淺析礦山綜采自動化工作面建設(shè)

吳家樂

（國家能源集團神東煤炭集團設(shè)備管理中心，陜西 神木 719315）

1 智能綜采工作面建設(shè)項目

1.1 精確的三維地質(zhì)模型

以礦井地質(zhì)勘探鉆孔和切眼、回撤通道及兩順槽巷道等實測地質(zhì)信息為基礎(chǔ)，構(gòu)建工作面三維初始模型，在工作面起伏較大的區(qū)域，從回風(fēng)順槽向運輸順槽打定向鉆孔或采用物探的方法勘探工作面的頂?shù)装迕簬r分界線，用煤巖分界線、每圓班測量人員對工作面的測量數(shù)據(jù)對三維初始模型進行修正，生成精確的三維地質(zhì)模型。

1.2 自主智能割煤功能

通過對比工作面精確三維地質(zhì)模型和實測模型，在綜合分析煤層變化趨勢、工作面平直度、當前割頂?shù)浊闆r、采煤機運行等大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，一是通過優(yōu)化算法制定未來10刀的割煤策略，給出采煤機下一刀滾筒調(diào)整曲線，指導(dǎo)采煤機割煤即為自主智能割煤；二是通過在電控系統(tǒng)中記錄示范刀搖臂高度及其變化曲線，在每個割煤循環(huán)中重復(fù)記憶刀軌跡，實現(xiàn)記憶割煤；三是通過分析歷史截割數(shù)據(jù)，識別煤層變化規(guī)律，預(yù)測下一刀的截割軌跡；先預(yù)測，后截割，自學(xué)后再預(yù)測、再截割，循環(huán)往復(fù)，實現(xiàn)預(yù)測割煤功能。

1.3 跟機自動化

液壓支架通過既定程序并根據(jù)采煤機在割煤工藝中的位置與牽引方向所實現(xiàn)的與之匹配的自主收打護幫、降柱、移柱、升柱、推溜、噴霧等動作的過程。

1.4 集控中心遠程控制系統(tǒng)

包括順槽集控中心和地面集控中心。順槽集控中心位于綜采工作面順槽內(nèi)，具備各類展示、操控及數(shù)據(jù)交互功能，并可實現(xiàn)對各受控設(shè)備的集中監(jiān)測、控制。地面集控中心位于地面，由各類展示、操控及數(shù)據(jù)交互設(shè)備構(gòu)成，可實現(xiàn)對綜采工作面各受控設(shè)備的集中監(jiān)測、控制。操作人員在順槽集控中心或地面集控中心對正在運行的采煤機、液壓支架及其他工作面設(shè)備進行遠程操作。

1.5 三維激光巡檢掃描機器人

機器人搭載三維激光掃描裝置和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，通過其紅外及可見光雙視攝像儀、拾音器，代替人的“眼耳皮膚”，自動識別工作面設(shè)備發(fā)熱、異響等問題，平時自動巡航，異常情況下可報警由人工遠程控制，實現(xiàn)代人巡查。

1.6 電纜自動拖拽裝置

鋪設(shè)在綜采工作面刮板運輸機電纜槽內(nèi)，通過獲取采煤機運行方向、運行速度與機身位置等數(shù)據(jù)，對拖纜速度進行自動控制的裝置，可避免采煤機電纜出槽或多層疊加。

2 智能綜采工作面設(shè)備技術(shù)要求

2.1 采煤機

應(yīng)具有感應(yīng)功能、運動功能及輔助功能。其中，機身傾角傳感器、搖臂擺角傳感器、位置檢測傳感器（編碼器），實現(xiàn)采煤機姿態(tài)檢測，滾筒高度測量，精確定位的功能，能夠配合智能控制系統(tǒng)達到記憶割煤、自主智能割煤。運動系統(tǒng)包括慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、防干涉碰撞功能、遠程和就地急停、閉鎖控制功能，在遠程干預(yù)模式下，通訊中斷，采煤機可自動停機；輔助系統(tǒng)應(yīng)有電纜自動拖拽裝置、有線和無線通信功能，且數(shù)據(jù)上傳和遠程控制功能，遠程控制響應(yīng)時間小于100ms和自動注油功能。

