煤礦井下綜合機(jī)械化采掘設(shè)備升級(jí)改造及智能化建設(shè)

張劍

[摘? ? 要]采掘設(shè)備智能化是煤炭行業(yè)的發(fā)展方向，也是煤炭行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的必然要求。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和科技發(fā)展，5G技術(shù)和大數(shù)據(jù)分析也逐漸進(jìn)入煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)。通過(guò)在掘進(jìn)系統(tǒng)中增加感知源器件和執(zhí)行源器件，能夠?qū)崿F(xiàn)掘進(jìn)機(jī)械的智能化操作。文章將基于此探討煤礦井下綜合機(jī)械化采掘設(shè)備升級(jí)改造及智能化建設(shè)。

[關(guān)鍵詞]煤礦;采掘設(shè)備;智能化

[中圖分類(lèi)號(hào)]TD632 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）10–00–02

Upgrading and Intelligent Construction of Comprehensive Mechanized

Mining Equipment in Underground Coal Mines

Zhang Jian

[Abstract]Intelligent mining equipment is the development direction of the coal industry， and it is also an inevitable requirement for the transformation and upgrading of the coal industry. With the development of my country's economy and technology， 5G technology and big data analysis have gradually entered the coal production system. By adding the sensing source device and the execution source device in the tunneling system， the intelligent operation of the tunneling machine can be realized. Based on this， this article will discuss the upgrading and intelligent construction of comprehensive mechanized mining equipment underground in coal mines.

[Keywords]coal mine; mining equipment; intelligence

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型，煤炭企業(yè)也在謀求升級(jí)和轉(zhuǎn)型。智能采掘設(shè)備能夠最大限度地提高煤礦生產(chǎn)的效率和質(zhì)量，同時(shí)還能縮減井下作業(yè)人員規(guī)模，降低采礦成本。國(guó)家對(duì)智能化煤礦建設(shè)有詳細(xì)規(guī)劃，即計(jì)劃在2025年之前，形成智能化決策、智能化運(yùn)行、智能化監(jiān)管的智能化系統(tǒng);在2035年之前全面完成智慧煤礦建設(shè)。目前煤礦智能化建設(shè)仍在試驗(yàn)階段，人工智能、大數(shù)據(jù)運(yùn)算、5G技術(shù)還未與煤礦工業(yè)達(dá)成深度融合。

1 煤礦采掘技術(shù)現(xiàn)狀

根據(jù)地質(zhì)條件變化，煤礦采掘的難度和需要的機(jī)械設(shè)備也有所不同。但是從實(shí)際情況來(lái)看，大部分的煤礦施工都十分復(fù)雜，要實(shí)現(xiàn)采掘設(shè)備全智能化有很大難度。在現(xiàn)階段的技術(shù)背景下，智能采掘設(shè)備主要集中在部分采掘技術(shù)中，已經(jīng)能夠有效提高采掘效率和質(zhì)量。

1.1 采掘系統(tǒng)發(fā)展歷程

我國(guó)煤炭開(kāi)采歷史較西方發(fā)達(dá)國(guó)家較晚，在20世紀(jì)中期仍然還在采用人工打眼、支護(hù)等方式進(jìn)行煤礦開(kāi)采，挖掘效率很低。鏟斗后卸式裝巖機(jī)在20世紀(jì)60年代后開(kāi)始投入使用，雖然運(yùn)輸效率沒(méi)有得到提高，支護(hù)技術(shù)手段也十分落后，但大機(jī)械替代了部分人力勞作，減少了煤炭行業(yè)對(duì)人力的需求。20世紀(jì)70年代后期，煤炭行業(yè)真正走入了大機(jī)械時(shí)代，許多國(guó)際先進(jìn)的挖掘設(shè)備引入我國(guó)，簡(jiǎn)化了煤炭采掘流程，有效提高了煤炭采掘效率和質(zhì)量。

1.2 巖巷施工作業(yè)現(xiàn)狀

當(dāng)前我國(guó)巖巷施工主要有兩種方式：一種是傳統(tǒng)的鉆爆法。鉆爆法開(kāi)采是我國(guó)使用范圍最廣泛的煤炭開(kāi)采方式。其優(yōu)點(diǎn)是機(jī)械構(gòu)造簡(jiǎn)易、可靠性和可調(diào)整性較強(qiáng)，同時(shí)還具有維修方便和成本較低等優(yōu)點(diǎn)。但是這種煤炭開(kāi)采方式需要用到大量的勞動(dòng)力且施工周期較長(zhǎng)。另一種是巖石平巷作業(yè)法。這種采掘方法機(jī)械化程度很高，其優(yōu)點(diǎn)在于采掘效率高、人力成本少，缺點(diǎn)在于采掘機(jī)械體型較大，在維修和變更采掘計(jì)劃時(shí)缺乏靈活性，不適用于小型煤礦開(kāi)采。

