煤礦智能化綜采工作面系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用探討

張飛

（集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)，陜西 榆林 719315）

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，我國(guó)的煤炭開(kāi)采技術(shù)不斷發(fā)展成熟，煤炭工業(yè)逐漸由勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)向資本密集和技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化，煤炭的開(kāi)采工藝在實(shí)現(xiàn)綜合機(jī)械化的基礎(chǔ)上，逐漸向智能化和自動(dòng)化發(fā)展轉(zhuǎn)換，隨著可持續(xù)發(fā)展觀念的傳播，國(guó)內(nèi)的煤炭企業(yè)越來(lái)越關(guān)注生產(chǎn)上的技術(shù)進(jìn)步和技術(shù)換代。實(shí)現(xiàn)煤炭生產(chǎn)的智能化綜采能夠有效地提高煤炭生產(chǎn)的質(zhì)量，同時(shí)降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，這充分發(fā)揮先進(jìn)設(shè)備的效能，總體上提升了煤炭生產(chǎn)的效率。本文從某礦區(qū)的煤炭生產(chǎn)現(xiàn)狀出發(fā)，研究了綜采工作面自動(dòng)化系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)問(wèn)題，力求為礦區(qū)的煤礦生產(chǎn)業(yè)作出積極貢獻(xiàn)，實(shí)現(xiàn)綜采工作的全面自動(dòng)化和智能化。

1 智能化綜采工作面系統(tǒng)現(xiàn)狀

1.1 智能化綜采工作面系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展過(guò)程

煤炭開(kāi)采是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，煤炭礦井的工作環(huán)境十分復(fù)雜，相比常見(jiàn)的其他行業(yè)，煤炭業(yè)的智能化建設(shè)相對(duì)困難且落后，目前對(duì)某礦區(qū)的煤炭智能化綜采工作面系統(tǒng)的建設(shè)仍然存在許多問(wèn)題，未來(lái)仍需要不斷的進(jìn)步和發(fā)展。該礦區(qū)的智能化綜采工作面系統(tǒng)的功能不斷完善，已經(jīng)具備了基礎(chǔ)的生產(chǎn)能力，基本實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化生產(chǎn)，但在對(duì)智能技術(shù)的運(yùn)用如大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等方面仍然存在許多不足，礦區(qū)的技術(shù)人員需要不斷突破現(xiàn)有生產(chǎn)技術(shù)的限制，實(shí)現(xiàn)從自動(dòng)化到智能化的完美轉(zhuǎn)換。目前，在煤炭的開(kāi)采中，常見(jiàn)的技術(shù)設(shè)備如采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)，轉(zhuǎn)載機(jī)、泵站及組合開(kāi)關(guān)等設(shè)備大多具備了數(shù)據(jù)通信和遠(yuǎn)程控制的功能，同時(shí)，在生產(chǎn)實(shí)踐中這些設(shè)備還能充分利用信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和多種接口，進(jìn)行雙向的數(shù)據(jù)傳播。而智能化綜采工作面系統(tǒng)的發(fā)展歷經(jīng)了漫長(zhǎng)的發(fā)展過(guò)程并不斷優(yōu)化成熟。