2.2 液壓支架

主要起支撐作用，對于壓力、位置、姿態(tài)等要求敏感，因此，應(yīng)具有壓力傳感器、位移傳感器、傾角傳感器、采高傳感器，支架控制器接收到煤機運行狀態(tài)、傳感器數(shù)據(jù)和動作數(shù)據(jù)等信息后，上傳至集控平臺，實時顯示支架壓力、位移、傾角、采高等信息，可由系統(tǒng)自動判斷并自動找直、調(diào)偽斜，且要求調(diào)直控制誤差在500mm以內(nèi)；也可由人工遠程控制就地急停、閉鎖控制功能，遠程控制響應(yīng)時間不大于200ms。液壓支架跟機自動化率應(yīng)不小于85%，遠程人工干預(yù)率應(yīng)小于20%。

輔助功能應(yīng)具有工作面中部跟機自動化功能；壓力監(jiān)測、自動補壓功能；人員安全保護功能，定位精度在500mm以內(nèi)；宜具有工作面兩端頭跟機自動化功能。

2.3 三機和自移機尾

三機應(yīng)具有順序啟停、連鎖、閉鎖控制功能；啟動語音報警功能；煤量檢測功能，實現(xiàn)煤流自適應(yīng)調(diào)速。

2.4 泵站和供電系統(tǒng)

泵站應(yīng)具有遠程控制功能，遠程控制響應(yīng)時間不大于100ms；應(yīng)具有液壓介質(zhì)質(zhì)量在線監(jiān)測功能，遠程供液、配液控制功能，單臺泵站和多臺泵組的啟動和停止控制功能。

供電系統(tǒng)應(yīng)具有供電回路分、合閘遠程控制功能；負荷運行參數(shù)監(jiān)測功能；過流、漏電、接地保護功能；電壓降監(jiān)測功能。薄煤層工作面應(yīng)使用微型燈具，便于降低采高。

2.5 通信網(wǎng)絡(luò)與視頻系統(tǒng)

智能工作面建設(shè)依賴于高速網(wǎng)絡(luò)和清晰視頻，因此，對網(wǎng)絡(luò)和視頻系統(tǒng)有更高要求。千兆以太環(huán)網(wǎng)是基礎(chǔ)；移動語音通訊、人員精確定位、網(wǎng)絡(luò)視頻通話功能是必備；還應(yīng)具有工控網(wǎng)絡(luò)安全防護功能；符合《 智慧礦山信息系統(tǒng)通用技術(shù)規(guī)范》（GBT 34679-2017）中的相關(guān)要求。

視頻系統(tǒng)應(yīng)具有全工作面視頻監(jiān)控及采煤機全景動態(tài)監(jiān)控功能，視頻可跟機切換；宜具有對工作面設(shè)備與人員識別功能、對工作面設(shè)備異常情況的抓拍功能、對工作面大塊煤的識別功能、對大采高支架護幫板的動作識別功能。

2.6 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

實時精確定位采煤機運行軌跡，監(jiān)測煤機機身姿態(tài)并在主控計算機上顯示檢測誤差不超過50mm。

2.7 三維掃描巡檢機器人

主要負責工作面狀態(tài)實時掃描傳輸，因此，應(yīng)具有生成點云數(shù)據(jù)功能，自動建立工作面數(shù)字化模型且掃描誤差應(yīng)不超過200mm。還應(yīng)具有高清視頻采集功能、紅外熱成像功能，聲音采集功能和無線控制功能。

2.8 順槽集控中心

是智能工作面的核心之一，應(yīng)具有對綜采工作面設(shè)備運行狀況監(jiān)控、數(shù)據(jù)集成、故障診斷、人員位置顯示、全方位對講和快捷鍵功能，達到集中控制、自動化控制目的；其數(shù)據(jù)傳輸以工業(yè)以太網(wǎng)、無線網(wǎng)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸功能。

3 智能綜采工作面建設(shè)的技術(shù)改進

3.1 視頻監(jiān)測信號的捕捉、傳輸和顯示

可在膠帶機機頭安裝防爆攝像頭，將攝像頭IP修改為預(yù)定的地址，將攝像頭通過網(wǎng)線和膠帶機控制器內(nèi)放的交換機連接，并經(jīng)光電轉(zhuǎn)換，將電信號轉(zhuǎn)換成光信號后，通過順槽鋪設(shè)的光纜傳輸至工作面的光電轉(zhuǎn)換，再將信號轉(zhuǎn)換成電信號后，經(jīng)交換機和網(wǎng)線傳輸至電腦，電腦內(nèi)部預(yù)裝的視頻監(jiān)測軟件IVMS4200將視頻信號捕捉，經(jīng)顯示控件將畫面在電腦顯示器上進行顯示。

