智能礦山部分系統(tǒng)技術(shù)設(shè)備管理應(yīng)用與創(chuàng)新

白奮龍，徐 帥，梁慶榮

(國(guó)能神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司補(bǔ)連塔煤礦，陜西 榆林 719300)

0 引言

智能礦山是在礦山自動(dòng)化、信息化、數(shù)字化的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、移動(dòng)通信等新一代網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)在礦山領(lǐng)域的全面應(yīng)用[1-3]。智能礦山建設(shè)主要包括采掘設(shè)備智能化和監(jiān)測(cè)設(shè)備智能化，機(jī)電技術(shù)管理模式的改革與創(chuàng)新，不但要充分重視安全自動(dòng)化技術(shù)引進(jìn)的重要性，而且還應(yīng)配備安全的采煤自動(dòng)化技術(shù)、電控自動(dòng)化技術(shù)以及安全支撐自動(dòng)化技術(shù)設(shè)備，構(gòu)建完整的煤礦開采自動(dòng)化監(jiān)控平臺(tái)[4]。煤礦開發(fā)建設(shè)目前已實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化、自動(dòng)化，由于機(jī)電技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)、5G技術(shù)的應(yīng)用，正逐步向著信息化、智能化發(fā)展。智能礦山基于大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)集成各類傳感器、自動(dòng)控制器、傳輸網(wǎng)絡(luò)、組件式軟件等，能主動(dòng)感知、自動(dòng)分析，依據(jù)深度學(xué)習(xí)的知識(shí)庫，形成最優(yōu)決策模型并對(duì)各環(huán)節(jié)實(shí)施智能調(diào)控，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、運(yùn)營(yíng)、管理等環(huán)節(jié)安全、高效、智能的綠色礦山[5-6]。

面對(duì)復(fù)雜的市場(chǎng)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)管理創(chuàng)新規(guī)范化，煤礦企業(yè)要在根本上重視機(jī)電技術(shù)管理創(chuàng)新，機(jī)電技術(shù)管理創(chuàng)新是未來煤礦企業(yè)發(fā)展的重要影響因素。煤礦機(jī)電技術(shù)創(chuàng)新是實(shí)現(xiàn)智能礦山管理創(chuàng)新的關(guān)鍵，特別是隨著礦山管理智能化發(fā)展，技術(shù)管理創(chuàng)新將會(huì)充分改善礦山工作環(huán)境，使作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度降低，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和生產(chǎn)效率[7-8]。

以國(guó)能神東煤炭集團(tuán)補(bǔ)連塔煤礦1-2煤掘進(jìn)工作面智能化發(fā)展為例，礦井開發(fā)建設(shè)的智能化水平，掘進(jìn)工作面具體表現(xiàn)在集控系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、自動(dòng)控制報(bào)警系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及給排水等系統(tǒng)的完善程度。煤礦開發(fā)建設(shè)向著信息化、智能化、無人化發(fā)展的進(jìn)程中，科學(xué)技術(shù)在礦井設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用具有階段性特征。智能礦山建設(shè)目前在設(shè)備集中控制、管理體系建設(shè)、掘進(jìn)開采工藝等方面存在很多不足，煤礦機(jī)電技術(shù)、設(shè)備更新?lián)Q代較快，為實(shí)現(xiàn)智能化發(fā)展，需要不斷地進(jìn)行技術(shù)設(shè)備的完善。推廣機(jī)電設(shè)備自動(dòng)化、智能化，對(duì)井下作業(yè)實(shí)時(shí)監(jiān)控，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率。

1 補(bǔ)連塔煤礦1-2煤連掘工作面簡(jiǎn)介

國(guó)能神東煤炭集團(tuán)補(bǔ)連塔煤礦1-2煤連掘工作面距離輔運(yùn)平硐約6.8 km，工作面巷道包括1-2煤四盤區(qū)輔運(yùn)巷、回風(fēng)巷及聯(lián)絡(luò)巷道，巷道寬度為5.4 m，高度為2.8 m，掘進(jìn)斷面為15.12 m2。1-2煤巷道采用輔運(yùn)、回風(fēng)巷雙巷同時(shí)掘進(jìn)的開采工藝，掘進(jìn)區(qū)煤層傾向南西，局部段煤層起伏較大，掘進(jìn)區(qū)內(nèi)無大的地質(zhì)構(gòu)造影響。

