薄煤層自動(dòng)化智能化開采技術(shù)探索及應(yīng)用

文/馬成珠

基于三維數(shù)字模型的智能化割煤技術(shù)是煤炭開采信息化與工業(yè)化深度融合的一次變革，為解決長(zhǎng)期困擾智能化開采中煤巖無(wú)法識(shí)別的技術(shù)難題提供了有效途徑，為采煤工作面智能化發(fā)展提供了全新選擇

2004年以來(lái)，國(guó)家能源神東煤炭集團(tuán)開始探索研發(fā)采煤工作面自動(dòng)化開采技術(shù)，先后形成了采煤機(jī)記憶割煤、液壓支架聯(lián)動(dòng)跟機(jī)拉架推溜的自動(dòng)化生產(chǎn)模式，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)在采煤機(jī)機(jī)身加裝攝像頭，將采煤工作面視頻信息和采煤機(jī)、液壓支架等主要綜采設(shè)備操作功能以及主要顯示參數(shù)等信息外移至運(yùn)輸順槽集中控制室，形成了可視化遠(yuǎn)程集中控制干預(yù)的生產(chǎn)模式。但采用這兩種模式割煤時(shí)，一個(gè)共同的問(wèn)題就是采煤機(jī)對(duì)工作面煤層頂?shù)鬃兓瘺]有識(shí)辨調(diào)整功能，并且由于電磁干擾等因素對(duì)記憶參數(shù)產(chǎn)生漂移現(xiàn)象，所以一般只能進(jìn)行兩個(gè)循環(huán)作業(yè)后再由人工參與割一個(gè)循環(huán)，以此循環(huán)往復(fù)進(jìn)行，采煤設(shè)備運(yùn)行還沒有擺脫人工直接參與操作。此外，在采用遠(yuǎn)程集中控制和干預(yù)模式進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)，由于攝像頭在有煤塵、噴霧水的工作面工作，視頻圖像模糊不清，從而影響了使用效果。

從2018年開始，神東煤炭集團(tuán)在采煤機(jī)記憶割煤、支架自動(dòng)跟機(jī)拉架推溜和可視化遠(yuǎn)程集中控制干預(yù)的自動(dòng)化開采模式基礎(chǔ)上，充分借鑒澳大利亞、德國(guó)和美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家領(lǐng)先的煤炭開采技術(shù)，進(jìn)行新的探索創(chuàng)新，在榆家梁煤礦43101薄煤層長(zhǎng)距離綜采工作面，探索應(yīng)用了基于三維數(shù)字模型的智能化割煤技術(shù)，取得良好應(yīng)用效果。

一、榆家梁煤礦43101 綜采工作面及設(shè)備配套基本情況

1.工作面基本情況

工作面煤層開采厚度1.4～1.6m，賦存穩(wěn)定，無(wú)夾矸。工作面設(shè)計(jì)長(zhǎng)度（實(shí)體煤）為351.42m，工作面安裝液壓支架206臺(tái)。走向起伏角度不大于9°，一般為3°～5°；傾斜方向起伏角度不大于5°。煤巷斷面為矩形斷面，機(jī)頭順槽凈尺寸:寬×高=5500mm×2300mm（平均），最低2200mm；機(jī)尾順槽凈尺寸:寬×高=5500mm×2500mm（平均），最低2300mm。

2.工作面主要設(shè)備配套情況

采煤機(jī)選用MG2×200/890-WD1型，采高范圍1.3～2.5m，總裝機(jī)功率為8 9 0 kW。支架選用Z Y920 0-0 9-18D型二柱掩護(hù)式液壓支架，支護(hù)強(qiáng)度為0.9 9～1.0 6 M P a。刮板機(jī)選用S GZ 8 0 0/14 0 0 型，裝機(jī)功率為2×700kW。轉(zhuǎn)載機(jī)選用SZZ1000/400型，裝機(jī)功率為400kW。破碎機(jī)選用PLM2000型破碎機(jī)，功率為375kW。

二、43101 采煤工作面智能化割煤技術(shù)路線和實(shí)施方案

1.構(gòu)建以太環(huán)網(wǎng)通訊網(wǎng)絡(luò)

從運(yùn)輸順槽監(jiān)控中心將光纜敷設(shè)至工作面機(jī)尾，其中，在工作面每6臺(tái)支架串接1臺(tái)1000M綜合接入器，接入器與接入器之間采用8芯電纜連接，形成一套大流量、高速穩(wěn)定的1000兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)。