智能化綜采工作面系統(tǒng)是主要由傳感技術(shù)、通信技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和信息技術(shù)等高度集成的技術(shù)，其是一種具備采煤機(jī)自主導(dǎo)航、三機(jī)聯(lián)動(dòng)的自動(dòng)控制和地面設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能的智能化、自動(dòng)化和無(wú)人化的技術(shù)生產(chǎn)模式。這一煤炭生產(chǎn)中的智能化生產(chǎn)模式首先是由王金華等提出的，其較為全面地介紹了智能化工作面系統(tǒng)需要突破的關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用效果和存在的問(wèn)題。他們對(duì)中厚偏薄的煤層智能化開(kāi)采的生產(chǎn)模式進(jìn)行了科學(xué)性的驗(yàn)證，其后，宋振騏重點(diǎn)解讀了煤礦開(kāi)采技術(shù)需要突破的難點(diǎn)，未來(lái)，煤礦開(kāi)采的發(fā)展方向?qū)?huì)逐漸往安全高效的智能化方向靠攏。在煤礦的具體開(kāi)采工作中，監(jiān)控系統(tǒng)和決策系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)信息化、智能化和自動(dòng)化為目標(biāo)，而在實(shí)際的開(kāi)采過(guò)程中，開(kāi)采系統(tǒng)不斷改進(jìn)并力求逐步實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的遙控機(jī)械化和自動(dòng)化，礦區(qū)在發(fā)生自然災(zāi)害事故時(shí)則需要更為自動(dòng)化的決策指揮系統(tǒng)和機(jī)械控制系統(tǒng)。而葛世榮系統(tǒng)地闡述了采煤裝備在進(jìn)行智能化轉(zhuǎn)變時(shí)所需要的“三個(gè)感知，三個(gè)自適”的技術(shù)構(gòu)架。馬洪禮等研究人員主要提出了采用采煤機(jī)滾筒以接觸到不同煤層時(shí)，截割電動(dòng)機(jī)的負(fù)載以及滾筒調(diào)高油缸前后腔壓力變化的新型煤巖識(shí)別技術(shù)、記憶切割技術(shù)以及井下數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)等，這有利于實(shí)現(xiàn)采煤作業(yè)的采煤機(jī)手動(dòng)控制、自主控制以及上位機(jī)遠(yuǎn)程控制等3 種控制工作模式以及對(duì)相關(guān)工作參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè);黃曾華提出了綜采工作面自動(dòng)化控制技術(shù)發(fā)展平臺(tái)，并展望了其技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)；王國(guó)法剖析了綜采工作面自動(dòng)化、智能化和無(wú)人化開(kāi)采的主要技術(shù)難題、制約因素及目前發(fā)展中存在的問(wèn)題，探討了其發(fā)展方向和技術(shù)。

1.2 智能化綜采工作面系統(tǒng)需面對(duì)的問(wèn)題

當(dāng)前，煤炭開(kāi)采的智能化綜采工作面系統(tǒng)尚不穩(wěn)定，還存在許多不得不解決的問(wèn)題：一是煤炭綜采的工作環(huán)境較為惡劣，煤炭開(kāi)采的工作環(huán)境常常是位于幾百米以下的地面深處，環(huán)境悶熱潮濕、粉塵多、光線弱，煤炭開(kāi)采人員難以在如此復(fù)雜艱難的環(huán)境中工作，而綜采系統(tǒng)的傳感器的反應(yīng)速度和可靠性都會(huì)受環(huán)境的制約，難以向地面?zhèn)鬟_(dá)最真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)。二是煤炭開(kāi)采的地質(zhì)環(huán)境十分復(fù)雜，穩(wěn)定性弱，相關(guān)技術(shù)難以在復(fù)雜環(huán)境中實(shí)現(xiàn)普遍應(yīng)用，各礦區(qū)的實(shí)際情況也并不相同，技術(shù)運(yùn)用難度大。三是設(shè)備的制造廠商的控制系統(tǒng)設(shè)備在軟件協(xié)議、冗余功能等方面標(biāo)準(zhǔn)不一，存在巨大差異，難以實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一，這給設(shè)備的集中監(jiān)控帶來(lái)了難度。四是由于實(shí)際開(kāi)采環(huán)境復(fù)雜，在設(shè)計(jì)設(shè)備時(shí)需要充分考慮防爆要求，技術(shù)難度大。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外的智能化綜采技術(shù)都實(shí)現(xiàn)了飛躍，為煤炭開(kāi)采進(jìn)一步指明了發(fā)展方向。

1.3 礦區(qū)智能化綜采工作面系統(tǒng)面臨的技術(shù)問(wèn)題

未來(lái)，礦區(qū)的智能化煤炭綜采工作面系統(tǒng)仍需克服許多關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題：首先是采煤機(jī)的位置檢測(cè)和工作面的自動(dòng)取直技術(shù)。在具體的煤炭開(kāi)采工作中，由于智能化綜采工作面系統(tǒng)是在以往開(kāi)采數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行自動(dòng)化、高效化開(kāi)采。因此，在推進(jìn)工作進(jìn)程時(shí)，為了保證支架和刮板輸送機(jī)的受力處于最佳狀態(tài)，需要保證工作面成一條直線并與煤礦巷道處于正交，因此，工作人員需要結(jié)合地面的地理信息系統(tǒng)收集相關(guān)數(shù)據(jù)，獲取正確的采煤機(jī)位置及其運(yùn)動(dòng)參數(shù)，以幫助采煤機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)航，并通過(guò)截割模型傳輸采煤機(jī)的割取數(shù)據(jù)到液壓支架控制系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)三機(jī)聯(lián)動(dòng)。

