智能礦山建設(shè)實踐及關(guān)鍵技術(shù)

任文清， 高小強

(神華神東煤炭集團有限責(zé)任公司 大柳塔煤礦， 陜西 神木 719315)

0 引言

當前煤炭行業(yè)正處于全面建成智能礦山的關(guān)鍵時期[1-2]。針對煤礦智能化建設(shè)現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)，國內(nèi)外學(xué)者進行了大量研究與探索。潘濤等[3]詳細介紹了智能礦山發(fā)展歷程及規(guī)劃，并以神華神東煤炭集團有限責(zé)任公司大柳塔煤礦、榆家梁煤礦、上灣煤礦和錦界煤礦為例，從智能工作面開采、智能選煤廠、煤礦機器人等方面進行深入剖析，得出了智能礦山建設(shè)的意義。韓建國[4]概述了智能礦山的內(nèi)涵，設(shè)計了適用于神華集團智能礦山的5層架構(gòu)，并闡述了“智慧”與“能力”平臺建設(shè)概念，以大數(shù)據(jù)為挖掘工具，為煤礦企業(yè)管理層制定決策提供數(shù)據(jù)支持。文獻[5-9]闡述了國內(nèi)外智能化礦山建設(shè)現(xiàn)狀、發(fā)展規(guī)劃與技術(shù)路徑，對煤礦綜采、掘進、運輸、機電、通風(fēng)等系統(tǒng)的智能化技術(shù)進行研究，將空間信息處理、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實、云計算等技術(shù)應(yīng)用到煤礦井下，實現(xiàn)采掘一線少人化、固定崗位無人化、安全生產(chǎn)智能化，有效提升煤礦智能化建設(shè)水平。

通過檢索國內(nèi)外文獻可知，當前對智能礦山概念、發(fā)展規(guī)劃的研究較多，對于智能化建設(shè)成果和關(guān)鍵技術(shù)的研究相對較少。本文以大柳塔煤礦智能化建設(shè)為例，論述了綜采、掘進、運輸、供電、供排水等系統(tǒng)的智能化建設(shè)情況，指出了目前我國智能礦山建設(shè)面臨的難題，提出了技術(shù)攻關(guān)方向，為實現(xiàn)智慧煤礦積累經(jīng)驗。

1 智能礦山概述

智能礦山以信息化建設(shè)為基礎(chǔ)，以自動化建設(shè)為手段，融合5G通信、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、智能傳感、人工智能等先進技術(shù)，最大程度地減少井下作業(yè)人數(shù)，改善礦井員工作業(yè)環(huán)境，提高工作效率，并打造跨系統(tǒng)多維度的數(shù)據(jù)分析平臺，為管理層制定礦井發(fā)展方向與決策提供可靠數(shù)據(jù)支持[10-11]。

智能礦山建設(shè)技術(shù)架構(gòu)如圖1所示，其包括感知層、傳輸層、數(shù)據(jù)層、平臺支撐層和應(yīng)用層。

感知層將前端感知的視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)、安全監(jiān)測數(shù)據(jù)、生產(chǎn)自動化數(shù)據(jù)等通過串口、網(wǎng)關(guān)、PLC、綜合分站、移動設(shè)備等進行集中采集。傳輸層利用井上下工業(yè)環(huán)網(wǎng)、視頻專網(wǎng)、4G/5G無線網(wǎng)絡(luò)等對感知數(shù)據(jù)進行傳輸。數(shù)據(jù)層按照統(tǒng)一標準對感知層數(shù)據(jù)進行分類存儲。平臺支撐層基于實時數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)需求進行數(shù)據(jù)抽取、數(shù)據(jù)可視化、大數(shù)據(jù)分析等，提供基礎(chǔ)技術(shù)支撐服務(wù)、數(shù)據(jù)管理支撐服務(wù)、數(shù)據(jù)共享與交換服務(wù)、應(yīng)用與分析支撐服務(wù)。應(yīng)用層提供面向業(yè)務(wù)應(yīng)用的服務(wù)，主要包括基于時空GIS“一張圖”的安全監(jiān)測系統(tǒng)、基于時空GIS“一張圖”的生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)、生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)、經(jīng)營管理系統(tǒng)及綜合決策大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，并通過調(diào)度大屏、PC應(yīng)用端、門戶網(wǎng)站、移動APP等方式進行展示，PC應(yīng)用端、門戶網(wǎng)站和移動APP均可基于權(quán)限控制實現(xiàn)煤礦不同用戶需求。

圖1 智能礦山建設(shè)技術(shù)架構(gòu)Fig.1 Technical structure of intelligent mine construction