3.2 控制指令的輸入、傳輸和執(zhí)行

在工作面辦公電腦上安裝一款自行設(shè)計的膠帶機控制軟件（結(jié)合順槽膠帶機實際情況進行設(shè)計的軟件），該軟件有一個人機交互界面，界面中給每一部膠帶機設(shè)置一個啟動按鈕和停止按鈕，當工作面需要啟動某一部膠帶機時，點擊相應(yīng)膠帶機的啟動按鈕，軟件將啟動信號通過與電腦相連接的交換機和光電轉(zhuǎn)換傳輸出去，經(jīng)光纖傳輸?shù)侥z帶機控制器中安裝的光電轉(zhuǎn)換和交換機，交換機接收到信號后將信號傳送給網(wǎng)絡(luò)控制器，網(wǎng)絡(luò)控制器相應(yīng)的輸出口的常開節(jié)點閉合，即膠帶機的遠控點閉合，膠帶機開始預(yù)警啟動。同理，當工作面需要停止某一部膠帶機時，點擊人機交互界面的停止按鈕，網(wǎng)絡(luò)控制器的相應(yīng)的輸出口節(jié)點（已經(jīng)閉合的常開接點）斷開，膠帶機停止運行。

3.3 掘進智能局部通風(fēng)

礦井智能局部通風(fēng)系統(tǒng)是為煤礦的安全生產(chǎn)需要提供的一種一機多用、高效節(jié)能的自動控制裝置，它實現(xiàn)了礦井局部通風(fēng)控制系統(tǒng)與局部通風(fēng)機的融合，同時，系統(tǒng)配套局部通風(fēng)機通過特殊設(shè)計，配套相應(yīng)的監(jiān)測傳感器，和其他監(jiān)測信號一起接入PLC自動控制系統(tǒng)，進行閉環(huán)控制，改變了國內(nèi)局部通風(fēng)機運行沒有有效監(jiān)測監(jiān)控的現(xiàn)狀，把礦井有效管理和設(shè)備安全高效運行有機地結(jié)合起來，從而改變了礦井掘進工作面受瓦斯造成的危害，在提高了設(shè)備的安全運行的同時，也保證了礦井安全高效地生產(chǎn)。

3.4 智能集中控制系統(tǒng)

在智能集中控制中心，對井下供電系統(tǒng)、供排水系統(tǒng)、主通風(fēng)系統(tǒng)、運輸系統(tǒng)實現(xiàn)遠程控制。實現(xiàn)值班人員在集控室值班。第一步實現(xiàn)機電隊遠程監(jiān)控各自責任區(qū)水泵、增壓泵等泵類設(shè)備運轉(zhuǎn)情況并可實現(xiàn)遠程啟停，逐步實現(xiàn)主運膠帶機、順槽膠帶機調(diào)度控制轉(zhuǎn)移到集控中心控制。安裝智能分析系統(tǒng)，對危險區(qū)域人員入侵、皮帶跑偏、堆煤、煙霧、初期火災(zāi)等狀態(tài)進行實時監(jiān)測、彈窗報警并聯(lián)動停機。

（1）搭建部署安全生產(chǎn)巡檢平臺，將生產(chǎn)巡檢監(jiān)控資源進行統(tǒng)一接入和集中管理，并自下而上地打通煤礦至調(diào)度中心，安全生產(chǎn)巡檢視頻、數(shù)據(jù)信息壁壘。

（2）借助AI技術(shù)，通過視頻檢測分析的技術(shù)手段，實現(xiàn)跑偏檢測、堆煤檢測、張緊輪位移檢測、煤矸檢測、異物檢測、大塊煤識別、煤量分析以及電氣設(shè)備溫度檢測等功能，將膠帶機司機從高噪、粉塵環(huán)境中解放出來，提升“安全生產(chǎn)、減員增效”業(yè)務(wù)層級；還可以對人員崗位行為分析、安全行為分析、人臉分析等。

