基于煤礦井下綜合機(jī)械化采掘設(shè)備智能化改造研究

董天勇

（開灤（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，河北 唐山 063000）

前言

煤礦井下綜合機(jī)械化采掘設(shè)備智能系統(tǒng)借助于傳感元器件可以接收、分析、處理采掘作業(yè)中的各種數(shù)據(jù)信息，并且，這種智能系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程操控功能、可視化功能、智能定位功能以及故障預(yù)警與自診斷功能，不僅增強(qiáng)了井下采掘作業(yè)的安全性與穩(wěn)定性，同時(shí)，也給煤炭生產(chǎn)企業(yè)創(chuàng)造了更多的經(jīng)濟(jì)效益。

1 采掘設(shè)備智能系統(tǒng)的主要特點(diǎn)與工作原理

采掘設(shè)備智能系統(tǒng)身兼采煤機(jī)、掘進(jìn)機(jī)、刮板機(jī)等作業(yè)機(jī)械的功能，通過遠(yuǎn)程智能控制可以完成井下掘進(jìn)、采煤、破碎、運(yùn)輸?shù)茸鳂I(yè)流程。工作人員只需要在操作終端，對(duì)顯示器各功能鍵進(jìn)行操控，并且，借助于全景拼接顯示屏幕可以隨時(shí)對(duì)作業(yè)現(xiàn)場的每一道工序進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，一旦設(shè)備出現(xiàn)運(yùn)行故障，系統(tǒng)將自動(dòng)發(fā)出故障預(yù)警信號(hào)，這時(shí)，終端操作人員可以及時(shí)采取積極有效的應(yīng)急響應(yīng)措施，以最大限度的降低安全事故的發(fā)生概率[1]。

采掘設(shè)備智能系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制功能的實(shí)現(xiàn)，主要利用非視覺傳感器的定位技術(shù)，以及電子測距與測角技術(shù)，在實(shí)際工作當(dāng)中，這些技術(shù)可以隨時(shí)對(duì)采掘設(shè)備的位姿與角度進(jìn)行調(diào)整，并且調(diào)整和糾偏方式可以手動(dòng)控制、無線遙控、遠(yuǎn)程遙控等控制方式中任意選擇，這就給采掘作業(yè)的安全性提供了堅(jiān)實(shí)保障。采掘設(shè)備智能系統(tǒng)的核心是“三機(jī)”協(xié)同控制機(jī)制，它取代了過去的采煤機(jī)、掘進(jìn)機(jī)、刮板機(jī)的分項(xiàng)作業(yè)功能，將“三機(jī)”功能融為一體，使得掘進(jìn)、割煤、裝煤、運(yùn)煤等作業(yè)流程變得更加快捷、高效，更為重要的是可以在“無人”看守的情況下，自動(dòng)完成上述作業(yè)流程，這就給煤炭生產(chǎn)企業(yè)節(jié)省了大量的人力資源成本。

2 采掘設(shè)備智能系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)組成

采掘設(shè)備智能系統(tǒng)主要由三個(gè)功能層構(gòu)成，即主控層、設(shè)備層與網(wǎng)絡(luò)層，這些功能層具有遠(yuǎn)程控制、感知、防撞、定位、遙控、預(yù)警、通信與集控功能，專門對(duì)井下采掘作業(yè)流程進(jìn)行全方位、全方面控制和管理。

2.1 主控層

顧名思義，主控層相當(dāng)于整個(gè)系統(tǒng)的大腦中樞，專門負(fù)責(zé)采集生產(chǎn)過程中的各類數(shù)據(jù)信息，比如掘進(jìn)深度、推進(jìn)速度、采煤數(shù)量、運(yùn)輸狀態(tài)等，當(dāng)這些信息匯總之后，主控層可以快速對(duì)其進(jìn)行分析和處理，然后將這些信息轉(zhuǎn)化成為工作人員可以快速識(shí)別出來的文字、圖表、圖像或者視頻的形式，這時(shí)，工作人員能夠隨時(shí)了解到采掘現(xiàn)場的生產(chǎn)情況。