1.3 現(xiàn)有的高效掘進(jìn)方式

當(dāng)前比較高效的掘進(jìn)方式主要有3種：①煤巖巷綜合機(jī)械化掘進(jìn)，這種掘進(jìn)方式是我國(guó)應(yīng)用廣泛的掘進(jìn)方式之一，適用范圍很廣。②連續(xù)采煤機(jī)與錨桿鉆車(chē)配套作業(yè)線，適用于較為特殊的煤礦作業(yè)。③掘錨一體化掘進(jìn)。這種掘進(jìn)方式功能十分完善，不僅可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)切割運(yùn)輸和支護(hù)作業(yè)，還具有轉(zhuǎn)載、轉(zhuǎn)向除塵等其他功能，適合全硬巖煤巷采掘。

2 智能采掘系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)功能

智能采掘系統(tǒng)主要依靠感知元器件和執(zhí)行元器件實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)器的智能化操作。在現(xiàn)階段的技術(shù)背景下，通過(guò)大數(shù)據(jù)技術(shù)和影像采集技術(shù)，掘進(jìn)機(jī)械已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)可視化操作、自動(dòng)化操作和遠(yuǎn)程操作。其具體功能包括：遠(yuǎn)程遙控操作、智能定位和安全系統(tǒng)、自動(dòng)化控制和速度調(diào)節(jié)操作、遠(yuǎn)程監(jiān)控等。

2.2 系統(tǒng)組成

智能采掘系統(tǒng)主要由主控層、網(wǎng)絡(luò)層和設(shè)備層組成，包括主控、感知、防撞、定位、遙控、預(yù)警、通訊和集控8個(gè)單元。

主控層是相關(guān)操作人員和計(jì)算機(jī)進(jìn)行直接交互的窗口。計(jì)算機(jī)主要負(fù)責(zé)對(duì)采掘系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、分析和處理，并將這些信息處理成圖表圖像聲音和視頻，方便操作人員讀取。

設(shè)備層就是進(jìn)行采掘作業(yè)和實(shí)現(xiàn)智能化操作的各種設(shè)備，這個(gè)系統(tǒng)包含各類(lèi)感知元器件、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備和各種型號(hào)的采掘設(shè)備。需要注意的是設(shè)備層中的智能監(jiān)控和導(dǎo)航設(shè)備。智能監(jiān)控和導(dǎo)航設(shè)備是智能采掘系統(tǒng)的設(shè)備核心，通過(guò)有源監(jiān)控設(shè)備和無(wú)源導(dǎo)航設(shè)備，可以將煤巷的情況清晰地展現(xiàn)出來(lái)，并進(jìn)行精準(zhǔn)定位，再加上自主識(shí)別設(shè)備和多種傳感器的配合，能夠使采掘操作更加精準(zhǔn)和智能。

網(wǎng)絡(luò)層是數(shù)據(jù)傳播和匯聚的中心，又稱(chēng)為通信層，其主要功能是實(shí)現(xiàn)設(shè)備和主控層之間的交流，是二者溝通的橋梁。即將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳遞到計(jì)算機(jī)中，再將操作人員的指令傳達(dá)給設(shè)備層，由此完成二者的交流。

主控單元。這個(gè)單元是整個(gè)智能化采掘系統(tǒng)的核心。通過(guò)對(duì)整個(gè)掘進(jìn)工程的數(shù)據(jù)和進(jìn)度采集分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)其他單元的調(diào)度和控制，具體功能有采掘進(jìn)度安排、采掘工藝編排、采掘計(jì)劃設(shè)計(jì)等。

感知單元。這個(gè)單元如同整個(gè)智能化采掘系統(tǒng)的眼睛，主要負(fù)責(zé)通過(guò)各類(lèi)影像設(shè)備和感知源器件對(duì)采掘設(shè)備運(yùn)行和采掘進(jìn)程的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析，為主控單元提供數(shù)據(jù)參考。

定位單元。定位單元主要通過(guò)收集采掘設(shè)備的走位、對(duì)比預(yù)設(shè)掘進(jìn)參數(shù)，為掘進(jìn)設(shè)備行走調(diào)節(jié)提供參考。

