采煤工作面智能化建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用研究

李 銳

（華陽(yáng)集團(tuán)新景礦煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 陽(yáng)泉 045000）

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，煤礦領(lǐng)域的技術(shù)水平也有了顯著提升。傳統(tǒng)的煤礦開(kāi)采過(guò)程中人是主要角色，主要是通過(guò)人為經(jīng)驗(yàn)來(lái)開(kāi)展相關(guān)工作，比如操作機(jī)械設(shè)備、制定煤礦開(kāi)采工藝等[1]。這種粗放式的發(fā)展模式，煤礦開(kāi)采效率相對(duì)較低，礦井中容易發(fā)生安全事故，不利于煤礦行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[2]。隨著人工智能、工業(yè)大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等先進(jìn)技術(shù)的不斷發(fā)展與提升，將這些技術(shù)應(yīng)用到煤礦開(kāi)采中，能顯著提升采煤工作面的自動(dòng)化水平[3-4]。通過(guò)利用這些先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)主要采煤裝備的自動(dòng)化操作與控制、采煤工藝的科學(xué)制定等，使采煤質(zhì)量和效率有了質(zhì)的變化[5-6]。本文以某煤礦工作面為案例，詳細(xì)闡述了智能化工作面建設(shè)過(guò)程中涉及到的關(guān)鍵技術(shù)及其在實(shí)踐中的應(yīng)用情況，對(duì)于促進(jìn)采煤工作面智能化發(fā)展具有一定的實(shí)踐意義。

1 煤礦工作面智能化建設(shè)基本現(xiàn)狀

某煤礦涉及到的井田面積達(dá)到了50 km2，經(jīng)過(guò)前期勘探發(fā)現(xiàn)內(nèi)部存儲(chǔ)有煤礦8.6 億t 左右，其中可以開(kāi)采的煤礦達(dá)到了5.5 億t，可以開(kāi)采的煤層大約為8 個(gè)。由于煤礦規(guī)模相對(duì)較大，如果仍然沿用傳統(tǒng)的煤礦開(kāi)采技術(shù)，則無(wú)法滿(mǎn)足煤礦領(lǐng)域現(xiàn)代化發(fā)展的實(shí)際需要?；诖?，煤礦集團(tuán)緊跟時(shí)代發(fā)展步伐，擬在礦井中已經(jīng)建設(shè)的各種信息化系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，充分利用當(dāng)前先進(jìn)的云計(jì)算技術(shù)、工業(yè)大數(shù)據(jù)技術(shù)、5G 技術(shù)等，在礦井中建設(shè)智能化采煤工作面。

智能化采煤工作面的建設(shè)不是一蹴而就的，需要結(jié)合實(shí)際情況穩(wěn)步推進(jìn)。煤礦企業(yè)計(jì)劃通過(guò)三步走的戰(zhàn)略，真正實(shí)現(xiàn)煤礦企業(yè)的智能化運(yùn)行。第一步，由采煤機(jī)械裝備的機(jī)械化向自動(dòng)化過(guò)渡；第二步，實(shí)現(xiàn)采煤工作面的遠(yuǎn)程監(jiān)控運(yùn)行；第三步，建設(shè)全面統(tǒng)一的智能化管控平臺(tái)，對(duì)采煤工作面實(shí)施智能化控制。目前該煤礦集團(tuán)正在大力開(kāi)展第三步的推進(jìn)工作，取得了很多的應(yīng)用效果，以下對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2 采煤工作面智能化建設(shè)整體方案設(shè)計(jì)

建設(shè)含括監(jiān)測(cè)、管理及控制于一體的煤礦工作面智能化管控平臺(tái)，是實(shí)現(xiàn)智能化運(yùn)行的基礎(chǔ)和前提?；谠撈脚_(tái)可以實(shí)現(xiàn)采煤工作面運(yùn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)一采集、傳輸、運(yùn)算與管理。如圖1 所示為設(shè)計(jì)的采煤工作面智能化管控平臺(tái)的整體方案框圖。

圖1 采煤工作面智能化建設(shè)管控平臺(tái)整體框圖

由圖可知，管控平臺(tái)共劃分為4 個(gè)層級(jí)：

1）設(shè)備感知層，主要作用是對(duì)采煤工作面中的采煤裝備運(yùn)行狀態(tài)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。