其二，智能化煤炭綜采工作面系統(tǒng)需要更穩(wěn)定高速、抗電磁干擾能力強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)通信傳輸平臺(tái)，建設(shè)好智能化的信息系統(tǒng)和自動(dòng)化軟件平臺(tái)。煤炭綜采系統(tǒng)把以太網(wǎng)作為主要的傳輸平臺(tái)，同時(shí)利用光纖、無(wú)線WiFi 等多種傳播形式來(lái)保證通信持續(xù)。目前某煤炭集團(tuán)主要采用國(guó)家電信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，開(kāi)發(fā)了基于井下小靈通技術(shù)的K18 技術(shù)系統(tǒng)，此系統(tǒng)能夠大幅縮短對(duì)突發(fā)事件的反應(yīng)和處理時(shí)間，穩(wěn)定性強(qiáng)，但其仍需克服光纖安裝難度大、易折斷、修復(fù)難度大等問(wèn)題，同時(shí)需要研制更高強(qiáng)度的、速度更快的、安全性更高的礦用光纖技術(shù)。在組建軟件平臺(tái)方面，應(yīng)當(dāng)針對(duì)礦區(qū)的具體情況研制多型號(hào)、多品種、多功能的組件式軟件。其三，礦區(qū)需要加大對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的開(kāi)發(fā)和建設(shè)。智能化綜采工作面系統(tǒng)的井上和井下的傳輸數(shù)據(jù)量龐大，包括監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、圖像、語(yǔ)音和視頻數(shù)據(jù)等，其需要更復(fù)雜更精準(zhǔn)的處理手段，以實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面信息的查詢分析和應(yīng)用，但數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)分析和維護(hù)工作難度巨大。

2 礦業(yè)智能化綜采工作面系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

綜采工作面信息系統(tǒng)是一個(gè)綜采工作面的采煤機(jī)、支架電液控制系統(tǒng)、工作面三機(jī)通信控制系統(tǒng)等，各系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，為煤礦的井下和地面生產(chǎn)、管理人員服務(wù)，構(gòu)建起安全高效生產(chǎn)的現(xiàn)代化信息系統(tǒng)，綜采工作面系統(tǒng)包括單個(gè)工作面系統(tǒng)集成及數(shù)據(jù)上傳和多個(gè)工作面系統(tǒng)集成及數(shù)據(jù)上傳網(wǎng)絡(luò)體系。當(dāng)前，礦區(qū)智能化綜采工作面系統(tǒng)架構(gòu)主要是多個(gè)工作面集成及數(shù)據(jù)上傳網(wǎng)絡(luò)體系。其是由生產(chǎn)檢測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析、專家分析、報(bào)表分析和具體的運(yùn)行管理等部分組成的一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)。處于第一階梯的檢測(cè)系統(tǒng)是基于煤炭開(kāi)采生產(chǎn)狀況而開(kāi)展的工作面檢測(cè)集成系統(tǒng)，其主要包括綜采工作面的數(shù)據(jù)檢測(cè)、順槽層的膠帶機(jī)檢測(cè)和煤炭主運(yùn)輸系統(tǒng)檢測(cè)、主通風(fēng)機(jī)檢測(cè)和生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)的檢測(cè)等幾大部分。在對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和檢測(cè)后再進(jìn)行下一步的數(shù)據(jù)收集同步，將數(shù)據(jù)收集后充實(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)并對(duì)其進(jìn)行深層次的分析，最終直接作用于煤炭開(kāi)采的報(bào)表分析、運(yùn)行管理、設(shè)備維修、功能分析等環(huán)節(jié)（圖1）。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 集成方案