防撞單元。防撞單元又稱(chēng)為設(shè)備安全單元，主要負(fù)責(zé)采集采掘設(shè)備機(jī)身周?chē)鷶?shù)據(jù)，通過(guò)分析周邊地理環(huán)境，防止采掘設(shè)備和周?chē)鷰r石發(fā)生碰撞。

遙控單元。遙控單元是采掘系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能化的關(guān)鍵單元，遙控單元包含兩個(gè)部分：一部分是利用互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)采掘設(shè)備的可視化控制;另一部分是利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)司機(jī)與采掘機(jī)械的遠(yuǎn)程采掘操作。

預(yù)警保護(hù)單元。預(yù)警保護(hù)單元是通過(guò)對(duì)比預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)之間的差別，及時(shí)發(fā)現(xiàn)采掘設(shè)備或采掘過(guò)程中可能存在的問(wèn)題，并針對(duì)這些問(wèn)題發(fā)出預(yù)警，實(shí)現(xiàn)故障告警停機(jī)，故障預(yù)警牽停等功能。

通信單元。通信單元的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性影響著整個(gè)采掘系統(tǒng)效率跟安全。通信單元主要包括兩個(gè)內(nèi)容：①機(jī)械設(shè)備各部件之間的通信;②主控層和設(shè)備層之間的數(shù)據(jù)傳輸。

集控單元。集控單元屬于聯(lián)合控制單元，通過(guò)對(duì)采掘設(shè)備機(jī)身數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)皮帶機(jī)、局扇風(fēng)機(jī)預(yù)計(jì)掘進(jìn)工藝的聯(lián)動(dòng)閉鎖。司機(jī)可以在集控室中通過(guò)視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控實(shí)現(xiàn)對(duì)采掘機(jī)械的遠(yuǎn)程可視化采掘操作。

3 智能采掘系統(tǒng)加強(qiáng)和升級(jí)

3.1 加強(qiáng)人機(jī)交互界面

標(biāo)準(zhǔn)的可視化系統(tǒng)都具有圖顯功能，龐大的監(jiān)控系統(tǒng)具有畫(huà)面切換、畫(huà)面導(dǎo)航等功能，便于管理人員讀取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和畫(huà)面情況。在較新的智能監(jiān)控系統(tǒng)中，畫(huà)面不僅具備平面畫(huà)面和線路示意圖，還能進(jìn)行三維建模還原空間地理畫(huà)面。這種建模功能不同于實(shí)時(shí)監(jiān)控畫(huà)面，是以采掘線路為主要顯示內(nèi)容的建模畫(huà)面，更具直觀性和參考性。在畫(huà)面內(nèi)容的基礎(chǔ)上，畫(huà)面顯示也十分全面，除了能夠顯示采掘設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)之外，還能對(duì)采掘線路進(jìn)行顯著著色，能夠幫助管理人員發(fā)現(xiàn)采掘中的問(wèn)題。這樣的人機(jī)交互界面方便讀識(shí)，對(duì)操作人員十分友好。

3.2 加強(qiáng)用戶管理設(shè)計(jì)

通過(guò)站控層可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同用戶開(kāi)放不同權(quán)限，這個(gè)功能能夠?qū)?zhuān)業(yè)人員、管理人員以及普通工作人員區(qū)分開(kāi)，限制非專(zhuān)業(yè)人員的實(shí)用權(quán)限。例如：在某一采掘設(shè)備上設(shè)置權(quán)限，只允許具有操作口令的專(zhuān)業(yè)人員對(duì)其進(jìn)行操作，就能有效防止非操作人員的誤操作，能夠有效保障采掘系統(tǒng)的安全性和可靠性，減少非專(zhuān)業(yè)因素對(duì)采掘安全的影響。

3.3 加強(qiáng)數(shù)據(jù)采集處理設(shè)計(jì)

采掘監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)采掘施工數(shù)據(jù)采集是實(shí)時(shí)的，這里的數(shù)據(jù)采集處理設(shè)計(jì)主要包括3個(gè)層次：①對(duì)數(shù)據(jù)的采集和收集;②將收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，處理成可供管理人員讀取的數(shù)據(jù);③對(duì)重要數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和加強(qiáng)顯示。

3.4 加強(qiáng)記錄和故障報(bào)警設(shè)計(jì)

