從智能化共性問題看柳林煤礦智能化未來發(fā)展方向

董興旺

(柳林縣能源局,山西 呂梁 033399)

智能化作為煤礦發(fā)展的新階段,現(xiàn)已在柳林煤礦企業(yè)中推行了2年,目前柳林縣區(qū)域內(nèi)共有煤礦28座,生產(chǎn)3號(hào)和9號(hào)煤層,總生產(chǎn)能力約為4 205萬t/a。現(xiàn)階段,柳林已建成包括賀西煤礦、雙柳煤礦、華晉一礦、華晉二礦、寨崖底煤礦、興無煤礦在內(nèi)的6個(gè)智能化綜采工作面。為了豐富和探索煤礦智能化生產(chǎn)和建設(shè)模式,柳林采用多種方法進(jìn)行煤礦智能化建設(shè),努力實(shí)現(xiàn)井下少人化目標(biāo),并與設(shè)備廠商一同探索井下無人化作業(yè)的技術(shù)與下一步智能化的發(fā)展方案,盡早實(shí)現(xiàn)井上井下系統(tǒng)智能化聯(lián)動(dòng)。根據(jù)計(jì)劃，柳林2022年將推動(dòng)7個(gè)智能化綜采工作面及22個(gè)智能化掘進(jìn)工作面。

理想情況下,相同的采煤工作面如果沒有采用智能化技術(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3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15萬元/a進(jìn)行計(jì)算,則工作面每年可以節(jié)省人力成本720萬元。采煤效率應(yīng)在原有基礎(chǔ)上提升42.86%～57.14%[1]。但現(xiàn)實(shí)情況是智能化的推進(jìn)不是一蹴而就的事情,在實(shí)際的智能化建設(shè)工作中產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益并沒有達(dá)到預(yù)期,其中既有智能化推進(jìn)過程中的共性問題,也存在著個(gè)性問題。

1 智能化發(fā)展的共性問題

1.1 煤礦智能化認(rèn)識(shí)和理念不統(tǒng)一

機(jī)械化、自動(dòng)化、信息化和數(shù)字化是智能化的基本內(nèi)涵,但是在實(shí)際智能化推動(dòng)過程中容易出現(xiàn)將智能化與上述單一概念混淆的情況。此外,智能化的推進(jìn)在前期投入較大,許多人抱著短視的眼光看待智能化的建設(shè)工作,認(rèn)為智能化與之前的煤礦自動(dòng)化的區(qū)別不大,無需投入過大成本去推進(jìn)。實(shí)際上這種觀念嚴(yán)重阻礙了智能化的發(fā)展進(jìn)程,“你不做我不做”的觀念會(huì)使本該大力發(fā)展的煤礦智能化甚至是工業(yè)智能化的進(jìn)度放緩。眾所周知,智能化重在智能,而信息化、數(shù)字化作為智能化發(fā)揮作用的基礎(chǔ)需要大量的數(shù)據(jù)模型作為支撐,只有足夠多的數(shù)據(jù)樣本才能促進(jìn)智能化技術(shù)和設(shè)備的不斷發(fā)展。

1.2 煤礦智能化發(fā)展不平衡

由于我國煤層賦存條件復(fù)雜多樣,不同賦存條件的礦井開展智能化建設(shè)時(shí)的技術(shù)路徑、難易程度、效果等均不相同。目前,我國煤礦智能化發(fā)展不平衡,這種不平衡存在于多個(gè)方面,如不同礦區(qū)的智能化建設(shè)基礎(chǔ)、不同省份或同一省份不同地市智能化建設(shè)的推進(jìn)過程、縱向煤礦井上井下及橫向各類系統(tǒng)之間的智能化開發(fā)水平、智能化需求與實(shí)際軟硬件技術(shù)之間、投入與產(chǎn)出比之間等均可能存在差異[2]。

1.3 智能化煤礦5G應(yīng)用場(chǎng)景和生態(tài)匱乏

5G作為新一代的信息技術(shù),具有大帶寬、廣連接、低時(shí)延等顯著優(yōu)點(diǎn),但是在實(shí)際應(yīng)用過程中不同廠商的5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)不統(tǒng)一。這就導(dǎo)致智能化礦山這一個(gè)包含著近百個(gè)子系統(tǒng)的巨大系統(tǒng)在運(yùn)行過程中處處卡殼,不能發(fā)揮其真正作用,同時(shí)對(duì)本該實(shí)現(xiàn)的煤礦智能化效果大打折扣。而造成這一局面的底層邏輯是網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的開發(fā)工具系統(tǒng)或軟件并不掌握在中國手里。這就導(dǎo)致系統(tǒng)的開發(fā)在底層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上天然的被物理隔斷,在開發(fā)工具和系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)沒有統(tǒng)一的情況下就形成了“各自為政”的情況,導(dǎo)致現(xiàn)在5G專利空在中國,卻不能夠充分發(fā)揮5G系統(tǒng)的作用。