2 大柳塔煤礦智能化建設(shè)實踐

2.1 基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

大柳塔煤礦建成了井上下生產(chǎn)環(huán)網(wǎng)，保障數(shù)據(jù)可靠傳輸。以52煤為例，在井下中央變電所、五盤區(qū)變電所、加壓泵房、六盤區(qū)變電所分別布置萬兆環(huán)網(wǎng)交換機，形成一個環(huán)形結(jié)構(gòu)，在中央變電所至地面鋪設(shè)2趟光纜，形成井上下生產(chǎn)環(huán)網(wǎng)。在井下變電所、帶式輸送機機頭、運輸巷及采掘工作面分別布置4G綜合分站，形成“一網(wǎng)一站”。4G綜合分站是集無線通信、車輛定位、人員定位、語音IP電話、語音廣播和數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)采集等業(yè)務(wù)于一體，將互聯(lián)網(wǎng)、電信網(wǎng)與廣播電視網(wǎng)“三網(wǎng)融合”，具有視頻圖像實時監(jiān)控、運行數(shù)據(jù)動態(tài)監(jiān)測、語音通信即時溝通功能的綜合信息化網(wǎng)絡(luò)管理平臺[12-13]。在掘進工作面布置5G通信系統(tǒng)，其由地面核心網(wǎng)、IP RAN(Radio Access Network，無線電接入網(wǎng))、基帶控制單元、遠端數(shù)據(jù)匯聚單元、微型射頻拉遠單元等組成，為智能礦山建設(shè)提供低時延、大帶寬傳輸網(wǎng)絡(luò)。

2.2 綜采工作面智能化建設(shè)

綜采工作面智能化建設(shè)包括工作面巷道集控中心智能化建設(shè)和工作面智能化建設(shè)2個方面。工作面巷道集控中心智能化建設(shè)主要完成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)搭建和集控室軟硬件建設(shè)，實現(xiàn)采煤機、刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機、破碎機、液壓支架、泵站、組合開關(guān)、移動變電站集控，以及礦壓、采煤機位置及割煤刀數(shù)、煤流運輸?shù)葦?shù)據(jù)的跨系統(tǒng)多維度分析。工作面智能化建設(shè)主要實現(xiàn)液壓支架自動化跟機和采煤機自主割煤。液壓支架自動化跟機通過自動識別采煤機位置，觸發(fā)液壓支架跟機程序，實現(xiàn)自動拉架、推溜和伸收護幫板功能。采煤機自主割煤是基于人工智能的預(yù)測算法，通過安裝在采煤機機身上的位置傳感器、采高傳感器和俯仰搖擺傳感器，以及十二工步割煤工藝(圖2)邏輯控制，實現(xiàn)采煤機自主割煤。

圖2 十二工步割煤工藝流程Fig.2 Cutting process of twelve steps

2.3 掘進智能化建設(shè)

掘進智能化建設(shè)包括掘進工作面運輸、供電、供風(fēng)系統(tǒng)集控，工作面連采機自動化生產(chǎn)，破碎機與梭車自動化聯(lián)動，錨桿機自動化支護等方面的建設(shè)。大柳塔煤礦8個工作面運輸、供電、供風(fēng)系統(tǒng)實現(xiàn)了集控，取消掘進工作面運輸系統(tǒng)固定崗位26個，減員50余人，同時制定了設(shè)備開機率報表，為生產(chǎn)管理人員提供指導(dǎo)性數(shù)據(jù)。掘進工作面智能化實現(xiàn)了連采機基于5G傳輸網(wǎng)絡(luò)、慣導(dǎo)和負載敏感等技術(shù)的遠程控制和自主割煤功能及破碎機與梭車聯(lián)動啟停功能，并通過引進兩臂自動錨桿機實現(xiàn)了錨桿自動定位、自動打鉆、自動錨固功能，支護單根錨桿時間由5 min縮短至3 min，支護效率提升40%。

2.4 主運輸智能化建設(shè)

主運輸智能化建設(shè)實現(xiàn)了帶式輸送機、給煤機集控，帶式輸送機滾筒溫度、振動在線監(jiān)測，帶式輸送機供配電集控功能，開發(fā)了帶式輸送機手持式智能監(jiān)控軟件、地面集控室監(jiān)測系統(tǒng)和井下巡視工監(jiān)控系統(tǒng)。帶式輸送機可基于視頻自適應(yīng)調(diào)速，降低了空轉(zhuǎn)率。以某一部1 700 m帶式輸送機為例，調(diào)速范圍為2.7～4.0 m/s，日節(jié)約用電約500 kW·h。針對部分關(guān)鍵帶式輸送機，引進智能巡檢機器人技術(shù)，對帶式輸送機堆煤、跑偏、異物等進行檢測，巡檢機器人搭載紅外熱成像儀，監(jiān)測帶式輸送機電動機、減速機、滾筒、托輥等設(shè)備的溫度，以發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障前期的發(fā)熱現(xiàn)象，為帶式輸送機安全運行提供支持。鋼絲繩牽引式智能機器人巡檢畫面如圖3所示。