（3）在安全生產(chǎn)巡檢平臺和視頻AI技術(shù)的基礎(chǔ)上，完成安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)匯總；采集素材進行復(fù)雜嚴苛條件下的工藝流程檢測。

（4）輕量級數(shù)據(jù)分析功能，針對無人巡檢過程中采集的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進行比對、關(guān)聯(lián)、統(tǒng)計等輕量級分析功能，為煤礦生產(chǎn)數(shù)據(jù)融合分析提供分析模型。

（5）應(yīng)用熱成像檢測技術(shù)，對機電設(shè)備運行異常易造成皮帶抱死、損壞，嚴重的導(dǎo)致機組非計劃停運，人員與財產(chǎn)損失。電氣設(shè)備故障在發(fā)展和形成過程中絕大多數(shù)與發(fā)熱溫升緊密相連。紅外熱成像診斷技術(shù)通過非接觸方式檢測運行中的設(shè)備溫度和運行狀態(tài)，可以簡捷、安全、直觀、準確地查找、判斷電氣設(shè)備過熱故障，迅速采取措施解決防止電氣事故的發(fā)生。結(jié)合紅外熱像儀在電氣設(shè)備故障診斷中的一些實際應(yīng)用，紅外熱成像檢測診斷技術(shù)為發(fā)電廠電氣設(shè)備精細化點檢和維修提供有力依據(jù)，及時將電氣事故消滅在萌芽狀態(tài)，有效避免了電氣異常事件或事故的發(fā)生。

3.5 輔助自動化系統(tǒng)

（1）車輛智能管理系統(tǒng)。本方案主要針掘進順槽進行設(shè)計，由車輛管理平臺、車輛管理服務(wù)器，人員定位分站、人員定位服務(wù)器、紅綠燈LED屏組成。

車輛管理平臺和人員定位系統(tǒng)服務(wù)器通訊，人員定位系統(tǒng)自動將車輛數(shù)據(jù)推送給車輛管理服務(wù)器。車輛管理服務(wù)器將巷道中車輛數(shù)據(jù)下發(fā)給井下LED屏和紅綠燈。

系統(tǒng)原理：第一步：通過在巷道內(nèi)安裝兩臺人員定位分站，利用人員定位分站判斷巷道中的柴油車數(shù)量，并將數(shù)據(jù)提供給車輛管理服務(wù)器。第二步：根據(jù)人員定位提供的數(shù)據(jù)，車輛管理服務(wù)器自動將柴油車數(shù)量下發(fā)給井下LED屏和紅綠燈，管控進出車輛。

（2）供電自動化系統(tǒng)。智能供電自動化系統(tǒng)擴大了對井下系統(tǒng)和設(shè)備的監(jiān)視范圍，使系統(tǒng)和設(shè)備運行可視化，同時，通過對井下設(shè)備的遠程控制和遠程維護更好地支持變電站的無人值班和無人值守。

主要包括：①系統(tǒng)運行狀態(tài)可視化，不僅可以監(jiān)視電壓、電流、功率和開關(guān)位置等，還可以監(jiān)視系統(tǒng)的諧波、電能質(zhì)量、電度計量等；②一次設(shè)備運行狀態(tài)可視化，主要包括防爆開關(guān)的溫度、分閘動作時間等；③二次設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的狀態(tài)可視化，主要包括保護裝置的自檢情況、網(wǎng)絡(luò)通訊狀態(tài)、交換機和交換機電源的狀態(tài)等；④系統(tǒng)故障的可視化，即在系統(tǒng)發(fā)生短路故障尤其是跳閘后提供清晰完整的記錄和數(shù)據(jù)，如故障類型、故障時間、故障值、故障錄波波形等，從而便于檢修人員盡快確定并排除故障；⑤強化設(shè)備的遠程控制與維護，即在地面監(jiān)控中心實現(xiàn)井下開關(guān)遙控操作、保護功能投退、定值的遠方調(diào)閱和修改、參數(shù)的遠程配置等。實現(xiàn)全面可視化是提高供電系統(tǒng)安全性的前提和基礎(chǔ)。