智能化的發(fā)展應(yīng)該形成一個(gè)良性的發(fā)展循環(huán),如圖1所示。只有將開發(fā)端、系統(tǒng)建設(shè)端、應(yīng)用場(chǎng)景端有機(jī)地聯(lián)系在一起,并形成循環(huán),才能切實(shí)解決數(shù)據(jù)格式尚未實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一、網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議兼容性差、業(yè)務(wù)系統(tǒng)兼容性差、系統(tǒng)間協(xié)同控制兼容性差等問題。

圖1 智能化良性發(fā)展循環(huán)

1.4 資金投入保障不足

煤礦智能化建設(shè)需要較大的資金投入,但是一些效益較差的企業(yè)智能化發(fā)展資金不足,特別是短期收益不明顯,將影響企業(yè)投入的決心,主要表現(xiàn)在:煤礦智能化投入整體強(qiáng)度仍然偏低,企業(yè)間差距較大;煤礦智能化建設(shè)完成的初期經(jīng)濟(jì)效果甚微;智能化礦山產(chǎn)生的龐大數(shù)據(jù)流缺少專業(yè)人才對(duì)數(shù)據(jù)的深度挖掘和解析;缺乏可以量化考核智能化建設(shè)效果的評(píng)定體系。

2 柳林煤礦智能化存在的問題

2.1 信號(hào)傳輸問題

在煤礦智能綜采面的各類機(jī)械都加裝信號(hào)傳輸器后,由于井下的復(fù)雜情況,信號(hào)在傳輸過程中總會(huì)存在失真和延時(shí)等情況,特別是由于行程傳感器精度差,無法執(zhí)行貫導(dǎo)給出的準(zhǔn)確指令。

2.2 視頻輔助技術(shù)問題

在采煤機(jī)械可以智能化學(xué)習(xí)并完成自適應(yīng)采煤工作前,井下采煤工作情況仍然需要監(jiān)控視頻全方位無死角地將井下情況傳輸給地面調(diào)度,以便對(duì)井下的復(fù)雜狀況及時(shí)作出反應(yīng)。但是井下工作的攝像頭容易沾染煤灰,即使采用防塵攝像頭依然會(huì)存在視頻畫面不清晰、煤巖識(shí)別不明確的問題,極大地影響了地面工作人員對(duì)于井下情況的判斷,降低了煤礦生產(chǎn)效率。

2.3 液壓支架自動(dòng)跟機(jī)丟架問題及移架不到位問題

液壓支架受流量的影響,特別是與推溜或移架平行作業(yè)時(shí),存在3種情況:一是時(shí)間到，停止移架直接執(zhí)行開架程序;二是煤機(jī)速度過快,在移架的同時(shí)執(zhí)行開架程序,導(dǎo)致移架不到位;三是工作面有小的構(gòu)造或支架前方有矸阻擋,或者支架先導(dǎo)閥、主閥有異物,導(dǎo)致支架執(zhí)行速度慢。

在紅外線自動(dòng)感應(yīng)跟蹤煤機(jī)運(yùn)行過程中,有些支架未能感應(yīng)到煤機(jī)信號(hào),存在大約5%～7%的丟架情況。

2.4 井下三維建模精度問題

井下建模的精度問題主要反映在激光掃描上。首先,煤礦井下工況環(huán)境屬于GB 3836.1—2010《爆炸性環(huán)境第1部分:設(shè)備通用要求》規(guī)定的爆炸性環(huán)境,要求在該場(chǎng)景下使用的電氣設(shè)備必須具備礦用安全標(biāo)志證書和防爆合格證。三維激光掃描系統(tǒng)的防爆改造是難點(diǎn)之一[3]。其次,在煤礦井下環(huán)境作業(yè)時(shí),三維激光掃描系統(tǒng)自身的位姿必須通過慣性測(cè)量單元和里程計(jì)確定,由于組成慣性測(cè)量單元的陀螺儀存在漂移問題,長(zhǎng)時(shí)間累積計(jì)算會(huì)產(chǎn)生較大誤差[4]。

