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號和9號煤層,總生產(chǎn)能力約為4 205萬t/a?，F(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)和建設模式,柳林采用多種方法進行煤礦智能化建設,努力實現(xiàn)井下少人化目標,并與設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,盡早實現(xiàn)井上井下系統(tǒng)智能化聯(lián)動。根據(jù)計劃，柳林2022年將推動7個智能化綜采工作面及22個智能化掘進工作面。

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),每個班次通常需要安排25人;完成采煤工作面的智能化建設工作后,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進行計算,則工作面每年可以節(jié)省人力成本720萬元。采煤效率應在原有基礎上提升42.86%～57.14%[1]。但現(xiàn)實情況是智能化的推進不是一蹴而就的事情,在實際的智能化建設工作中產(chǎn)生的經(jīng)濟效益并沒有達到預期,其中既有智能化推進過程中的共性問題,也存在著個性問題。

1 智能化發(fā)展的共性問題

1.1 煤礦智能化認識和理念不統(tǒng)一

機械化、自動化、信息化和數(shù)字化是智能化的基本內(nèi)涵,但是在實際智能化推動過程中容易出現(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工作,認為智能化與之前的煤礦自動化的區(qū)別不大,無需投入過大成本去推進。實際上這種觀念嚴重阻礙了智能化的發(fā)展進程,“你不做我不做”的觀念會使本該大力發(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)樣本才能促進智能化技術(shù)和設備的不斷發(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雜多樣,不同賦存條件的礦井開展智能化建設時的技術(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方面,如不同礦區(qū)的智能化建設基礎、不同省份或同一省份不同地市智能化建設的推進過程、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應用場景和生態(tài)匱乏

5G作為新一代的信息技術(shù),具有大帶寬、廣連接、低時延等顯著優(yōu)點,但是在實際應用過程中不同廠商的5G網(wǎng)絡系統(tǒng)架構(gòu)不統(tǒng)一。這就導致智能化礦山這一個包含著近百個子系統(tǒng)的巨大系統(tǒng)在運行過程中處處卡殼,不能發(fā)揮其真正作用,同時對本該實現(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。這就導致系統(tǒng)的開發(fā)在底層網(wǎng)絡架構(gòu)上天然的被物理隔斷,在開發(fā)工具和系統(tǒng)標準沒有統(tǒng)一的情況下就形成了“各自為政”的情況,導致現(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)展應該形成一個良性的發(fā)展循環(huán),如圖1所示。只有將開發(fā)端、系統(tǒng)建設端、應用場景端有機地聯(lián)系在一起,并形成循環(huán),才能切實解決數(shù)據(jù)格式尚未實現(xiàn)統(tǒng)一、網(wǎng)絡通信協(xié)議兼容性差、業(yè)務系統(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度仍然偏低,企業(yè)間差距較大;煤礦智能化建設完成的初期經(jīng)濟效果甚微;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效果的評定體系。

2 柳林煤礦智能化存在的問題

2.1 信號傳輸問題

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

2.2 視頻輔助技術(shù)問題

在采煤機械可以智能化學習并完成自適應采煤工作前,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,以便對井下的復雜狀況及時作出反應。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存在視頻畫面不清晰、煤巖識別不明確的問題,極大地影響了地面工作人員對于井下情況的判斷,降低了煤礦生產(chǎn)效率。

2.3 液壓支架自動跟機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,存在3種情況:一是時間到，停止移架直接執(zhí)行開架程序;二是煤機速度過快,在移架的同時執(zhí)行開架程序,導致移架不到位;三是工作面有小的構(gòu)造或支架前方有矸阻擋,或者支架先導閥、主閥有異物,導致支架執(zhí)行速度慢。

在紅外線自動感應跟蹤煤機運行過程中,有些支架未能感應到煤機信號,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:設備通用要求》規(guī)定的爆炸性環(huán)境,要求在該場景下使用的電氣設備必須具備礦用安全標志證書和防爆合格證。三維激光掃描系統(tǒng)的防爆改造是難點之一[3]。其次,在煤礦井下環(huán)境作業(yè)時,三維激光掃描系統(tǒng)自身的位姿必須通過慣性測量單元和里程計確定,由于組成慣性測量單元的陀螺儀存在漂移問題,長時間累積計算會產(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評定辦法(試行)》的要求,但是在整個工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的運行、數(shù)據(jù)對決和數(shù)據(jù)深度分析方面還有所欠缺。

2.6 人才儲備不足

煤礦設備進行了智能化,但是智能化人才的儲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)人才儲備的問題主要表現(xiàn)在以下幾個方面:

1)對于智能化設備的應用知識和理論還停留在中層領導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)與設備廠商的交流不充分,還單純地停留在買賣雙方的服務與被服務關(guān)系,缺乏進一步有關(guān)機械實操、技術(shù)進步、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)智能化的進程,也影響了從業(yè)人員對煤礦智能化建設的觀感。

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

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;缺少對地方高校相關(guān)專業(yè)培養(yǎng)方案的了解,使得產(chǎn)學脫節(jié)，不能很好地適應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,煤礦智能化不僅是中高層領導和行業(yè)的事情,更是與一線技術(shù)人員密切相關(guān)。煤礦智能化的進步不該只是系統(tǒng)和機器的進步,更應該是操作人員素質(zhì)的進步。

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礦大采高智能化采煤控制技術(shù)為典型案例進行分析。

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,分別從支架放煤機的精確控制、頂煤精準探測及煤矸識別技術(shù)、自動跟機放煤控制技術(shù)3個方面建立智能化綜采放頂煤控制系統(tǒng);通過在工作面設備上配備負荷監(jiān)控(煤量掃描裝置+負荷監(jiān)測平臺)、三機工況監(jiān)測與控制、系統(tǒng)定位及防碰撞等裝置,實現(xiàn)“前部記憶截割、后部智能放煤,遠程集中控制”的智能化開采[5]。具體綜采設備系統(tǒng)如表1所示。