2.2 設(shè)備層

設(shè)備層所控制的主要對(duì)象是井下的各種作業(yè)設(shè)備，該功能層實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程智能控制主要依賴于各種類型的感知元器件，通過這些元器件，系統(tǒng)的智能監(jiān)控功能、導(dǎo)航功能才能正常使用。比如監(jiān)控設(shè)備可以將煤巷當(dāng)中的實(shí)時(shí)狀態(tài)清晰的顯示在終端屏幕上面，并且，無源導(dǎo)航設(shè)備能夠?qū)Σ删蛟O(shè)備進(jìn)行精準(zhǔn)定位，這就大大提升了單位時(shí)間內(nèi)的作業(yè)生產(chǎn)效率，并且，掘進(jìn)精度也得到有效控制。

2.3 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層主要是在主控層與各種設(shè)備之間建立一種通信關(guān)聯(lián)關(guān)系，使主控層與設(shè)備層能夠正常完成一些基本的作業(yè)流程。如果沒有網(wǎng)絡(luò)層，那么，主控層與設(shè)備層也無法進(jìn)入正常的工作運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，整個(gè)采掘流程也將停滯不前。因此，網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)與信號(hào)傳輸功能為井下采掘工作的順利展開提供了強(qiáng)大的技術(shù)支撐。

2.4 智能系統(tǒng)的功能分解

采掘設(shè)備智能系統(tǒng)的各項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)主要依賴于主控單元，該單元只有采集了相關(guān)的作業(yè)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)才能執(zhí)行后續(xù)的生產(chǎn)作業(yè)指令。比如終端操作人員可以根據(jù)系統(tǒng)采集的各類數(shù)據(jù)編制采掘進(jìn)度計(jì)劃，系統(tǒng)可以結(jié)合計(jì)劃內(nèi)容對(duì)掘進(jìn)、采煤等工序進(jìn)行精準(zhǔn)控制。系統(tǒng)的感知功能主要是利用各類感知元器件與影像設(shè)備來收集作業(yè)過程中的各種數(shù)據(jù)，并將其直接提供給主控單元。定位功能是事先將采掘設(shè)備的走位、位姿、傾斜角度等參量錄入系統(tǒng)當(dāng)中，然后對(duì)采掘設(shè)備的工作位置進(jìn)行精準(zhǔn)定位。防撞功能可以收集采掘設(shè)備四周的地質(zhì)信息，當(dāng)系統(tǒng)獲取這些數(shù)據(jù)以后，采掘設(shè)備能夠規(guī)避與巖層相撞的風(fēng)險(xiǎn)。遙控功能主要利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)采掘現(xiàn)場的實(shí)際作業(yè)情況進(jìn)行可視化控制。預(yù)警功能是系統(tǒng)能夠及時(shí)有效的收集采掘作業(yè)中的不安全信息，如果巖層出現(xiàn)險(xiǎn)情或者設(shè)備出現(xiàn)故障，系統(tǒng)將自動(dòng)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，以便于工作人員及時(shí)做出應(yīng)急響應(yīng)。通信功能主要是各類設(shè)備的各部件之間的數(shù)據(jù)通信，以及設(shè)備層與主控層之間的數(shù)據(jù)傳輸。而集控功能則是借助于實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)采掘設(shè)備、皮帶機(jī)等工作狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和操作，工作人員只需要在集控室當(dāng)中便可以輕松完成現(xiàn)場的各項(xiàng)作業(yè)流程[2]。

3 采掘設(shè)備智能系統(tǒng)的改造與升級(jí)策略

3.1 可視化系統(tǒng)的人性化設(shè)計(jì)

