我國煤炭綜采工作面智能化開采探討

李 斌

（晉能控股煤業(yè)集團馬道頭煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 大同 037101）

引言

目前，在國家宏觀政策調(diào)控下，煤炭業(yè)正處在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型、升級的關(guān)鍵時期。面對傳統(tǒng)工業(yè)和新型技術(shù)有效融合的大趨勢，煤礦產(chǎn)業(yè)勢必要做出新的調(diào)整，煤炭綜采工作面智能化是第一選擇。然而在實際操作中，由于環(huán)境、安全等因素的限制，煤礦產(chǎn)業(yè)很難順利完成智能化升級，其先進的智能理念、日趨完善的技術(shù)、相匹配的智能開采設(shè)備需要逐步升級，早日代替?zhèn)鹘y(tǒng)的煤炭開采技術(shù)。基于此，對煤礦綜采工作面進行研究，并深入探索其智能化進程，有著重要的現(xiàn)實意義。

1 我國煤炭綜采工作面智能化開采技術(shù)發(fā)展規(guī)劃

與世界發(fā)達國家相比，我國在煤炭綜采工作面智能開采技術(shù)發(fā)展上有些滯后。隨著我國將煤炭綠色智能采掘裝備列入能源裝備發(fā)展任務(wù)之一，明確指出要加快研發(fā)煤炭智能化開采技術(shù)，力爭做到機械化與自動化相結(jié)合并成功替代人工操作，避免將人置于危險工作環(huán)境中，鼓勵煤炭工業(yè)也不斷深入探索“互聯(lián)網(wǎng)＋人工智能＋自動開采”的綠色開采新模式。如今我國很多煤炭企業(yè)已陸續(xù)開始采用煤炭綜采工作面智能開采技術(shù)，有效提高了煤炭開采量和開采效率。

按照我國煤炭綜采工作面智能化開采的規(guī)劃，未來大致會經(jīng)過四個階段，第一階段主要以設(shè)備單機自動化為主，包括液壓支架自動跟機、采煤機記憶割煤；第二階段主要以設(shè)備工作自動化為主要特征，其中包含了工作面設(shè)備的協(xié)同控制、視頻輔助；第三階段以工作面數(shù)字化技術(shù)引入為主要特征，包含透明工作面＋自動規(guī)劃采煤，最終達到第四階段以綜采設(shè)備自適應(yīng)開采＋深度智能學(xué)習(xí)替代人工干預(yù)的智能化開采階段。我國目前已取得了以“支架電液控制＋記憶割煤＋可視化遠程干預(yù)控制”的綜合自動化控制為代表的一系列創(chuàng)新成果。

2 煤礦綜采工作面的智能化開采設(shè)備

2.1 智能采煤機

相較于傳統(tǒng)意義上的采煤機，智能采煤機可謂實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。在實際的開采作業(yè)中更注重實際需要，不僅能設(shè)計出多種運行方式，更是具有高效、高產(chǎn)、安全等特點，能有效聯(lián)動控制刮板輸送機和支架。為了更好地完成監(jiān)測、協(xié)調(diào)、信息采集工作，借助了MEMS 傳感器技術(shù)，不僅使對于采煤機位置關(guān)系的有關(guān)計算、演繹不再繁瑣，同時提高了“精準預(yù)測”其運行軌跡的可能性，讓閉鎖采煤機及其相關(guān)設(shè)備間的“智慧”聯(lián)動不再遙不可及。將智能系統(tǒng)嵌入采煤機，實現(xiàn)了對煤炭分界的自動化探測以及記憶截割等，結(jié)合采煤工藝，可以進一步滿足支架調(diào)斜、傾斜切刀、跟機作業(yè)等需要，除了完成基礎(chǔ)工作外還能滿足“個性化”需求，讓工作面組成一個智能有機體。將采煤機遠程操作平臺設(shè)置在監(jiān)控中心，就可以實時通信，操作系統(tǒng)中的視頻系統(tǒng)可“升降滾筒”的指令，指令下達、實現(xiàn)連接，在完成傳輸信號后，即可對采煤機進行遠程控制。

2.2 智能液壓支架

煤礦綜采中的液壓支架電液控制系統(tǒng)，就本質(zhì)而言，它其實更像一種附加性產(chǎn)品，生產(chǎn)支架架設(shè)完備之后接入，并沒有在液壓支架的構(gòu)造中充當(dāng)完全適配的角色。為了融合支架的控制器、機械構(gòu)造、傳感器等，使其高度配合運作，進而讓其作為機電一體化整體存在，進一步減少支架的費用，大幅提升支架自動化水平，后續(xù)有關(guān)產(chǎn)品、設(shè)備必須將“電液控制系統(tǒng)在監(jiān)控中心完成液壓支架的遠程控制臺構(gòu)造”的需要提前進行確認，建議將其放在設(shè)計的初始階段。