連掘工作面作業(yè)環(huán)境差，工作難度大，對(duì)于設(shè)備的可靠性要求較高。智能化礦井建設(shè)在工作面集控系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、自動(dòng)控制報(bào)警系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中，由于部分系統(tǒng)設(shè)備老舊故障多，經(jīng)階段性技術(shù)創(chuàng)新，設(shè)備更新，始終存在一些不足，需要在實(shí)踐中不斷完善[9]。掘進(jìn)工作面的巷道布置情況見表1。

表1 巷道布置情況

2 連掘工作面部分改進(jìn)工藝

2.1 連掘工作面設(shè)備集控系統(tǒng)

連掘工作面影響設(shè)備運(yùn)行的因素：由于連掘工作面的工作環(huán)境復(fù)雜多變，設(shè)備作業(yè)難度增加，各設(shè)備配合使用費(fèi)時(shí)耗力，連掘進(jìn)尺效率低下。膠帶機(jī)運(yùn)行需安排專職人員進(jìn)行啟停動(dòng)作及監(jiān)護(hù)運(yùn)行；當(dāng)生產(chǎn)移變、風(fēng)機(jī)移變、饋電等跳閘時(shí)，需到配電站進(jìn)行停送電，局部通風(fēng)機(jī)易出現(xiàn)無預(yù)期停風(fēng)。

連掘工作面設(shè)備集控系統(tǒng)的功能：工作面通過集中控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了無人值守、遠(yuǎn)程操控膠帶機(jī)、各設(shè)備移變、饋電、風(fēng)機(jī)等分散設(shè)備的集中啟停控制[10]；膠帶機(jī)、移變、饋電，風(fēng)機(jī)等設(shè)備參數(shù)運(yùn)行狀態(tài)在掘進(jìn)移動(dòng)端集中控制系統(tǒng)中實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)；減少人力資源投入，自動(dòng)化控制水平提高礦井生產(chǎn)效率得以提升。

2.2 連掘工作面濕式除塵系統(tǒng)

傳統(tǒng)通風(fēng)降塵方式的缺陷：連掘工作面的1-2煤輔運(yùn)和回風(fēng)巷在掘進(jìn)過程中，使用“長(zhǎng)壓短抽”通風(fēng)方式進(jìn)行通風(fēng)、除塵，續(xù)接風(fēng)筒時(shí)間長(zhǎng)、工作量大，且存在登高作業(yè)安全隱患。連采機(jī)掘進(jìn)期間負(fù)壓除塵風(fēng)筒無法安裝至掘進(jìn)迎頭，現(xiàn)有連續(xù)采煤機(jī)除塵系統(tǒng)外噴霧難以霧化、除塵風(fēng)量小和吸風(fēng)口布局不合理的設(shè)計(jì)缺陷，使得該除塵系統(tǒng)對(duì)呼吸性粉塵除塵效率遠(yuǎn)低于對(duì)全塵的除塵效率，對(duì)截割滾筒產(chǎn)生的呼吸性煤塵起不到足夠的抑制作用。

濕式除塵系統(tǒng)的改進(jìn)方案：針對(duì)掘進(jìn)工作面粉塵在連采機(jī)截割滾筒處濃度最高，粉塵在風(fēng)流作用下沿巷道全斷面不斷地?cái)U(kuò)散、沉降經(jīng)除塵風(fēng)機(jī)完成收集降塵，因此粉塵濃度沿巷道行程不斷降低。從源頭上抑制煤塵擴(kuò)散的改進(jìn)方案，對(duì)降低粉塵濃度具有很好的實(shí)際效果[11]。 國(guó)能神東煤炭集團(tuán)補(bǔ)連塔煤礦采用新式除塵系統(tǒng)改進(jìn)方案的具體措施為①根據(jù)連采機(jī)不同型號(hào)匹配合適的增壓泵，由連采機(jī)液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力，對(duì)掘進(jìn)工作面系統(tǒng)水進(jìn)行增壓，增強(qiáng)掘進(jìn)工作面供水系統(tǒng)末端噴淋壓力，再經(jīng)噴頭噴出在連采機(jī)截割滾筒處形成霧化面域，以此提高噴霧除塵效率。②連采機(jī)機(jī)身上部?jī)蓚?cè)安裝離心式濕式除塵風(fēng)機(jī)，吸風(fēng)口安裝位置距截割滾筒3～5 m距離。離心濕式除塵風(fēng)機(jī)由葉輪高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的高強(qiáng)度旋轉(zhuǎn)氣流，使空氣中的粉塵與水霧得到充分混合并形成含塵液滴，旋轉(zhuǎn)氣流攜帶的慣性力作用下將含塵液滴拋到筒壁內(nèi)部，在液滴自重作用下落入積水盒達(dá)到收集粉塵、凈化空氣的目的。