2）基礎(chǔ)設(shè)施層。該層級(jí)主要就是一些基礎(chǔ)設(shè)施，包括云平臺(tái)、主機(jī)及各種網(wǎng)絡(luò)線(xiàn)路等，作用是為智能化管控平臺(tái)的運(yùn)行提供基本的硬件支持。

3）數(shù)據(jù)服務(wù)層。該層級(jí)主要是對(duì)采集得到的工作面數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析和處理，建立相關(guān)的數(shù)據(jù)庫(kù)和知識(shí)庫(kù)，為數(shù)據(jù)的進(jìn)一步應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4）應(yīng)用層。主要是基于數(shù)據(jù)分析結(jié)果開(kāi)展相關(guān)決策工作，比如可以對(duì)采煤工藝進(jìn)行優(yōu)化、對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化等。

3 工作面智能化建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 基于5G 技術(shù)的傳輸網(wǎng)絡(luò)

先進(jìn)的傳輸網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)采煤工作面智能化建設(shè)與運(yùn)行的基礎(chǔ)和前提。由于采煤工作面中很多設(shè)備和裝置需要在工作過(guò)程中不停地移動(dòng)，傳統(tǒng)的有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際使用要求，需要建設(shè)覆蓋整個(gè)工作面的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。該煤礦企業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了工作面5G+WiFi 無(wú)線(xiàn)傳輸全覆蓋，在工作面范圍內(nèi)完全可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。目前工作面中的瓦斯檢測(cè)、通風(fēng)機(jī)風(fēng)速檢測(cè)、頂板壓力檢測(cè)、視頻監(jiān)控、煤巖識(shí)別等獲得的數(shù)據(jù)信息全部基于5G 技術(shù)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳輸，有效提升了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎涂煽啃?。基?G技術(shù)的傳輸網(wǎng)絡(luò)不需要在工作面中鋪設(shè)大量的電線(xiàn)電纜，降低了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備運(yùn)行維護(hù)的精力和成本。另外，煤礦工作面還將5G 技術(shù)和VR 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行融合，利用工業(yè)機(jī)器人對(duì)工作面中的變電所及其他相關(guān)設(shè)備實(shí)現(xiàn)智能化巡檢，無(wú)需再安排專(zhuān)門(mén)人員開(kāi)展相關(guān)巡檢工作，不僅降低了人工勞動(dòng)強(qiáng)度，還提升了巡檢的效率和質(zhì)量。如圖2 所示為基于5G 技術(shù)的工作面?zhèn)鬏斁W(wǎng)絡(luò)。

圖2 基于5G 技術(shù)的工作面?zhèn)鬏斁W(wǎng)絡(luò)

3.2 采煤工作面三維實(shí)景建模技術(shù)

利用時(shí)空地理信息系統(tǒng)可以對(duì)采煤工作面的三維實(shí)景進(jìn)行建模分析，基于該三維模型可以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)割煤。以上技術(shù)只適用于采煤工作面比較簡(jiǎn)單的情形，如果工作面情況稍微復(fù)雜，該技術(shù)則難以實(shí)踐應(yīng)用。工作面進(jìn)一步結(jié)合慣性導(dǎo)航技術(shù)、激光雷達(dá)技術(shù)、高清視頻系統(tǒng)，構(gòu)建了更加準(zhǔn)確的工作面三維實(shí)景。具體應(yīng)用時(shí)，利用激光雷達(dá)技術(shù)可以對(duì)采煤工作面中的一些關(guān)鍵裝備的主要零部件進(jìn)行掃描，比如液壓支架的立柱、底座，輸送機(jī)擋煤板，電纜槽等?；趻呙钄?shù)據(jù)建立設(shè)備的三維模型，如雷達(dá)掃描和高清視頻系統(tǒng)的融合使用，可以對(duì)煤壁進(jìn)行掃描，并對(duì)煤巖界面進(jìn)行高效識(shí)別。虛擬液壓支架模型如圖3 所示。

圖3 虛擬液壓支架模型

3.3 綜采智能化控制技術(shù)

實(shí)現(xiàn)采煤裝備的智能化控制是工作面智能化建設(shè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，以下對(duì)工作面的調(diào)高、調(diào)斜的智能化控制進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