智能化綜采工作面系統(tǒng)的集成主要是以綜采工作面智能控制系統(tǒng)為核心，同時(shí)將采煤機(jī)控制系統(tǒng)，支架電液控制系統(tǒng)、工作面”三機(jī)”通信控制系統(tǒng)、運(yùn)輸控制系統(tǒng)、泵站控制系統(tǒng)和供電系統(tǒng)進(jìn)行集成，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)綜合機(jī)械化采煤工作面設(shè)備的協(xié)調(diào)管理與集中控制。集成系統(tǒng)在地面的調(diào)度中心建立綜采工作面檢測(cè)控制平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)工作面的設(shè)備檢測(cè)、診斷和數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)發(fā)布等功能。

（1）液壓支架智能化控制系統(tǒng)是在支架電液控制系統(tǒng)的標(biāo)配基礎(chǔ)上通過(guò)增加多種傳感器的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)支架的智能化控制功能。其配置有支架控制器、驅(qū)動(dòng)器、傳感器和各種信號(hào)轉(zhuǎn)換器、地面監(jiān)控中心服務(wù)器等各種儀器。（2）采煤機(jī)的智能控制系統(tǒng)通過(guò)工作面的視頻系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)的定位和視頻跟蹤，其能通過(guò)工作面的巷道遠(yuǎn)程操作臺(tái)來(lái)控制采煤機(jī)的速度，能使采煤機(jī)依據(jù)特定的速率和程序來(lái)自動(dòng)運(yùn)行，同時(shí)工人根據(jù)采煤機(jī)的具體運(yùn)行情況在需要進(jìn)行人工干預(yù)時(shí)及時(shí)采取措施。這種智能化操作系統(tǒng)要求采煤機(jī)具有更成熟和強(qiáng)大的功能，如參數(shù)檢測(cè)功能、感知和控制功能、定位功能、主動(dòng)式采煤機(jī)與運(yùn)輸系統(tǒng)的狀態(tài)自動(dòng)協(xié)調(diào)的功能，緊急閉鎖功能等。（3）刮板輸送的智能控制系統(tǒng)是以工作面刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)和破碎機(jī)等機(jī)器綜合利用為基礎(chǔ)的在線監(jiān)測(cè)集中控制系統(tǒng)，其具備檢測(cè)減速器和電動(dòng)機(jī)溫度、降壓?jiǎn)?dòng)雙速電動(dòng)機(jī)、“三機(jī)”啟停和軟啟動(dòng)集成控制等多種復(fù)雜功能。第四，泵站智能控制系統(tǒng)是配置有各種傳感器來(lái)對(duì)泵站進(jìn)行狀態(tài)預(yù)警與保護(hù)，具備電控液壓等功能，能夠?qū)崿F(xiàn)乳化液泵站的空載啟停、系統(tǒng)壓力波動(dòng)的最小化及系統(tǒng)瞬間供液最大化的智能控制系統(tǒng)。

3 實(shí)現(xiàn)功能與效果

隨著技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，我國(guó)多數(shù)礦區(qū)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了綜采工作面的機(jī)械化生產(chǎn)，其中國(guó)產(chǎn)綜采成套技術(shù)和裝備的研發(fā)成功更促進(jìn)了綜采機(jī)械化的發(fā)展，為智能化綜采系統(tǒng)的發(fā)展成熟提供了條件。2000 年天地科技股份有限公司北京開(kāi)采所與外企合作開(kāi)展了薄煤層的自動(dòng)化無(wú)人工作面研究并開(kāi)展了實(shí)踐操作。2005 年大同煤業(yè)集團(tuán)引進(jìn)了國(guó)外技術(shù)并實(shí)現(xiàn)了綜采工作面的無(wú)人操作，2008 年中國(guó)已經(jīng)達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平，打破外企的技術(shù)封鎖。而在某礦區(qū)進(jìn)行的智能化煤炭綜采工作面系統(tǒng)的運(yùn)用效果明顯，采煤機(jī)、液壓支架、運(yùn)輸設(shè)備等都實(shí)現(xiàn)了PLC 或嵌入式控制，礦區(qū)工人的勞動(dòng)強(qiáng)度大幅降低，未來(lái)礦區(qū)將以無(wú)人化和自動(dòng)化操作為最終目標(biāo)，同時(shí)礦區(qū)對(duì)工作面總控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、圍巖的支架耦合控制技術(shù)、高清可視化技術(shù)、快速移架控制技術(shù)和設(shè)備三維虛擬技術(shù)進(jìn)行了煤礦開(kāi)采的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐應(yīng)用。礦區(qū)已經(jīng)初步搭建了自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)和區(qū)域自動(dòng)化控制系統(tǒng)，未來(lái)，礦區(qū)將會(huì)持續(xù)利用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新?lián)Q代，不斷提高煤炭綜采工作的效率。

