麻地梁煤礦智能化裝備應(yīng)用與生產(chǎn)管理變革的思考

吳勁松，徐 輝，闞 磊

(內(nèi)蒙古智能煤炭有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

根據(jù)2019年《BP世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒》，以煤炭為代表的化石能源占世界能源供給的主要部分，煤炭在我國能源消費(fèi)總量中所占比例高達(dá)58%[1]，且預(yù)計(jì)在未來10年內(nèi)煤炭仍將占據(jù)我國能源消費(fèi)總量的50%以上[2]。同時(shí)，中國煤炭開采技術(shù)日趨成熟，各地區(qū)礦井機(jī)械化程度不斷提高，采煤機(jī)械與自動(dòng)控制、電子信息化、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)深度融合[3-4]，智能感知、智能決策和智能控制的智能化開采已成為我國煤炭安全高效開采的發(fā)展方向[5-6]。

目前，針對(duì)煤礦采掘裝備的智能化，許多學(xué)者已展開了研究。王俊吉等[7]采用以煤量為依據(jù)的智能變頻技術(shù)對(duì)輸送機(jī)進(jìn)行控制；郝志偉[8]利用具有人工智能功能的內(nèi)嵌GPU攝像機(jī)和基于5G技術(shù)的CPE終端智能設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)帶式輸送機(jī)傳送的智能化控制；楊森[9]選擇巖體分類系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)采集與分析方法的數(shù)字化與自動(dòng)化探索，研究了煤巷掘進(jìn)工作面頂板質(zhì)量智能感知；胡艷[10]根據(jù)選煤工藝流程設(shè)計(jì)的實(shí)際需要，構(gòu)建了合適的智能選煤工藝流程系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型；范志忠等[11]開發(fā)了工作面頂板狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測與動(dòng)態(tài)感知技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了頂板來壓位置、持續(xù)時(shí)間及來壓強(qiáng)度的模式識(shí)別；劉俊峰等[12]將片幫控制技術(shù)納入工作面智能化開采控制系統(tǒng)，有效解決了智能化開采煤壁控制難題，并在黃陵礦區(qū)二號(hào)井順利實(shí)施了大采高智能化開采。

智能采掘裝備的應(yīng)用大大提升了煤礦開采效率，但是許多煤礦企業(yè)仍然采用傳統(tǒng)的管理模式，導(dǎo)致煤炭企業(yè)仍然面臨人力資源短缺、運(yùn)營成本高、本質(zhì)安全礦井建設(shè)不完善、員工作息不規(guī)律等問題[13-14]。針對(duì)這些問題，本文結(jié)合高速發(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、5G以及智能裝備等，以麻地梁煤礦智慧礦山智能化工作面建設(shè)為工程背景，構(gòu)建了以煤礦大數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)的管理體系，提出了“管設(shè)備，就是管生產(chǎn)、管安全”的全新生產(chǎn)管理理念和體系。該理念和體系的提出和實(shí)施，不僅提高了設(shè)備的開機(jī)率，降低了生產(chǎn)運(yùn)營成本，也從根本上取消了檢修班、夜班，為新型智能化煤礦建設(shè)及突破傳統(tǒng)的生產(chǎn)管理提供了參考。

1 傳統(tǒng)煤礦裝備及生產(chǎn)管理現(xiàn)狀

傳統(tǒng)煤礦企業(yè)運(yùn)營過程中，工作面生產(chǎn)系統(tǒng)復(fù)雜，裝備固化，加之為企業(yè)提供設(shè)備的廠家眾多，設(shè)備之間互相不匹配、不兼容，沒有數(shù)據(jù)傳輸，因此設(shè)備的調(diào)試和維修浪費(fèi)大量時(shí)間，直接導(dǎo)致機(jī)械化設(shè)備效率低，無法充分發(fā)揮其優(yōu)勢，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)效率，提高了生產(chǎn)成本。目前煤礦企業(yè)管理模式仍未革新，在生產(chǎn)管理上仍存在一些問題，主要表現(xiàn)如下所述。

1) 檢修班。傳統(tǒng)煤礦的循環(huán)作業(yè)模式為三班制，即早班檢修，中班和夜班生產(chǎn)。由于設(shè)備系統(tǒng)復(fù)雜，檢修班工人檢修沒有針對(duì)性，僅進(jìn)行形式上的檢修，例如清理灰塵、涂抹潤滑油等，導(dǎo)致機(jī)械事故不斷，經(jīng)常搶修設(shè)備。加之工人對(duì)所有設(shè)備不了解，需要廠家到現(xiàn)場確認(rèn)事故原因，從廠家派人到設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)周期長，嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)。

2) 生產(chǎn)班。傳統(tǒng)煤礦生產(chǎn)班為完成生產(chǎn)任務(wù)對(duì)設(shè)備進(jìn)行野蠻操作，只注重任務(wù)，不維護(hù)設(shè)備，只注重作業(yè)，不關(guān)心生產(chǎn)，造成設(shè)備的過度使用，不能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的檢修維護(hù)，因而設(shè)備故障、事故不斷。