2.3 掘錨機(jī)錨索油泵張拉裝置

掘錨機(jī)錨索電動(dòng)張拉裝置:目前掘錨機(jī)一體機(jī)在掘進(jìn)巷道中，掘錨機(jī)需配備一臺(tái)張拉泵對(duì)錨索進(jìn)行張拉，另外需要通過安置一臺(tái)80開關(guān)來電動(dòng)控制張拉泵，導(dǎo)致掘錨機(jī)的機(jī)身電氣設(shè)備數(shù)量增加，日常維護(hù)及使用極其不便，增加了煤礦的生產(chǎn)作業(yè)成本。

掘錨機(jī)錨索油泵張拉裝置:針對(duì)電動(dòng)控制張拉泵在使用中的缺陷，提出新的張拉錨索方案，通過掘錨機(jī)自身油泵系統(tǒng)壓力，將掘錨機(jī)右側(cè)錨桿系統(tǒng)的備用操作閥管路疏通，一端連接掘錨機(jī)主泵站，一端連接張拉泵，通過備用控制閥控制張拉泵對(duì)錨索進(jìn)行張拉，從而達(dá)到不通過電器設(shè)備就能實(shí)現(xiàn)張拉錨索的目的，減少掘錨機(jī)的機(jī)身配置的電氣設(shè)備數(shù)量，也可以降低因維護(hù)不到位而造成的電氣設(shè)備安全隱患。

2.4 局部通風(fēng)機(jī)斷電自動(dòng)報(bào)警裝置

通風(fēng)機(jī)供電設(shè)備常見故障:掘進(jìn)風(fēng)機(jī)配電站實(shí)現(xiàn)無人值守，若配電點(diǎn)內(nèi)專用風(fēng)機(jī)供電設(shè)備故障自動(dòng)切換至備用風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，專用風(fēng)機(jī)供電設(shè)備故障不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，容易造成掘進(jìn)工作面無計(jì)劃停風(fēng)事故。為解決上述問題，研制局部通風(fēng)機(jī)供電設(shè)備斷電自動(dòng)報(bào)警裝置。

局部通風(fēng)機(jī)設(shè)備斷電自動(dòng)報(bào)警裝置:在局部通風(fēng)機(jī)配電位置和掘進(jìn)工作面分別安裝一組防爆聲光報(bào)警裝置，裝置控制信號(hào)取自通風(fēng)機(jī)供電設(shè)備輔助觸點(diǎn)。通風(fēng)機(jī)供電設(shè)備斷電后經(jīng)過輔助觸點(diǎn)動(dòng)作，聲光報(bào)警裝置的警示燈亮起發(fā)出警報(bào)，提醒作業(yè)人員注意。

2.5 皮帶運(yùn)行全斷面自動(dòng)降塵噴霧裝置

皮帶運(yùn)行觸控式噴霧裝置:皮帶運(yùn)行過程中，帶面與托輥之間的摩擦是產(chǎn)生煤塵的主要因素，通常降塵噴霧裝置安裝在頂板上，實(shí)現(xiàn)局部降塵防塵，皮帶運(yùn)行過程中降塵效果并不明顯；或者使用的觸控式自動(dòng)噴霧裝置，由于觸控傳感器經(jīng)常損壞，使用壽命短，維修過程耗時(shí)耗力。

全域降塵噴霧裝置:通過自行加工改造，將觸控噴霧改為由皮帶保護(hù)控制降塵噴霧，從沿線照明燈上取120 V電源，將電源接入華寧控制遠(yuǎn)程控制箱內(nèi)，由120 V經(jīng)變壓器轉(zhuǎn)變?yōu)?2 V給電動(dòng)球閥供電，在機(jī)頭控制機(jī)內(nèi)給電動(dòng)球閥接一個(gè)啟停輸出控制點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)開機(jī)開水，停機(jī)停水的功能。此外，對(duì)降塵噴霧裝置進(jìn)行改造。以往噴霧桿吊掛在頂板上，防塵效果差。為提高降塵效果，又在皮帶上帶面非受煤面、底皮帶處各增加一道噴霧裝置，實(shí)現(xiàn)頂部降塵、托輥與帶面摩擦面同步降塵，降塵效果大大提高，實(shí)現(xiàn)全斷面噴霧降塵效果。