4 實(shí)際應(yīng)用

在礦區(qū)智能化煤炭綜采工作面系統(tǒng)運(yùn)用中，通過(guò)技術(shù)革新和數(shù)據(jù)監(jiān)控分析，礦區(qū)煤炭開(kāi)采工作取得了十分明顯的成效：2016 年采煤機(jī)的平均開(kāi)機(jī)率為57.1%，2017 年前三季度的采煤機(jī)平均開(kāi)機(jī)率為61.4%，而在生產(chǎn)效率方面也取得了顯著成效，2016 年采煤機(jī)平均生產(chǎn)效率為37.1%，而2017 年前三季度的采煤機(jī)平均生產(chǎn)效率為45.2%。目前礦區(qū)的綜采工作開(kāi)機(jī)率和綜采工作面的生產(chǎn)效率不斷提高，這為提高煤炭開(kāi)采的經(jīng)濟(jì)效率做出了重要貢獻(xiàn)，預(yù)計(jì)大采高開(kāi)機(jī)率每提高1%，單個(gè)綜采工作面每年就將增產(chǎn)10 萬(wàn)噸，而中厚煤層開(kāi)機(jī)率每提高1%，單個(gè)綜采工作面每年將會(huì)增產(chǎn)7 萬(wàn)噸，這大大提高了煤炭開(kāi)產(chǎn)的效率，經(jīng)濟(jì)效益持續(xù)增加，預(yù)計(jì)在生產(chǎn)效率全面提高的同時(shí)，相關(guān)開(kāi)采設(shè)備的大修率將會(huì)不斷降低，大修費(fèi)用將會(huì)不斷減少，礦區(qū)已經(jīng)逐漸實(shí)現(xiàn)其減少設(shè)備故障率、提高設(shè)備利用率、降低設(shè)備營(yíng)運(yùn)成本等目標(biāo)，開(kāi)采工作已不斷實(shí)現(xiàn)智能化、自動(dòng)化、高效化和安全化，未來(lái)，礦區(qū)將會(huì)持續(xù)成長(zhǎng)為開(kāi)采效率更高、設(shè)備智能化水平更高、操作安全性更高更穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)效益更佳的成熟性煤炭開(kāi)采礦區(qū)，為我國(guó)煤炭開(kāi)采的現(xiàn)代化做出更多貢獻(xiàn)。

5 結(jié)語(yǔ)

智能化的煤炭綜采工作面系統(tǒng)是條件適宜的煤層高效開(kāi)采技術(shù)的發(fā)展方向，智能化、自動(dòng)化、安全高效的煤炭開(kāi)采理念是時(shí)代發(fā)展的需要。目前神東礦區(qū)進(jìn)行了智能化綜采工作面生產(chǎn)的應(yīng)用探索，其智能化綜采工作面系統(tǒng)已經(jīng)得到了巨大發(fā)展，取得更好的經(jīng)濟(jì)效益和科學(xué)效率，但距完全自動(dòng)化、排除人工干預(yù)的全智能化還有一定差異。未來(lái)，神東礦區(qū)將致力于構(gòu)建更成熟更全面的專家數(shù)據(jù)庫(kù)，建立起專業(yè)的機(jī)電專家支持機(jī)制，不斷研發(fā)煤炭開(kāi)采的核心技術(shù)，將煤炭工人從人工生產(chǎn)中解放出來(lái)。