2.5 其他系統(tǒng)問題

地質(zhì)保障系統(tǒng)、輔助運(yùn)輸系統(tǒng)、綜合保障系統(tǒng)、安全管控系統(tǒng)、分選系統(tǒng)、煤矸石回填系統(tǒng)和經(jīng)營管理系統(tǒng)均符合山西省能源局關(guān)于印發(fā)《全省煤礦智能化建設(shè)評(píng)定辦法(試行)》的要求,但是在整個(gè)工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的運(yùn)行、數(shù)據(jù)對(duì)決和數(shù)據(jù)深度分析方面還有所欠缺。

2.6 人才儲(chǔ)備不足

煤礦設(shè)備進(jìn)行了智能化,但是智能化人才的儲(chǔ)備卻沒有跟上煤礦智能化的腳步。目前煤礦智能化后有關(guān)人才儲(chǔ)備的問題主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

1)對(duì)于智能化設(shè)備的應(yīng)用知識(shí)和理論還停留在中層領(lǐng)導(dǎo)沒有做到充分下沉一線和吸納新的相關(guān)技術(shù)員的程度。

2)與設(shè)備廠商的交流不充分,還單純地停留在買賣雙方的服務(wù)與被服務(wù)關(guān)系,缺乏進(jìn)一步有關(guān)機(jī)械實(shí)操、技術(shù)進(jìn)步、數(shù)據(jù)收集和反饋等情況的后續(xù)交流。既阻礙了系統(tǒng)智能化的進(jìn)程,也影響了從業(yè)人員對(duì)煤礦智能化建設(shè)的觀感。

3)地方監(jiān)管部門缺少懂理論、懂技術(shù)的專業(yè)人員,缺少對(duì)地方煤礦智能化工作的指導(dǎo),沒能做到因地制宜、按礦施策和后續(xù)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)工作,缺乏對(duì)成功經(jīng)驗(yàn)的有效推廣。

4)缺少和國內(nèi)高校的技術(shù)交流,以至于不能很好地與智能化技術(shù)發(fā)展接軌;缺少對(duì)地方高校相關(guān)專業(yè)培養(yǎng)方案的了解,使得產(chǎn)學(xué)脫節(jié)，不能很好地適應(yīng)日新月異的煤礦智能化發(fā)展;缺少和職業(yè)技術(shù)高校的聯(lián)動(dòng),煤礦智能化不僅是中高層領(lǐng)導(dǎo)和行業(yè)的事情,更是與一線技術(shù)人員密切相關(guān)。煤礦智能化的進(jìn)步不該只是系統(tǒng)和機(jī)器的進(jìn)步,更應(yīng)該是操作人員素質(zhì)的進(jìn)步。

3 從國內(nèi)案例看柳林煤礦智能化發(fā)展之路

國內(nèi)主要的采煤大省為山西、內(nèi)蒙古和陜西。以下分別以山西王家?guī)X12309綜放工作面、內(nèi)蒙古三一智造無人礦車和陜西黃陵二號(hào)礦大采高智能化采煤控制技術(shù)為典型案例進(jìn)行分析。

3.1 王家?guī)X煤礦12309綜放工作面

王家?guī)X煤礦12309工作面智能化開采,是基于智能化現(xiàn)狀及工作面特征,分別從支架放煤機(jī)的精確控制、頂煤精準(zhǔn)探測(cè)及煤矸識(shí)別技術(shù)、自動(dòng)跟機(jī)放煤控制技術(shù)3個(gè)方面建立智能化綜采放頂煤控制系統(tǒng);通過在工作面設(shè)備上配備負(fù)荷監(jiān)控(煤量掃描裝置+負(fù)荷監(jiān)測(cè)平臺(tái))、三機(jī)工況監(jiān)測(cè)與控制、系統(tǒng)定位及防碰撞等裝置,實(shí)現(xiàn)“前部記憶截割、后部智能放煤,遠(yuǎn)程集中控制”的智能化開采[5]。具體綜采設(shè)備系統(tǒng)如表1所示。

表1 王家?guī)X12309智能綜采工作面設(shè)備明細(xì)表

王家?guī)X12309工作面采用四六制生產(chǎn)組織方式進(jìn)行生產(chǎn),其生產(chǎn)人員組成主要為工作面巡檢工、機(jī)頭機(jī)尾超前支護(hù)工、監(jiān)控員及遠(yuǎn)程放煤監(jiān)控工。工作面人員配置如圖2所示。這種井下綜采工作面的人員配置模式能夠保證井下機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)和遠(yuǎn)程監(jiān)控室的及時(shí)干預(yù),并能夠?qū)χЪ茏砸撇坏轿蛔龀黾皶r(shí)調(diào)整。在支架自移不能達(dá)到100%準(zhǔn)確，采煤機(jī)不能做到完全自適應(yīng)巷道的情況下,王家?guī)X12309綜采面的人員配置可以在目前智能化初級(jí)階段有效解決上述支架移動(dòng)不到位、干預(yù)機(jī)器不及時(shí)等問題。