目前，工作面以太網(wǎng)通訊技術(shù)以千兆綜合接入器為基礎(chǔ)，形成總體千兆以太環(huán)網(wǎng)為主、多個(gè)局部以太環(huán)網(wǎng)為輔的多種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)融合的通訊網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。通過(guò)搭建此種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，充分保障了工作面有線網(wǎng)絡(luò)通訊的順暢，解決了一個(gè)或者多個(gè)網(wǎng)絡(luò)斷點(diǎn)情況下，單一環(huán)網(wǎng)無(wú)法傳輸斷點(diǎn)間網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上，工作面配置5.8GHz無(wú)線基站作為無(wú)線接入站點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了工作面的無(wú)線WiFi信號(hào)全覆蓋，并且做到了互為冗余，為工作面無(wú)線通訊設(shè)備提供遠(yuǎn)距離無(wú)線寬帶快速接入網(wǎng)絡(luò)的通訊環(huán)境，這套通訊網(wǎng)絡(luò)為采煤工作面智能化建設(shè)起到基礎(chǔ)支撐作用。

2.建設(shè)設(shè)備集中控制系統(tǒng)

在工作面順槽部署了一個(gè)將視頻采集，音頻傳輸，網(wǎng)絡(luò)管理，數(shù)據(jù)分析、集成、存儲(chǔ)以及采煤機(jī)、液壓支架等主要設(shè)備的遠(yuǎn)程干預(yù)控制等功能融為一體的集中控制中心，各控制系統(tǒng)支持Ethernet/IP、Modbus-TCP、Modbus-RTU等通訊協(xié)議，滿足《神東企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)-礦山機(jī)電設(shè)備通信接口和協(xié)議》標(biāo)準(zhǔn)，可直接接入集控中心，減少了控制層級(jí)，提高了系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性。集中控制中心作為智能采煤工作面的“集控大腦”，可實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面狀況及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視和遠(yuǎn)程干預(yù)控制。

集中控制中心硬件方面有監(jiān)控主機(jī)3臺(tái)，PAC控制器1臺(tái)，礦用本安型顯示器6臺(tái)，分別顯示支架視頻、煤壁視頻、支架監(jiān)控、泵站監(jiān)控、采煤機(jī)監(jiān)控、集中監(jiān)控畫面；礦用本安型操作臺(tái)2個(gè)（液壓支架遠(yuǎn)程操作臺(tái)1個(gè)、采煤機(jī)操作臺(tái)1個(gè)），礦用本安型網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)1臺(tái)，礦用喊話器1部。軟件方面開發(fā)了集中控制軟件，軟件架構(gòu)由驅(qū)動(dòng)層、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)可視化三大部分組成，每個(gè)層次獨(dú)立設(shè)置，可以靈活部署，構(gòu)建了集中式控制系統(tǒng)。在完成整體合理規(guī)劃布局、簡(jiǎn)化布線的同時(shí)，還充分考慮使用感受等方面，包括外觀視覺、工人操作便捷等細(xì)節(jié)，體現(xiàn)人性化設(shè)計(jì)。

3. 巡檢機(jī)構(gòu)激光掃描和慣性導(dǎo)航技術(shù)

在43101采煤工作面布置了一臺(tái)巡檢機(jī)器人。機(jī)器人在刮板運(yùn)輸機(jī)電纜槽的軌道上行走，以電池供電驅(qū)動(dòng)行走機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)快速移動(dòng)，最大巡檢速度為60m/min，10分鐘內(nèi)可完成全工作面激光掃描。在巡檢機(jī)器人上搭載了高精度激光掃描器和Lasc慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，巡檢機(jī)器人行走時(shí)，利用激光掃描器可實(shí)時(shí)對(duì)工作面采場(chǎng)工況進(jìn)行三維掃描，獲得工作面煤層頂?shù)装迕簬r分界線數(shù)據(jù)，利用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)可實(shí)時(shí)檢測(cè)工作面刮板運(yùn)輸機(jī)的直線度數(shù)據(jù)，然后巡檢機(jī)器人通過(guò)無(wú)線通訊局部網(wǎng)絡(luò)和1000兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)將這些數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、快速傳輸至集控中心，為自主智能化割煤提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

4.基于慣性導(dǎo)航Lasc的工作面自動(dòng)找直

集控中心將巡檢機(jī)器人上搭載的慣性導(dǎo)航Lasc系統(tǒng)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)發(fā)給支架控制主機(jī)，然后支架控制主機(jī)下發(fā)給支架控制器，控制器會(huì)根據(jù)收到的數(shù)據(jù)在割下一刀煤時(shí)，通過(guò)對(duì)每個(gè)支架推移行程單獨(dú)閉環(huán)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)工作面自動(dòng)找直（誤差±500mm以內(nèi)），滿足了自動(dòng)化開采模式下綜采工作面自動(dòng)連續(xù)推進(jìn)的要求。