（3）采煤自動化系統(tǒng)。智能供電系統(tǒng)把全供電網(wǎng)絡(luò)作為一個整體，自動協(xié)調(diào)工作，準確應(yīng)對系統(tǒng)發(fā)生的各種問題：①利用通訊技術(shù)采用“先定位后跳閘”策略實現(xiàn)短路故障的防越級和系統(tǒng)操作防越級；②利用注入式信號源技術(shù)實現(xiàn)單相接地/漏電的準確選線，減少不必要的拉閘停電。準確及時的自動化功能是提高系統(tǒng)供電可靠性的主要手段。

智能供電系統(tǒng)的設(shè)備采用標準以太網(wǎng)接口并遵循國際通用的IEC61850標準，在該標準的前提下，實現(xiàn)智能拓撲分析和自動著色、操作的聯(lián)閉鎖、潮流分析與設(shè)備檢測、定值的合理性校驗、參數(shù)的自動化配置、智能綜合告警等高級智能化功能。智能化標準化可以提高系統(tǒng)運行效率，進而改善系統(tǒng)的經(jīng)濟性。

（4）供排水自動化系統(tǒng)。要實現(xiàn)沿線水倉全部自動化排水。各水倉實行自動控制及運行參數(shù)自動檢測、遠程控制，動態(tài)就地顯示，并將數(shù)據(jù)信息傳送到地面生產(chǎn)調(diào)度中心和生產(chǎn)設(shè)備控制中心，進行實時監(jiān)測監(jiān)控及報警顯示、故障歷史查詢和報表打印。

①系統(tǒng)通過檢測電機電流、電機電壓等參數(shù)，監(jiān)視水泵工作狀態(tài)，直觀、形象、實時地反映系統(tǒng)工作狀態(tài)并能進行控制。

②實現(xiàn)水倉水位、水泵溫度、排水管流量等參數(shù)接口接入及電動閘閥的控制接口輸出，實現(xiàn)不同地點排水設(shè)置不同的控制方式。

③通過以太網(wǎng)通訊接口與地面網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。該系統(tǒng)具有運行可靠、操作方便、自動化程度高等特點。

3.6 井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)覆蓋延伸聯(lián)網(wǎng)功能

基于4G無線通信技術(shù)的“一網(wǎng)一站”系統(tǒng)可實現(xiàn)對定位、通信、監(jiān)測監(jiān)控、廣播、調(diào)度、自動化等系統(tǒng)的統(tǒng)一接入、統(tǒng)一承載、統(tǒng)一管理。

采用先進的工業(yè)以太網(wǎng)標準通信協(xié)議，系統(tǒng)可實現(xiàn)遠程、跨網(wǎng)通信，系統(tǒng)實現(xiàn)了良好的擴展能力，可為井下工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)、視頻監(jiān)控、井下傳感器數(shù)據(jù)傳輸提供網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接口，可連接井下數(shù)字廣播系統(tǒng)、數(shù)字攝像機、可編程數(shù)據(jù)采集控制設(shè)備等。

借助工業(yè)環(huán)網(wǎng)，在不需要重復(fù)建設(shè)通信線路的情況下，實現(xiàn)井下無線手機移動通訊。該系統(tǒng)可方便實現(xiàn)井上與井下、井下與井上的移動手機通話，可接入煤礦調(diào)度網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)手機與固定電話（網(wǎng)）的相互通訊。并可以對礦井入井人員、車輛進行實時跟蹤監(jiān)測和較高精度定位，隨時清楚掌握每個人員、車輛在井下的準確位置及活動軌跡。利用系統(tǒng)的日常考勤管理功能，對下井人員進行考勤管理。

3.7 應(yīng)急救援

如果發(fā)生井下災(zāi)害，調(diào)度可以立即從監(jiān)控計算機上查詢事故現(xiàn)場的人員具體位置分布情況、被困人員數(shù)量和他們的姓名、調(diào)用入井人員撤退線路預(yù)案等信息，為事故搶險提供科學(xué)依據(jù)。此系統(tǒng)能夠承擔起應(yīng)急救援的通信任務(wù)。井下設(shè)備在斷電情況下可連續(xù)工作2個多小時，工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)可以提供極高的可靠性和網(wǎng)絡(luò)生存能力，使網(wǎng)絡(luò)在任何災(zāi)害發(fā)生時盡可能通暢。