：如图4-16所示，按照智能综采顺煤流停机工艺控制设备停止运行，依次点击采煤机-刮板输送机-转载机-带式输送机的停止按键。

 

 图4-16顺煤流停止控制

（15）提交实验报告和教师进行评价：完成实验后，如图4-17所示，撰写实验报告，记录工作面虚拟测控过程与方法以及设备运行过程主要参数进行分析，并进行掘进工作面与采煤工作面智能控制流程绘制，完成后在系统进行上传提交。实验教师在系统中按照实验报告评分标准进行打分，对报告和综合考核结果进行评价，综合成绩达到80分以上则实验通过，表明学生达到了实验目标要求。

 

图4-17撰写实验报告并在系统提交

五、实验要求

具备基本矿山机械、矿山设备电气控制的相关理论知识，煤矿主要采掘装备的生产工艺控制方法，特别是掘进机、液压支架、刮板输送机、采煤机的综合机械化采煤工艺等方面的专业知识，了解虚拟平台相关操作方法，了解设备的操作要领和远程控制技术，了解实验安全的相关常识。

六、实验注意事项

1. 实验过程须严格按照实验步骤操作，依次完成各项实验内容；

2. 请准确填写个人信息，认真撰写实验报告。

看完啦！