電液控制系統(tǒng)有效應(yīng)用于綜采工作面液壓支架，并且在實際操作中進一步普及后，自動化跟機的功能在伴隨采煤機的支架上得以凸顯。伴隨采煤機運行的自動化，使其主導(dǎo)液壓支架遠程控制，期間作為輔助的“人”的參與，實現(xiàn)了遠程操作的人為影響。當(dāng)然，參照“三平兩直”的標準，液壓支架現(xiàn)階段的發(fā)展水平還有待提高。面對差距，需要跟隨實時監(jiān)控視頻的指引，配合機器視覺技術(shù)，及時計算相對位移，在誤差最小化的前提下進行調(diào)整。

2.3 智能刮板運輸機

在煤炭的輸送階段，為了更好地完成輸送任務(wù)，通常需要對刮板運輸機進行檢測，其中重點監(jiān)測部分是它的直線性；而作為采煤機的支撐部分，平整性也是非常重要的。為了確保直線性、平整性，防止“下滑上竄”情況的發(fā)生，需要及時地控制、檢測它與支架間的相對范圍，同時深入剖析刮板運輸機的定位問題，進而知悉它們對彼此的影響。

3 煤礦綜采工作面輔助開采的智能化技術(shù)

3.1 支架防碰撞技術(shù)

支架防碰撞技術(shù)是一種側(cè)重于安全性、主動的防碰撞系統(tǒng)，具備將視聽報警信號事先發(fā)送給相關(guān)人員的功能。在探測采煤機周圍的阻礙物時，主要借助雷達探測，假設(shè)探明采煤機前存有障礙物，雷達探測技術(shù)將會發(fā)揮它的功能——感知且暫停采煤機的運作，直至相關(guān)工作者解決了探測到的問題。智能化技術(shù)的采用使系統(tǒng)可以自主運行相關(guān)檢測、緊急制動等功能，極大地降低了碰撞現(xiàn)象發(fā)生的概率。

3.2 視頻監(jiān)控技術(shù)

視頻監(jiān)控技術(shù)的重點應(yīng)用領(lǐng)域，是綜采工作面的模擬采礦系統(tǒng)，參照現(xiàn)實環(huán)境，借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)建構(gòu)采礦場景。在這個三維的立體空間中，工藝裝置被極大地仿真，在“相同”的場景中，技術(shù)人員可“感受”煤炭開采的整個過程，同時，與系統(tǒng)交互的過程中，操作者實時地“穿越”在各個空間，空間廣度涉及模擬的整個范圍。該系統(tǒng)除了可以模擬現(xiàn)象、對物體進行識別等，還能確認空間的狀態(tài)，并調(diào)整其運行狀況，輸入、處理所需要的信息。高度還原實際采礦環(huán)境的三維化場景，是它的顯著構(gòu)建特征，而通過模擬所獲取的一系列工作參數(shù)、裝置動態(tài)圖以及其他平面圖等有用信息，對于評價生產(chǎn)目標，優(yōu)化生產(chǎn)設(shè)備、系統(tǒng)等意義重大。

3.3 實時控制協(xié)議技術(shù)

綜采工作面遠程遙控需要在實際操作中將傳輸視頻延時性進一步縮進。通常，結(jié)合支架以及采煤機獨有的控制標準：視頻端與端之間的延時，理論上不可以超過50 ms?；诖耍瑢嵅龠^程對圖像攝取、信息傳輸、解碼、儲存等方面提出了較高要求。由于工作面距離較長，而采煤機附近相關(guān)設(shè)備需要感知、采集、呈現(xiàn)的視頻，均需兼顧攝像儀的容量及數(shù)字視頻系統(tǒng)中的信號，在完整呈現(xiàn)之前，少不了傳輸、編碼解碼、數(shù)字化等操作，這往往促進了大于300 ms 的延時的產(chǎn)生。因此，在設(shè)備智能化與系統(tǒng)優(yōu)化的過程中，還應(yīng)完善數(shù)據(jù)采集、信息呈現(xiàn)等密切關(guān)聯(lián)的技術(shù)[1-4]。

4 結(jié)語

在采煤產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展之下，對安全重視程度的提升、高效高產(chǎn)的目標指引，使得煤礦綜采工作面在社會信息化潮流中不斷趨于智能化。結(jié)合實際需求，順應(yīng)時勢，并以智能化為發(fā)展方向，才能完成相關(guān)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型、升級的目的。只有不斷加快煤礦開采智能化發(fā)展的腳步，煤礦綜采工作面智能化才能推進真正意義上的“改革”，進而助力國內(nèi)煤礦企業(yè)進入新的可持續(xù)發(fā)展階段。