1）調(diào)高智能化控制。利用傳感器對(duì)采煤機(jī)割煤過(guò)程中的煤層變化以及頂?shù)装遄兓闆r進(jìn)行檢測(cè)，并將檢測(cè)數(shù)據(jù)傳回控制系統(tǒng)進(jìn)行分析。結(jié)合三維實(shí)景建模技術(shù)提前對(duì)煤巖的分界情況進(jìn)行預(yù)判，同時(shí)對(duì)截割滾筒當(dāng)前的狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別。在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)調(diào)高的自動(dòng)化控制。如圖4 所示為采煤機(jī)調(diào)高的智能化控制過(guò)程。

圖4 采煤機(jī)調(diào)高的智能化控制過(guò)程

2）調(diào)斜的智能化控制。利用三維實(shí)景建模技術(shù)收集工作面中主要采煤裝備的具體空間位置及其姿態(tài)，并將結(jié)果傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)工作面的推進(jìn)速度，結(jié)合內(nèi)置的控制策略和算法，計(jì)算好工作面的調(diào)斜量，下達(dá)控制指令對(duì)液壓支架和刮板輸送機(jī)的姿態(tài)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)工作面的智能化調(diào)斜。

4 智能化工作面實(shí)踐應(yīng)用效果分析

4.1 應(yīng)用情況概述

將上述采煤工作面智能化關(guān)鍵技術(shù)運(yùn)用到煤礦工程實(shí)踐中，并對(duì)這些技術(shù)進(jìn)行不斷的調(diào)試、磨合，并結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，最終各項(xiàng)功能都得以實(shí)現(xiàn)。對(duì)智能化工作面進(jìn)行連續(xù)三個(gè)月時(shí)間的調(diào)試，運(yùn)行測(cè)試發(fā)現(xiàn)工作面中的各項(xiàng)采煤設(shè)備都能夠正常穩(wěn)定工作，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)指標(biāo)以及采煤工藝指標(biāo)都達(dá)到了理想狀態(tài)，生產(chǎn)過(guò)程連續(xù)穩(wěn)定。標(biāo)志著采煤工作面智能化建設(shè)取得了階段性的成果。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

相同的采煤工作面，如果沒(méi)有采用智能化技術(shù)，每個(gè)班次通常需要安排25 人。完成采煤工作面的智能化建設(shè)工作后，每班次只需安排9 人即可完成所有的工作。每天需要三個(gè)班次，則煤礦生產(chǎn)可以節(jié)省48 人次。每名煤礦工作人員的人力成本方面按照15萬(wàn)元/年進(jìn)行計(jì)算，則工作面每年可以節(jié)省人力成本720 萬(wàn)元。另外，智能化技術(shù)在產(chǎn)煤工作面中的實(shí)踐應(yīng)用，顯著提升了采煤質(zhì)量和效率，產(chǎn)量得到了大幅度提升。沒(méi)有使用智能化技術(shù)前，工作面每個(gè)月的煤礦產(chǎn)量在7 萬(wàn)t 左右，建設(shè)智能化工作面后，每月采煤量達(dá)到了10 萬(wàn)～11 萬(wàn)t，采煤效率在原有基礎(chǔ)上提升了42.86%～57.14%左右。最后，工作面智能化建設(shè)完成后，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性得到顯著提升，故障率有了大幅度降低，節(jié)省了大量的設(shè)備維護(hù)和保養(yǎng)成本。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著煤礦領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)水平的不斷提升，建設(shè)智能化采煤工作面是未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。在工作面智能化建設(shè)方面，我國(guó)很多煤礦企業(yè)已經(jīng)開(kāi)展了很多實(shí)踐，并取得了很好的實(shí)踐應(yīng)用效果。本文主要以某煤礦企業(yè)中的工作面智能化建設(shè)過(guò)程為案例，詳細(xì)闡述了智能化管控平臺(tái)的整體框架，以及智能化建設(shè)過(guò)程中涉及到的一些關(guān)鍵技術(shù)。通過(guò)建設(shè)智能化工作面，在降低煤礦企業(yè)人力成本的同時(shí)，顯著提升了工作面的開(kāi)采質(zhì)量和效率，為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。