3) 設(shè)備庫存。煤礦的井下裝備和地面裝備至少需要一套備用配件，但由于機(jī)械設(shè)備眾多，導(dǎo)致配件占用資金、庫存，顯著增加了生產(chǎn)成本。

4) 生產(chǎn)管理。傳統(tǒng)的生產(chǎn)管理僅僅停留在經(jīng)驗(yàn)管理上，管理對(duì)象重點(diǎn)為工人和設(shè)備，占用了大量的人力、物力、財(cái)力，管理人員疲于工作，效率低下，人力成本卻居高不下。

2 智能化裝備應(yīng)用與生產(chǎn)管理

根據(jù)我國建設(shè)數(shù)字強(qiáng)國的發(fā)展趨勢，目前綜采裝備水平普遍提高，各類傳感器性能卓越，以及互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，煤礦智能化裝備應(yīng)運(yùn)而生?；诖耍督藘?nèi)蒙古智能煤炭有限公司麻地梁煤礦智慧礦山，并提出了新的管理思路。

2.1 智能化裝備的組建

智能化裝備需要保證各個(gè)環(huán)節(jié)鏈接暢通，針對(duì)目前廠家設(shè)備之間互相不匹配、不兼容的問題，智能化裝備在組建時(shí)，需滿足以下5個(gè)條件：①設(shè)備招標(biāo)采購之前，在技術(shù)規(guī)格書中，要求所有的設(shè)備需要具備數(shù)據(jù)傳輸功能，主要體現(xiàn)在設(shè)備各種運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)傳輸、監(jiān)測監(jiān)控；②設(shè)備生產(chǎn)過程中，進(jìn)一步與生產(chǎn)廠家溝通、協(xié)調(diào)，深入研討技術(shù)問題；③全礦區(qū)整體規(guī)劃，建設(shè)萬兆信息高速公路，所有的數(shù)據(jù)均需要與之兼容；④建設(shè)全礦井所有設(shè)備的信息數(shù)據(jù)庫，并將設(shè)備數(shù)據(jù)與廠家共享；⑤主要設(shè)備采用自動(dòng)化倉儲(chǔ)，如圖1所示，廠家在其集團(tuán)設(shè)立有數(shù)據(jù)調(diào)度集控中心，實(shí)時(shí)監(jiān)控千里之外的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。

圖1 自動(dòng)化設(shè)備及配件倉儲(chǔ)Fig.1 Storage of automation equipment and accessories

圖2 設(shè)備數(shù)據(jù)庫Fig.2 Device database

圖3 地面監(jiān)控室Fig.3 Ground monitoring room

2.2 智能化裝備的功能

由于工作面采用在線式壓力傳感器、距離傳感器、離層傳感器等，工作面所有設(shè)備建立了設(shè)備數(shù)據(jù)庫，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)均具有數(shù)據(jù)傳輸功能，設(shè)備監(jiān)控人員可以實(shí)時(shí)監(jiān)控整套綜采工作面設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，如圖2和圖3所示。主要實(shí)現(xiàn)的功能如下所述。

1) 智能預(yù)警。通過設(shè)備運(yùn)行的溫度、頻率、磨損間隙等數(shù)據(jù)分析，判斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)設(shè)備進(jìn)行預(yù)警；通過設(shè)備的過煤量、設(shè)備使用時(shí)間、運(yùn)行時(shí)間等，結(jié)合設(shè)備的全生命周期，對(duì)設(shè)備進(jìn)行預(yù)警；通過對(duì)設(shè)備的智能預(yù)警，實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障的精準(zhǔn)檢測、設(shè)備可靠性的精準(zhǔn)預(yù)判，精準(zhǔn)預(yù)報(bào)設(shè)備的剩余安全使用壽命，保障科礦井的安全、高效、可持續(xù)生產(chǎn)。

2) “遠(yuǎn)程會(huì)診”。當(dāng)智能化工作面突然出現(xiàn)故障，現(xiàn)場技術(shù)人員無法解決時(shí)，可以立即啟動(dòng)三方“遠(yuǎn)程會(huì)診”，授權(quán)設(shè)備廠家的專家遠(yuǎn)程判斷、解決。煤礦開采過程中，采掘智能化裝備獲取信息精度高，信息量大，同時(shí)突破了時(shí)間、場合的限制，可以全天候?qū)崟r(shí)獲取；依靠程序進(jìn)行決策，可復(fù)制、重復(fù)性強(qiáng)，通過自主學(xué)習(xí)，可進(jìn)一步提高決策能力和水平；智能裝備操作相比人工操作，智能裝備執(zhí)行精準(zhǔn)、堅(jiān)決、快速。

2.3 智能化裝備的庫存管理

設(shè)備制造廠家根據(jù)設(shè)備數(shù)據(jù)庫，可以及時(shí)研判設(shè)備的使用狀態(tài)，對(duì)有故障可能的設(shè)備廠家可提前準(zhǔn)備，并及時(shí)將設(shè)備的備用配件發(fā)送至使用單位；由于礦井主要設(shè)備的備用配件均具備數(shù)據(jù)傳輸功能，可以實(shí)現(xiàn)變“廠家?guī)旆俊睘樵O(shè)備“使用單位庫房”的轉(zhuǎn)變，極大減少了礦井的庫存成本。