5.構(gòu)建遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

工作面安裝了適應(yīng)薄煤層特點(diǎn)的高清晰度的微型攝像儀，工作面每隔3架安裝1臺(tái)朝煤壁方向、每隔6架安裝1臺(tái)朝刮板運(yùn)輸機(jī)的固定視頻系統(tǒng)，做到了工作面視頻全覆蓋。巡檢機(jī)器人上還安裝了可見光高清攝像頭、紅外熱成像攝像儀和拾音器等設(shè)備。形成了以微型攝像儀為固定監(jiān)控方式、以巡檢機(jī)器人攝像儀和拾音器為移動(dòng)監(jiān)控方式的工作面視頻音頻監(jiān)控體系。其中，巡檢機(jī)器人搭載的可見光高清攝像儀、紅外熱成像攝像儀和拾音器，不僅對(duì)固定視頻監(jiān)控盲區(qū)進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)能夠識(shí)別工作面設(shè)備異常發(fā)熱和異響等問(wèn)題。所有視頻音頻監(jiān)控信號(hào)均通過(guò)工作面工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)時(shí)上傳至順槽集控中心和地面服務(wù)器，操作人員在順槽集控中心實(shí)現(xiàn)割煤過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了代人巡查功能。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)工作面生產(chǎn)狀況、設(shè)備運(yùn)行情況的全景監(jiān)控，保證了集控中心工作人員能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)、干預(yù)工作面異常狀況。

6.構(gòu)建具有絕對(duì)坐標(biāo)的初始透明工作面數(shù)字模型

工作面生產(chǎn)前，將采煤工作面兩順槽揭露的煤層頂?shù)装迕簬r分界線標(biāo)高數(shù)據(jù)，從回風(fēng)順槽超前工作面40～50m處平行于工作面向運(yùn)輸順槽打定向鉆孔或采用物探的方法勘探待開采煤層頂?shù)装迕簬r分界線數(shù)據(jù)，以及在生產(chǎn)過(guò)程中每個(gè)圓班測(cè)得的工作面煤層頂?shù)装迕簬r分界線數(shù)據(jù)，均導(dǎo)入集控中心的地理信息系統(tǒng)（GIS）中，構(gòu)建出初始透明工作面數(shù)字模型，利用機(jī)頭1號(hào)支架安裝的高精度三維激光掃描器，掃描6號(hào)支架和運(yùn)輸順槽中由全站儀確定的地理坐標(biāo)導(dǎo)向點(diǎn)，利用機(jī)尾206架固定安裝的高精度三維激光掃描器，掃描200號(hào)支架和回風(fēng)順槽中由全站儀確定的地理坐標(biāo)導(dǎo)向點(diǎn)，并經(jīng)以太環(huán)網(wǎng)將地理坐標(biāo)數(shù)據(jù)傳至集控中心，再由集控中心將地理坐標(biāo)數(shù)據(jù)與初始透明工作面數(shù)字模型集成，構(gòu)建成具有絕對(duì)坐標(biāo)的初始透明工作面數(shù)字模型，實(shí)現(xiàn)了將待開采煤層由“不可知”的實(shí)體轉(zhuǎn)變?yōu)橐幌盗械娜S空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并將其保存到集控中心地質(zhì)模型庫(kù)中。

7.構(gòu)建具有絕對(duì)坐標(biāo)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)透明工作面數(shù)字模型

利用工作面巡檢機(jī)構(gòu)搭載的激光掃描器對(duì)全工作面進(jìn)行掃描，將獲得的煤層頂?shù)装迕簬r分界線數(shù)據(jù)和安裝在液壓支架和刮板運(yùn)輸機(jī)溜槽上的UWB雷達(dá)傳感器探測(cè)的煤層厚度數(shù)據(jù)，通過(guò)以太環(huán)網(wǎng)傳輸至集控中心，集控中心對(duì)初始透明工作面數(shù)字模型進(jìn)行修正和更新，生成具有絕對(duì)坐標(biāo)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)透明工作面數(shù)字模型（精度為100mm），為智能化割煤提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

8.基于煤機(jī)滾筒智能調(diào)高的數(shù)字化割煤

集控中心在根據(jù)其生成的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)透明工作面數(shù)字模型，獲取每個(gè)截割位置的頂?shù)装鍞?shù)據(jù)基礎(chǔ)上，結(jié)合巡檢機(jī)構(gòu)上Lasc慣性導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)的刮板運(yùn)輸機(jī)的直線度數(shù)據(jù)和采煤機(jī)上Lasc慣性導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)時(shí)確定的采煤機(jī)動(dòng)態(tài)位置、姿態(tài)等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，再通過(guò)優(yōu)化算法，給出采煤機(jī)左右滾筒智能調(diào)整曲線和液壓支架直線度控制策略，實(shí)現(xiàn)了智能割煤和跟機(jī)自動(dòng)移架推溜，從而實(shí)現(xiàn)綜采工作面自動(dòng)化生產(chǎn)的目的。