表1 王家?guī)X12309智能綜采工作面設備明細表

王家?guī)X12309工作面采用四六制生產(chǎn)組織方式進行生產(chǎn),其生產(chǎn)人員組成主要為工作面巡檢工、機頭機尾超前支護工、監(jiān)控員及遠程放煤監(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器運轉(zhuǎn)和遠程監(jiān)控室的及時干預,并能夠?qū)χЪ茏砸撇坏轿蛔龀黾皶r調(diào)整。在支架自移不能達到100%準確，采煤機不能做到完全自適應巷道的情況下,王家?guī)X12309綜采面的人員配置可以在目前智能化初級階段有效解決上述支架移動不到位、干預機器不及時等問題。

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、民達煤礦、呼倫貝爾東明煤礦達成了礦山無人化開采、運輸、排棄的無人駕駛運營試點。未來無人駕駛也必將在各大煤礦進行普及。煤礦智能化生態(tài)系統(tǒng)中也會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,呂梁乃至山西整個地區(qū)地勢相對陡峭多山,在普通的車輛與總機進行數(shù)據(jù)交互的基礎上,還要實現(xiàn)車車交互的情況。這樣既可以保證車輛之間的有序行進,也可以保證云管控平臺對車輛情況的及時介入。

3.3 黃陵二號礦大采高智能化采煤控制技術(shù)

黃陵二號礦于2017年根據(jù)二號礦內(nèi)的416工作面的實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)中的全自動控制啟停技術(shù)、跟機自動化與記憶截割高效協(xié)同技術(shù)、設備防碰撞控制技術(shù)、支架自適應控制技術(shù)等屬于業(yè)內(nèi)一流水平值得推廣學習。

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作為更先進的網(wǎng)絡技術(shù),完全能夠滿足高清視頻監(jiān)控圖像傳輸?shù)男枨?。以華為5G CPE終端設備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、遠程控制等多種數(shù)據(jù)業(yè)務[6]。首先,將井下綜采面的一張網(wǎng)實現(xiàn),讓井下各類機械和子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)實現(xiàn)交互;其次,嘗試將地面各類可替代崗位機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)并入整個系統(tǒng)網(wǎng)絡中,形成一個井上、井下聯(lián)動的巨型系統(tǒng)。按照此發(fā)展進程,必須要攻克信號傳輸速度問題及系統(tǒng)后臺的算力問題,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 完成對機械設備的智能化升級改造

4.2.1采煤機

控制中心在操作采煤機工作進程中,若是遭遇煤巖界面異常,會對已經(jīng)收集到的各項數(shù)據(jù)實施整理與分析,調(diào)整與標準化記憶路線,然后調(diào)高采煤機前后位置的滾筒,并在采煤機定資、定位協(xié)助下快速調(diào)整好切煤路線,并設定好正確的采煤機牽引速度[7]。

4.2.2液壓支架

對于液壓支架,需要對其內(nèi)部系統(tǒng)進行一定的改進和優(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)之間無法進行協(xié)調(diào)作業(yè),會導致液壓支架只是作為生產(chǎn)附加品起到相應的作用。因此需要對液壓支架和電液控制系統(tǒng)進行統(tǒng)一處理,同時在此技術(shù)上采用傳感器、控制器和機械結(jié)構(gòu)互相聯(lián)合的方式來降低支架成本,在一體化升級工作逐漸推進的情況下,液壓支架的智能化水平得到進一步的提升[8]。總的來說,煤礦機械智能化,應向著能學習、能適應、能聯(lián)動的方向發(fā)展。

4.3 拓寬智能機器人應用面

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

4.4 實現(xiàn)決策科學落實,不忘經(jīng)營可持續(xù)生產(chǎn)

煤礦企業(yè)推動礦山智能化時,要以不能放棄安全生產(chǎn)為首,同時對智能化期間收集到的數(shù)據(jù)指標進行解析,確保智能化可持續(xù)建設,不能因為智能化建設而顧此失彼。煤礦管理層要充分發(fā)揮企業(yè)VCXV組織機構(gòu)作用,整合管理獲得的智能化建設進程中的信息,利用網(wǎng)絡技術(shù)建立先進的工作模式,保證建設過程中決策的科學性和合理性[10]。

4.5 建設高?！旱V—設備廠商間聯(lián)動的人才培養(yǎng)模式

產(chǎn)學研合作一直是行業(yè)得以發(fā)展進步的重點,現(xiàn)在智能化人才儲備不充足的問題正是產(chǎn)學研合作在智能化建設工作方面的缺失。高校不懂煤礦對于新型人才的需求,依然按照舊的教學方案去培養(yǎng);煤礦企業(yè)沒有加強對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;設備廠商沒有充分了解煤礦的實際生產(chǎn)需求,盲目地研究開發(fā)和優(yōu)化系統(tǒng),導致不同子系統(tǒng)之間的兼容、合并運行工作越來越難開展。只有高校與煤礦對接人才需求,才能培養(yǎng)出有技術(shù)有學歷的專項人才。同時煤炭企業(yè)自身做好對內(nèi)部門職責優(yōu)化調(diào)整,對外加強人才招聘,營造好智能化人才需求環(huán)境才能倒逼市場完成相關(guān)職業(yè)技術(shù)的培訓。對于設備廠商來說,煤礦企業(yè)要起到溝通橋梁的作用,加強煤礦企業(yè)與設備廠商、設備廠商與設備廠商之間的溝通交流。三者需要共同發(fā)力才能早一步實現(xiàn)煤礦智能化進程目標。

5 結(jié)語

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