圖2 12309工作面人員布置圖

3.2 三一智礦的無人礦車

自2021年第四季度至今以來,三一智礦已與內(nèi)蒙古鄂爾多斯潮腦梁煤礦、民達(dá)煤礦、呼倫貝爾東明煤礦達(dá)成了礦山無人化開采、運(yùn)輸、排棄的無人駕駛運(yùn)營試點(diǎn)。未來無人駕駛也必將在各大煤礦進(jìn)行普及。煤礦智能化生態(tài)系統(tǒng)中也會(huì)加入無人駕駛集群控制子系統(tǒng)。相比于內(nèi)蒙古較為平坦的地勢(shì),呂梁乃至山西整個(gè)地區(qū)地勢(shì)相對(duì)陡峭多山,在普通的車輛與總機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的基礎(chǔ)上,還要實(shí)現(xiàn)車車交互的情況。這樣既可以保證車輛之間的有序行進(jìn),也可以保證云管控平臺(tái)對(duì)車輛情況的及時(shí)介入。

3.3 黃陵二號(hào)礦大采高智能化采煤控制技術(shù)

黃陵二號(hào)礦于2017年根據(jù)二號(hào)礦內(nèi)的416工作面的實(shí)際情況建立并投入使用了大采高智能化綜采工作面控制系統(tǒng)。智能化綜采系統(tǒng)中的全自動(dòng)控制啟停技術(shù)、跟機(jī)自動(dòng)化與記憶截割高效協(xié)同技術(shù)、設(shè)備防碰撞控制技術(shù)、支架自適應(yīng)控制技術(shù)等屬于業(yè)內(nèi)一流水平值得推廣學(xué)習(xí)。

4 煤礦智能化發(fā)展方向

煤礦智能化發(fā)展不是一蹴而就的,現(xiàn)在所實(shí)現(xiàn)的智能化技術(shù)只是煤礦智能化的冰山一角,還有許多方向和舉措有待探索實(shí)現(xiàn)。

4.1 加深煤礦5G生態(tài)系統(tǒng)的開發(fā)與拓展

5G作為更先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù),完全能夠滿足高清視頻監(jiān)控圖像傳輸?shù)男枨蟆Ｒ匀A為5G CPE終端設(shè)備Pro版為例,數(shù)據(jù)傳輸上行峰值為250 Mb/s,下行峰值為1.65 Gb/s,在滿足高清視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r下,仍有足夠的帶寬支持通話、視頻、數(shù)據(jù)交換、遠(yuǎn)程控制等多種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)[6]。首先,將井下綜采面的一張網(wǎng)實(shí)現(xiàn),讓井下各類機(jī)械和子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)交互;其次,嘗試將地面各類可替代崗位機(jī)械智能化成立子系統(tǒng)模塊,然后嘗試將井上、井下的所有子系統(tǒng)并入整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中,形成一個(gè)井上、井下聯(lián)動(dòng)的巨型系統(tǒng)。按照此發(fā)展進(jìn)程,必須要攻克信號(hào)傳輸速度問題及系統(tǒng)后臺(tái)的算力問題,這也是現(xiàn)階段煤礦智能化發(fā)展技術(shù)方面的必經(jīng)之路。

4.2 完成對(duì)機(jī)械設(shè)備的智能化升級(jí)改造

4.2.1采煤機(jī)

控制中心在操作采煤機(jī)工作進(jìn)程中,若是遭遇煤巖界面異常,會(huì)對(duì)已經(jīng)收集到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)實(shí)施整理與分析,調(diào)整與標(biāo)準(zhǔn)化記憶路線,然后調(diào)高采煤機(jī)前后位置的滾筒,并在采煤機(jī)定資、定位協(xié)助下快速調(diào)整好切煤路線,并設(shè)定好正確的采煤機(jī)牽引速度[7]。

4.2.2液壓支架

對(duì)于液壓支架,需要對(duì)其內(nèi)部系統(tǒng)進(jìn)行一定的改進(jìn)和優(yōu)化,從而解決其結(jié)構(gòu)不統(tǒng)一的問題。若液壓支架與電液控制系統(tǒng)之間無法進(jìn)行協(xié)調(diào)作業(yè),會(huì)導(dǎo)致液壓支架只是作為生產(chǎn)附加品起到相應(yīng)的作用。因此需要對(duì)液壓支架和電液控制系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一處理,同時(shí)在此技術(shù)上采用傳感器、控制器和機(jī)械結(jié)構(gòu)互相聯(lián)合的方式來降低支架成本,在一體化升級(jí)工作逐漸推進(jìn)的情況下,液壓支架的智能化水平得到進(jìn)一步的提升[8]。總的來說,煤礦機(jī)械智能化,應(yīng)向著能學(xué)習(xí)、能適應(yīng)、能聯(lián)動(dòng)的方向發(fā)展。