3 連掘設(shè)備實(shí)際應(yīng)用效果分析

3.1 連掘工作面設(shè)備集控系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

作業(yè)人員通過集控系統(tǒng)的監(jiān)督和操作，使機(jī)械設(shè)備精準(zhǔn)地執(zhí)行集成化平臺(tái)指令，以此來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程化操控，降低人力資源的投入，以正確規(guī)避煤礦生產(chǎn)過程中的安全風(fēng)險(xiǎn)問題；通過技術(shù)體系的應(yīng)用，提高煤礦開采效率，且自動(dòng)化、智能化工序的執(zhí)行，令整個(gè)煤礦實(shí)現(xiàn)基于信息平臺(tái)采集與指令執(zhí)行的相關(guān)操作，提高整個(gè)機(jī)械化操作所具備的精準(zhǔn)性，可有效避免煤礦資源的浪費(fèi)現(xiàn)象；通過傳感技術(shù)與視頻識(shí)別技術(shù)利用，可以有效地對(duì)地下采煤現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行查驗(yàn)，通過視頻信息的采集，對(duì)工作全程監(jiān)管，以此來保證各項(xiàng)工作在實(shí)際開展過程中可精準(zhǔn)地執(zhí)行某一項(xiàng)指令，進(jìn)而提高實(shí)際管理效率[12]；通過系統(tǒng)對(duì)設(shè)備運(yùn)行的參數(shù)進(jìn)行采集并同步上傳到數(shù)據(jù)庫，以分析當(dāng)前設(shè)備在運(yùn)行過程中存在的故障問題，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行的有效監(jiān)管[13-15]。

國(guó)能神東煤炭集團(tuán)補(bǔ)連塔煤礦生產(chǎn)管控平臺(tái)如圖1所示，通風(fēng)機(jī)開關(guān)控制頁面如圖2所示，掘進(jìn)工作面集控頁面如圖3所示，移動(dòng)變電站實(shí)時(shí)控制頁面如圖4所示。

圖1 補(bǔ)連塔煤礦生產(chǎn)管控平臺(tái)

圖2 通風(fēng)機(jī)開關(guān)控制頁面

圖3 掘進(jìn)工作面集控系統(tǒng)

圖4 移動(dòng)變電站實(shí)時(shí)控制頁面

將礦山生產(chǎn)過程中涉及的生產(chǎn)、運(yùn)輸、機(jī)電、物資、供應(yīng)、統(tǒng)計(jì)、人力資源管理等數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合集成，貼合礦山當(dāng)前安全生產(chǎn)狀態(tài)及歷史數(shù)據(jù)模型，依據(jù)深度學(xué)習(xí)知識(shí)庫，決策分析當(dāng)前及未來時(shí)間段內(nèi)的礦井最優(yōu)安全生產(chǎn)調(diào)度運(yùn)營(yíng)決策，不斷進(jìn)行修正調(diào)節(jié)[16-17]。

連掘工作面通過使用設(shè)備集控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)皮帶運(yùn)行無人值守，可遠(yuǎn)程進(jìn)行膠帶機(jī)的啟停及故障復(fù)位，主副風(fēng)機(jī)切換，縮短了掘進(jìn)工作人員停送電時(shí)間。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，作業(yè)人員經(jīng)遠(yuǎn)程判斷皮帶、移變、風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況，保證設(shè)備安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)轉(zhuǎn)。遠(yuǎn)程操作在提高煤礦生產(chǎn)效率的同時(shí)，也可確保礦井工作人員的絕對(duì)安全。

3.2 連掘工作面濕式除塵風(fēng)機(jī)的應(yīng)用

通過在連采機(jī)的機(jī)身上部安裝2臺(tái)濕式除塵風(fēng)機(jī)，增加用于壓塵的噴頭，將連采機(jī)截割滾筒掘進(jìn)中產(chǎn)生的粉塵盡可能的壓制。連掘工作面的2臺(tái)濕式除塵風(fēng)機(jī)同時(shí)開啟，與開啟機(jī)載除塵風(fēng)機(jī)相比，連采機(jī)工作人員作業(yè)位置的總粉塵和呼吸性粉塵的降塵效率至少提高一半，實(shí)際除塵效果特別明顯。

新型濕式除塵風(fēng)機(jī)在補(bǔ)連塔煤礦連掘工作面的應(yīng)用如圖5所示。

圖5 掘進(jìn)工作面新型濕式除塵風(fēng)機(jī)

3.3 掘錨機(jī)錨索油泵張拉裝置的優(yōu)勢(shì)