智能采掘監(jiān)控系統(tǒng)最為強(qiáng)大的功能，除了能夠?qū)Σ删蛳到y(tǒng)的監(jiān)控之外，還有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理能力。這種能力主要體現(xiàn)在其能夠?qū)⑺胁删蚯闆r、方向變化以及人員操作等因素全部記錄下來(lái)，生成運(yùn)行記錄。在故障發(fā)生時(shí)，能夠?qū)⒐收蠒r(shí)間、位置和工作人員操作信息記錄下來(lái)，同時(shí)還具備聲音報(bào)警功能。這項(xiàng)強(qiáng)大的設(shè)計(jì)不僅能夠幫助工作人員第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)故障，還能為維修人員溯源故障原因和追究崗位責(zé)任提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)參考。

3.5 加強(qiáng)信息保護(hù)功能設(shè)計(jì)

加強(qiáng)信息保護(hù)這個(gè)功能可以說(shuō)是一項(xiàng)定制功能?？梢酝ㄟ^(guò)設(shè)置保護(hù)定制和保護(hù)動(dòng)作，對(duì)煤礦的采掘運(yùn)行狀況信息進(jìn)行保護(hù)，并實(shí)時(shí)生成運(yùn)行報(bào)告、故障報(bào)告、處理報(bào)告以及報(bào)警報(bào)告等。

4 智能采掘系統(tǒng)未來(lái)展望

現(xiàn)階段，人工智能和大數(shù)據(jù)運(yùn)算在掘進(jìn)技術(shù)中的應(yīng)用還停留在較為淺層的階段，數(shù)據(jù)的采集效率、數(shù)據(jù)全面性和精準(zhǔn)性以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)男噬胁荒苤纹鹬腔鄄删蛳到y(tǒng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)包括自動(dòng)截割、智能挖掘在內(nèi)的自動(dòng)化操作。但遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)充分說(shuō)明了數(shù)據(jù)通信鏈路通暢能夠?qū)崿F(xiàn)掘進(jìn)動(dòng)作控制，隨著5G技術(shù)的發(fā)展，對(duì)設(shè)備控制精度和控制范圍會(huì)有質(zhì)的提升。相信在不久的將來(lái)，可以實(shí)現(xiàn)由井下掘錨機(jī)、多臂錨桿鉆車(chē)、破碎轉(zhuǎn)載機(jī)、可彎曲膠帶轉(zhuǎn)載機(jī)組成的配備通風(fēng)除塵、控制通訊等設(shè)備一體化的高效快速掘進(jìn)系統(tǒng)，甚至實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)設(shè)計(jì)和掘進(jìn)施工的全自動(dòng)化、全機(jī)械化，大幅度減少人力的使用。

5 結(jié)束語(yǔ)

煤炭行業(yè)是我國(guó)主要的能源行業(yè)之一，其與人們的生活、城市的發(fā)展息息相關(guān)。隨著互聯(lián)網(wǎng)云計(jì)算和大數(shù)據(jù)等信息化技術(shù)產(chǎn)生和發(fā)展，我國(guó)的煤礦行業(yè)正在不斷進(jìn)步，完成從勞動(dòng)密集型向技術(shù)密集型行業(yè)的轉(zhuǎn)變。而感知識(shí)別、數(shù)據(jù)進(jìn)度、掘進(jìn)參數(shù)和采掘決策以及多系統(tǒng)協(xié)調(diào)仍然是現(xiàn)階段的智能采掘系統(tǒng)面臨的主要問(wèn)題。人工智能和煤礦采掘設(shè)備的融合探索才剛剛開(kāi)展，通過(guò)信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能化采掘策劃、智能化采掘施工和智能化采掘監(jiān)管的前景無(wú)限廣闊。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃丹，楊小聰，陳何.TBM在地下金屬礦山應(yīng)用中的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J].有色金屬工程，2019（11）：108-121.

[2] 張娜，李建斌，荊留杰，等.基于隧道掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程的巖體狀態(tài)感知方法[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2019（10）：1977-1985.

[3] 王存飛，榮耀.透明工作面的概念、架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2019（7）：156-163.

[4] 賈炎.礦用全斷面巷道掘進(jìn)機(jī)機(jī)型特點(diǎn)[J].煤礦安全，2019（7）：168-171.

[5] 程永亮，鐘掘，暨智勇，等.TBM刀盤(pán)地質(zhì)適應(yīng)性設(shè)計(jì)方法及其應(yīng)用[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2018（1）：1-9.

[6] 謝和平，王金華，王國(guó)法，等.煤炭革命新理念與煤炭科技發(fā)展構(gòu)想[J].煤炭學(xué)報(bào)，2018（5）：1187-1197.