圖3 智能機器人巡檢畫面Fig.3 Intelligent robot inspection screen

2.5 供電智能化建設(shè)

煤礦變電所已實現(xiàn)無人值守。五盤區(qū)變電所引進軌道式智能巡檢機器人，按預(yù)設(shè)時間定時巡檢變電所各高壓柜運行狀態(tài)及周圍環(huán)境，解決固定視頻監(jiān)控死角問題；可與自動化系統(tǒng)聯(lián)動，當某臺高壓柜發(fā)生故障時，機器人自行移動至柜前進行巡查；可對高壓柜合閘操作人員進行人臉識別確認，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的操作票制度；可對高壓柜操作情況進行視頻錄像，在員工因操作失誤造成事故后，可查看監(jiān)控視頻進行追查；監(jiān)測到環(huán)境氣體超限時，可自動切斷供電電源。

2.6 供排水智能化建設(shè)

煤礦供排水泵房已實現(xiàn)無人值守。五盤區(qū)水泵房引進智能巡檢機器人，實現(xiàn)水泵房紅外熱成像、自主巡視和儀器儀表自主識別等功能。零星排水點33臺水泵實現(xiàn)集控，計劃2 a內(nèi)實現(xiàn)管路沿線壓力、流量在線監(jiān)測和自動均衡排水。

大柳塔煤礦于2010年建成了可充分利用采空區(qū)空間儲水及采空區(qū)矸石對水體進行過濾凈化、自然壓差輸水的循環(huán)、環(huán)保、節(jié)能、效益型分布式地下水庫，儲水約710.49萬m3，且已建成智能監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了礦井水不外排，有效保護了地下水資源[14]。計劃2021年6月前在52煤五盤區(qū)建1個儲量約1 800萬m3的地下水庫，實現(xiàn)水庫智能監(jiān)測監(jiān)控，保證水庫安全運行。

2.7 輔助運輸智能化建設(shè)

在輔助運輸車輛上加裝雷達、攝像機等設(shè)備，自主感知識別車輛50 m范圍內(nèi)人、車及障礙物，在司機誤操作或無法操作制動踏板的情況下，主動報警、減速、制動，保護井下人員及車輛安全；實現(xiàn)了駕駛員疲勞監(jiān)測功能，實時監(jiān)視駕駛?cè)藛T行為，對危險駕駛行為進行告警；實現(xiàn)了智能限速識別功能，可有效規(guī)范井下道路駕駛行為，從技術(shù)上杜絕超速駕駛。智能輔助運輸視頻監(jiān)控畫面如圖4所示。

圖4 智能輔助運輸視頻監(jiān)控畫面Fig.4 Video monitoring screen of intelligent auxiliary transport

3 智能礦山建設(shè)關(guān)鍵點

(1) 拓寬網(wǎng)絡(luò)通道。目前煤礦采用的4G網(wǎng)絡(luò)通信速率為上行40 Mbit/s、下行100 Mbit/s，傳輸數(shù)據(jù)時正常，傳輸視頻時卡頓。需建設(shè)井下5G網(wǎng)絡(luò)(上行速率300 Mbit/s，下行速率2 000 Mbit/s)，傳輸數(shù)據(jù)及視頻圖像時速度快，更易于實現(xiàn)智能礦山。

(2) 統(tǒng)一各子系統(tǒng)接口?，F(xiàn)有的采掘設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸接口有RS485、CAN、以太網(wǎng)等10余種，其中以太網(wǎng)接口具有數(shù)據(jù)采集方便、接入環(huán)網(wǎng)容易、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定等特點，因此應(yīng)盡快推廣設(shè)備以太網(wǎng)接口。

(3) 各種關(guān)聯(lián)設(shè)備安全可靠。智能礦山建設(shè)投入的設(shè)備必須安全可靠，保證數(shù)據(jù)真實性及數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

(4) 專業(yè)人才隊伍齊備。需培養(yǎng)、配齊專業(yè)的智能礦山網(wǎng)絡(luò)工程師、軟件工程師、大數(shù)據(jù)分析工程師等。