掘錨機(jī)由電動(dòng)張拉錨索方式轉(zhuǎn)換為更為節(jié)約、便捷、高效的掘錨機(jī)油泵張拉方式，主要具有以下3種優(yōu)勢(shì)：①該裝置可普遍代替掘錨機(jī)機(jī)身上使用的電動(dòng)張拉裝置，減少了工作面電氣設(shè)備的使用；②縮短了電工對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行維修的時(shí)間，降低了作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度[18]；③縮減了掘進(jìn)工作面的作業(yè)成本，掘進(jìn)工作面的安全系數(shù)得到提升。

掘錨機(jī)錨索采用油泵張拉裝置實(shí)際應(yīng)用如圖6～7所示，圖6為備用閥控制油管進(jìn)回液，圖7為油管給液后張拉泵站動(dòng)作。

圖6 備用閥控制油管進(jìn)回液

圖7 油管給液后張拉泵站動(dòng)作

3.4 局部通風(fēng)機(jī)斷電自動(dòng)報(bào)警裝置的應(yīng)用

通過局部通風(fēng)機(jī)設(shè)置聲光報(bào)警裝置，當(dāng)風(fēng)機(jī)因故障停止送風(fēng)，報(bào)警燈亮起提醒作業(yè)人員注意；風(fēng)機(jī)正常工作不作提示。斷電自動(dòng)報(bào)警裝置主要有2點(diǎn)作用：①實(shí)現(xiàn)局部通風(fēng)機(jī)供電設(shè)備斷電及時(shí)預(yù)警，第一時(shí)間提醒檢修人員處理故障，及時(shí)消除因故障未發(fā)現(xiàn)帶來的無計(jì)劃停風(fēng)事故隱患；②在日常風(fēng)機(jī)切換過程中，可提醒作業(yè)人員在局部通風(fēng)機(jī)切換完畢后及時(shí)轉(zhuǎn)入專用風(fēng)機(jī)運(yùn)行。

補(bǔ)連塔煤礦局部通風(fēng)機(jī)斷電自動(dòng)報(bào)警裝置如圖8所示。

圖8 自動(dòng)報(bào)警裝置

3.5 全域自動(dòng)降塵噴霧裝置實(shí)際應(yīng)用效果

皮帶長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行過程中，帶式輸送機(jī)關(guān)鍵部件的性能退化會(huì)引發(fā)輸送帶打滑、跑偏和斷帶等故障以及帶面與托輥摩擦產(chǎn)生粉塵，為降低皮帶運(yùn)行區(qū)域粉塵濃度、確保作業(yè)人員職業(yè)健康，對(duì)除塵雨幕噴霧進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)皮帶運(yùn)行全域無死角噴霧降塵效果，降塵效果良好[19]。

通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制以及改進(jìn)的全域自動(dòng)降塵噴霧裝置，降低了皮帶運(yùn)行區(qū)域的煤塵、粉塵濃度，有效降低作業(yè)區(qū)域內(nèi)作業(yè)人員發(fā)生職業(yè)病的風(fēng)險(xiǎn)，安全和經(jīng)濟(jì)效益提升明顯[20-21]。

補(bǔ)連塔煤礦實(shí)際應(yīng)用皮帶運(yùn)行局部自動(dòng)降塵噴霧裝置如圖9所示，皮帶運(yùn)行全域自動(dòng)降塵噴霧裝置如圖10所示。

圖9 皮帶運(yùn)行局部自動(dòng)降塵噴霧裝置

圖10 皮帶運(yùn)行全域自動(dòng)降塵噴霧裝置

4 結(jié)論

(1)在智能礦山建設(shè)中，通過對(duì)礦井集控系統(tǒng)、濕式除塵系統(tǒng)、通風(fēng)機(jī)斷電自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)、全域皮帶運(yùn)行自動(dòng)降塵噴霧系統(tǒng)以及掘錨機(jī)錨索張拉裝置進(jìn)行改進(jìn)，礦井主運(yùn)系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及機(jī)電系統(tǒng)得到進(jìn)一步完善，礦井的生產(chǎn)能力、效率及智能化水平得以提高。

(2)作業(yè)人員通過集控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程操作，使機(jī)械設(shè)備精準(zhǔn)地執(zhí)行集成化平臺(tái)指令，以此來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程化分散設(shè)備集中操控，減少了人力資源投入，準(zhǔn)確規(guī)避煤礦生產(chǎn)過程中的安全風(fēng)險(xiǎn)問題。