三、智能化采煤技術(shù)應(yīng)用效果分析

神東煤炭集團(tuán)在榆家梁煤礦43101薄煤層綜采工作面，對(duì)基于三維數(shù)字模型的數(shù)字化自主智能割煤技術(shù)，經(jīng)過(guò)一年多的探索研究取得了一定成效，主要有以下幾個(gè)方面。

一是該技術(shù)解決了長(zhǎng)期困擾智能化開采煤巖無(wú)法識(shí)別的難題，通過(guò)預(yù)知煤層變化趨勢(shì)，識(shí)別出工作面當(dāng)前精確坐標(biāo)信息，實(shí)現(xiàn)沿煤層的自主割煤。

二是原先采煤工作面正常生產(chǎn)時(shí)，需要2名采煤機(jī)司機(jī)和2名支架工同時(shí)作業(yè)，現(xiàn)在只需在遠(yuǎn)離采煤工作面的進(jìn)風(fēng)順槽監(jiān)控中心，分別由1名采煤機(jī)司機(jī)和1名支架工進(jìn)行可視化監(jiān)控和遠(yuǎn)程干預(yù)操作，在工作面只有1人進(jìn)行巡視作業(yè)。生產(chǎn)班人數(shù)由10人減為6人，直接生產(chǎn)工效提升了15.08%。

三是自主割煤和遠(yuǎn)程干預(yù)技術(shù)的應(yīng)用，工作面沒有了直接操作人員，實(shí)現(xiàn)了“無(wú)人跟機(jī)，有人巡視”，將員工從薄煤層工作面空間受限爬行作業(yè)困難、粉塵及噪音危害大的艱苦環(huán)境中徹底解放出來(lái)，從源頭上保障了安全。

四、智能化采煤工作面存在的不足

一是由于技術(shù)和工藝原因，使用定向鉆機(jī)超前探測(cè)的工作面煤層頂?shù)装鍢?biāo)高數(shù)據(jù)和激光掃描機(jī)器人掃描的采煤工作面煤層頂?shù)装鍢?biāo)高數(shù)據(jù)，與實(shí)際值還有誤差，智能化控制系統(tǒng)集控中心還不能精準(zhǔn)控制采煤機(jī)進(jìn)行割煤，還需人工進(jìn)行遠(yuǎn)程干預(yù)。

二是巡檢機(jī)構(gòu)還未實(shí)現(xiàn)自主跟機(jī)，需要人員遠(yuǎn)程操作，還需要進(jìn)一步研究防撞和精確定位技術(shù)。

三是綜采設(shè)備性能的可靠性、穩(wěn)定性與自動(dòng)化水平還不匹配，特別是國(guó)產(chǎn)設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性仍有待提升。如：設(shè)備材料質(zhì)量不過(guò)關(guān)，容易變形，緊固件容易松動(dòng)甚至發(fā)生斷裂，這些都是制約智能生產(chǎn)連續(xù)性的重要因素。

五、結(jié)論

神東煤炭集團(tuán)通過(guò)對(duì)智能化開采技術(shù)的研究和實(shí)踐，應(yīng)用采煤機(jī)基于三維數(shù)字模型的智能化割煤技術(shù)，取得了一系列的技術(shù)突破，探索出一條全新的智能化割煤工藝和路線。該項(xiàng)技術(shù)是煤炭開采信息化與工業(yè)化深度融合的一次變革，為解決長(zhǎng)期困擾智能化開采中煤巖無(wú)法識(shí)別的技術(shù)難題提供了有效途徑，為采煤工作面智能化發(fā)展提供了全新選擇，為實(shí)現(xiàn)真正意義上的智能化工作面邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。當(dāng)然，還有一些需要迫切解決的技術(shù)問(wèn)題，如需要進(jìn)一步在傳感、控制、物聯(lián)網(wǎng)和開采智能機(jī)器人等方面加大研發(fā)投入，以適應(yīng)復(fù)雜地質(zhì)條件下的智能化開采。

總之，這套智能化割煤技術(shù)方案在原理上是可行的，只要通過(guò)不斷進(jìn)行技術(shù)和工藝優(yōu)化，逐一解決存在的問(wèn)題，就能不斷提升智能化應(yīng)用水平。