4 智能礦山建設(shè)難點

(1) 缺乏頂層設(shè)計。只提出了建設(shè)目標，未對目標進行細化，煤礦在推進智能化建設(shè)過程中沒有統(tǒng)一標準。

(2) 目前礦井在用設(shè)備種類多，設(shè)備生產(chǎn)廠商多，各廠商的設(shè)備技術(shù)參數(shù)、通信接口、通信協(xié)議不統(tǒng)一，互聯(lián)互通性差，導(dǎo)致智能礦山建設(shè)過程中系統(tǒng)集成和數(shù)據(jù)融合困難。

(3) 礦井已建成的信息化子系統(tǒng)較多，已基本實現(xiàn)機電設(shè)備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)上傳功能，但仍未實現(xiàn)數(shù)據(jù)進一步分析、決策、推送等功能，在大數(shù)據(jù)挖掘與利用方面需不斷完善。

(4) 缺乏從事智能礦山建設(shè)工作的專業(yè)人才，且參與智能礦山建設(shè)的廠家技術(shù)力量參差不齊，不利于構(gòu)建專業(yè)化服務(wù)模式。

(5) 礦用傳感器種類少，部分傳感器故障多、可靠性差，且現(xiàn)有監(jiān)測設(shè)備未實現(xiàn)自主學(xué)習(xí)、分析功能。

(6) 部分設(shè)備老舊，無傳輸接口，需進行升級改造；網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供電不穩(wěn)定且故障多，影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

(7) 在地面上技術(shù)成熟的設(shè)備因防爆認證等問題難以應(yīng)用于井下。

(8) 部分煤礦企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)對于智能礦山建設(shè)的認知仍以減人為目標，在非減人項目上缺乏創(chuàng)新的積極性，阻礙智能礦山的推進。

5 智能礦山建設(shè)需攻堅的關(guān)鍵技術(shù)

(1) 采煤機自主割煤技術(shù)，特別是煤巖識別、采煤機與液壓支架數(shù)據(jù)交互、機器人巡檢等技術(shù)。

(2) 連采機自主割煤技術(shù)。特別是連采機定姿定位技術(shù)需進一步優(yōu)化，實現(xiàn)連采機自主生產(chǎn)，提升巷道掘進工程質(zhì)量和掘進效率。

(3) 移動設(shè)備人員接近探測技術(shù)。在掘進工作面移動設(shè)備上加裝360°全景影像輔助識別設(shè)備，當監(jiān)測到掘進設(shè)備周圍有人員接近時發(fā)出警報，避免人員傷害。

(4) 無線傳感技術(shù)。如設(shè)備無線溫度、振動等狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)，工作面環(huán)境無線監(jiān)測技術(shù)等，以減少人員工作量，保證現(xiàn)場作業(yè)安全。

(5) 智能油脂集中潤滑、集中加油技術(shù)。根據(jù)油位、油壓、油質(zhì)等監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)自動加油或注油，減輕現(xiàn)場工作人員的勞動強度。

(6) 井口智能安檢技術(shù)。通過建設(shè)安檢系統(tǒng)實現(xiàn)人員和車輛管控、車輛重點部位識別、下井人員和車輛記錄、車輛闖紅燈拍照記錄等功能。

(7) 梭車無人駕駛技術(shù)。在梭車上方安裝激光雷達，基于先進算法，實現(xiàn)梭車自動定位、自主建圖、路徑規(guī)劃。中央控制器不斷采集角度傳感器、速度傳感器、堆煤傳感器、人體感應(yīng)傳感器數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行分析處理后發(fā)出控制指令至執(zhí)行系統(tǒng)，實現(xiàn)梭車接煤、運煤、卸煤各環(huán)節(jié)自動運行。

6 結(jié)論

(1) 分析了當前智能礦山研究現(xiàn)狀，闡述了智能礦山建設(shè)感知層、傳輸層、數(shù)據(jù)層、平臺支撐層和應(yīng)用層的5層技術(shù)架構(gòu)體系，分析了各層建設(shè)內(nèi)容。

(2) 以大柳塔煤礦為例，集中展示了綜采、掘進、運輸、供電和供排水智能化建設(shè)狀況。煤礦智能化建設(shè)過程中，共取消井下固定崗位約100個，減少作業(yè)人員200余人，降低人工成本4 000萬元/a，節(jié)約工業(yè)水電消耗30%，提高設(shè)備利用率5%，提高全員工效10%。

(3) 分析了當前智能礦山建設(shè)的關(guān)鍵點和難點，從采煤、掘進、人員及設(shè)備感知、無線通信、無人駕駛等方面提出了下一步需要攻堅的關(guān)鍵技術(shù)。