2.4 智能化裝備的生產(chǎn)管理

盡管隨著煤礦開采綜合機(jī)械化研究的不斷深入，煤礦綜合機(jī)械化開采工藝得到廣泛推廣，但許多生產(chǎn)單位在生產(chǎn)過程中對(duì)其實(shí)際應(yīng)用不夠重視，仍然采用傳統(tǒng)的管理模式，并沒有把對(duì)生產(chǎn)管理的重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到先進(jìn)設(shè)備上，導(dǎo)致生產(chǎn)問題頻發(fā)。

針對(duì)目前煤礦企業(yè)生產(chǎn)管理存在的問題，提出新的管理理念：“管設(shè)備”即是“管生產(chǎn)”，即重視智能裝備的應(yīng)用，把對(duì)生產(chǎn)的管理重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到對(duì)設(shè)備的管理，借助大數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)，把對(duì)設(shè)備的管理轉(zhuǎn)移到對(duì)“數(shù)字”的管理，即通過設(shè)備在線數(shù)據(jù)庫即可掌握設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)備正常運(yùn)行，生產(chǎn)自然順暢，同時(shí)也提高了管理效率，解放了管理人員的壓力。

設(shè)備的智能預(yù)警、遠(yuǎn)程會(huì)診實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)護(hù)，使得設(shè)備的隱患、故障可以提前處理，不僅沒有弱化檢修，反而強(qiáng)化了設(shè)備的檢修，顛覆了以往設(shè)備檢修的理念。

2.5 智能化工作面運(yùn)行的優(yōu)勢

與傳統(tǒng)煤礦工作面相比，智能化裝備工作面有著無法比擬的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在以下5個(gè)方面：①設(shè)備的智能預(yù)警結(jié)合設(shè)備的全生命周期的管理，減少了設(shè)備的備配件庫存；②系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，變經(jīng)驗(yàn)管理為數(shù)字管理，機(jī)器決策精準(zhǔn)、快速、可靠；③設(shè)備代替人工，生產(chǎn)人員大幅減少，降低了企業(yè)的用人成本，同時(shí)提高了工作效率；④所有設(shè)備匹配兼容，實(shí)現(xiàn)一鍵化操作，設(shè)備的集中控制得以實(shí)現(xiàn)；⑤智能化系統(tǒng)的建設(shè)應(yīng)用是煤礦思維方式的變革、勞動(dòng)組織的變革，實(shí)現(xiàn)了煤礦的生產(chǎn)效益最大化，員工幸福指數(shù)最大化。

2.6 取消檢修班的成功實(shí)踐

2015—2016年期間，通過對(duì)礦井檢修工人試行彈性工作制，調(diào)動(dòng)了工人的勞動(dòng)積極性，實(shí)現(xiàn)了“一井一面”安全高效回采，并創(chuàng)造了年度產(chǎn)量的最好成績，設(shè)備故障率達(dá)到了建礦以來的最低水平，為礦井取消檢修班打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，積累了管理經(jīng)驗(yàn)，增強(qiáng)了管理自信。

目前通過智能化的裝備，在生產(chǎn)實(shí)際中，工作面的設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，不需要傳統(tǒng)意義上的檢修班，檢修實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)操作、智能預(yù)判，將例行檢修變成精準(zhǔn)維護(hù)，設(shè)備問題在生產(chǎn)中動(dòng)態(tài)解決。為此，智能檢修、遠(yuǎn)程會(huì)診在不減產(chǎn)的前提下，在全國率先取消檢修班提供了技術(shù)支撐，打破了傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式，從機(jī)制上礦井實(shí)現(xiàn)了“兩班生產(chǎn)、動(dòng)態(tài)維護(hù)、夜班取消”。

3 結(jié)語與展望

開發(fā)和推廣應(yīng)用綜放開采自動(dòng)化和智能化裝備，減人提效是實(shí)現(xiàn)煤炭安全高效開采的有效途徑。麻地梁煤礦通過引進(jìn)先進(jìn)的智能化裝備，構(gòu)建了智慧礦山，提出了“管設(shè)備，就是管生產(chǎn)；管數(shù)字，就是管設(shè)備”的管理理念，提高了設(shè)備的開機(jī)率，降低了生產(chǎn)運(yùn)營成本。

未來，麻地梁煤礦將加快5G技術(shù)的引進(jìn)與應(yīng)用，將煤礦運(yùn)輸設(shè)備與其他先進(jìn)裝備、科技融合，實(shí)現(xiàn)礦井運(yùn)輸?shù)臒o人駕駛，實(shí)現(xiàn)采掘裝備的自動(dòng)識(shí)別、自動(dòng)截割、自動(dòng)決策，實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)區(qū)域設(shè)備機(jī)器人操作更換，采空區(qū)采用無線數(shù)據(jù)傳輸，礦井通風(fēng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)、自動(dòng)檢測監(jiān)控通風(fēng)系統(tǒng)。