4.3 拓寬智能機(jī)器人應(yīng)用面

機(jī)器人參與生產(chǎn)工作有利于緩解勞動(dòng)力短缺的問題,同時(shí)可以提高整個(gè)工作過程的安全性,實(shí)現(xiàn)高效準(zhǔn)確的施工[9]。對(duì)于煤礦智能化機(jī)器人來說,不能將思維局限,各類分項(xiàng)工作的機(jī)械替代化是拓寬煤礦智能機(jī)器人研究的重要方向,例如掘進(jìn)機(jī)器人、噴漿機(jī)器人、支護(hù)機(jī)器人、救援機(jī)器人等。先機(jī)械再智能,一步一個(gè)腳印完成井下智能機(jī)器人種類的開發(fā)和應(yīng)用,真正實(shí)現(xiàn)井下工作從有人到少人再到無人的發(fā)展目標(biāo)。

4.4 實(shí)現(xiàn)決策科學(xué)落實(shí),不忘經(jīng)營可持續(xù)生產(chǎn)

煤礦企業(yè)推動(dòng)礦山智能化時(shí),要以不能放棄安全生產(chǎn)為首,同時(shí)對(duì)智能化期間收集到的數(shù)據(jù)指標(biāo)進(jìn)行解析,確保智能化可持續(xù)建設(shè),不能因?yàn)橹悄芑ㄔO(shè)而顧此失彼。煤礦管理層要充分發(fā)揮企業(yè)VCXV組織機(jī)構(gòu)作用,整合管理獲得的智能化建設(shè)進(jìn)程中的信息,利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立先進(jìn)的工作模式,保證建設(shè)過程中決策的科學(xué)性和合理性[10]。

4.5 建設(shè)高?！旱V—設(shè)備廠商間聯(lián)動(dòng)的人才培養(yǎng)模式

產(chǎn)學(xué)研合作一直是行業(yè)得以發(fā)展進(jìn)步的重點(diǎn),現(xiàn)在智能化人才儲(chǔ)備不充足的問題正是產(chǎn)學(xué)研合作在智能化建設(shè)工作方面的缺失。高校不懂煤礦對(duì)于新型人才的需求,依然按照舊的教學(xué)方案去培養(yǎng);煤礦企業(yè)沒有加強(qiáng)對(duì)于智能化人才的招聘需求,營造好相關(guān)專業(yè)的就業(yè)環(huán)境;設(shè)備廠商沒有充分了解煤礦的實(shí)際生產(chǎn)需求,盲目地研究開發(fā)和優(yōu)化系統(tǒng),導(dǎo)致不同子系統(tǒng)之間的兼容、合并運(yùn)行工作越來越難開展。只有高校與煤礦對(duì)接人才需求,才能培養(yǎng)出有技術(shù)有學(xué)歷的專項(xiàng)人才。同時(shí)煤炭企業(yè)自身做好對(duì)內(nèi)部門職責(zé)優(yōu)化調(diào)整,對(duì)外加強(qiáng)人才招聘,營造好智能化人才需求環(huán)境才能倒逼市場(chǎng)完成相關(guān)職業(yè)技術(shù)的培訓(xùn)。對(duì)于設(shè)備廠商來說,煤礦企業(yè)要起到溝通橋梁的作用,加強(qiáng)煤礦企業(yè)與設(shè)備廠商、設(shè)備廠商與設(shè)備廠商之間的溝通交流。三者需要共同發(fā)力才能早一步實(shí)現(xiàn)煤礦智能化進(jìn)程目標(biāo)。

5 結(jié)語

本文針對(duì)柳林現(xiàn)已建成的智能化煤礦所發(fā)現(xiàn)的問題以及國內(nèi)煤礦智能化建設(shè)的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)做了分析。煤礦智能化未來的發(fā)展要著眼于5G技術(shù)的應(yīng)用、機(jī)械設(shè)備的智能化改造和智能機(jī)器人的深度研發(fā),在保證可持續(xù)生產(chǎn)的前提下加速建成高?！旱V—設(shè)備廠商間聯(lián)動(dòng)的人才培養(yǎng)模式,真正實(shí)現(xiàn)煤礦智能化的全方位建設(shè)。