可視化系統(tǒng)承擔(dān)著采掘現(xiàn)場的各種作業(yè)流程的圖像顯示功能，而過去的可視化系統(tǒng)只能提供作業(yè)現(xiàn)場的平面影像，這種顯示功能的弊端是容易遺漏監(jiān)控死角，比如采掘現(xiàn)場周邊復(fù)雜的地理環(huán)境信息，如果這些信息無法顯示出來，現(xiàn)場作業(yè)的安全系數(shù)也將大幅降低，甚至?xí)l(fā)一些嚴(yán)重的安全事故。為此，技術(shù)人員應(yīng)對(duì)采掘設(shè)備智能系統(tǒng)的可視化功能進(jìn)行改造升級(jí)，在多畫面切換功能、畫面定位導(dǎo)航功能的基礎(chǔ)上，增加三維空間建模功能，這一功能可以對(duì)采掘現(xiàn)場周邊的地理環(huán)境信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并通過3D 建模的方式呈現(xiàn)在終端操作人員面前，這種空間的即視感能夠幫助操作人員準(zhǔn)確的識(shí)別出采掘現(xiàn)場的地理環(huán)境信息，尤其是采掘設(shè)備各種行進(jìn)、采掘線路，能夠一目了然的顯示在終端屏幕上面，這對(duì)終端操作人員的可視化操控將提供更多的方便條件。

3.2 使用權(quán)限功能改造

過去，采掘設(shè)備智能系統(tǒng)的站控層并未限制使用權(quán)限，無論是操作人員、管理人員還是外來人員都可以上機(jī)操作，這種使用權(quán)限寬泛性給采掘作業(yè)埋下了重大的安全隱患。因此，為了保障采掘現(xiàn)場的作業(yè)安全，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)針對(duì)不同的“角色”，分別設(shè)置使用權(quán)限，如果工作人員上機(jī)操作，則必須事先輸入相關(guān)的操作口令，才能執(zhí)行相應(yīng)的操作程序。比如管理人員具有可視化系統(tǒng)的操作權(quán)限，在輸入權(quán)限操作口令之后，才能登錄到可視化系統(tǒng)界面。而其它外來人員則無法上機(jī)操作，這種操作模式既可以避免誤操作現(xiàn)象的發(fā)生，同時(shí)，也能夠保障現(xiàn)場作業(yè)人員的人身安全[3]。

3.3 完善數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與記錄功能

采掘設(shè)備智能系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集、分析、處理功能，而在實(shí)際生產(chǎn)過程中將產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，如果存儲(chǔ)功能與系統(tǒng)的數(shù)據(jù)記錄功能不完善，將極易丟失一些重要的數(shù)據(jù)信息，比如采掘設(shè)備在運(yùn)行過程中出現(xiàn)故障，系統(tǒng)在記錄這一事件時(shí)，只是記錄了故障類型，卻沒有記錄下故障發(fā)生的時(shí)間、同一故障發(fā)生的時(shí)間間隔、故障的具體位置等信息，這就給后續(xù)的維護(hù)保養(yǎng)工作增加了難度，進(jìn)而使采掘設(shè)備的使用壽命受到嚴(yán)重影響。為此，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)根據(jù)大數(shù)據(jù)技術(shù)，對(duì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與記錄功能進(jìn)一步予以優(yōu)化和改進(jìn)，在提高數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)能力的同時(shí)，能夠形成一個(gè)清晰、完整的數(shù)據(jù)信息記錄。

結(jié)語

煤礦井下綜合機(jī)械化采掘設(shè)備智能系統(tǒng)的改造升級(jí)是工業(yè)現(xiàn)代化快速發(fā)展的必然趨勢，在采掘設(shè)備智能化、自動(dòng)化水平不斷提升的背景下，煤礦井下的采掘作業(yè)效率顯著提升，安全事故的發(fā)生概率也逐漸降低，這不僅使煤炭生產(chǎn)企業(yè)實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益的雙贏目標(biāo)，同時(shí)，也為我國工業(yè)的蓬勃發(fā)展注入了源源不斷的驅(qū)動(dòng)力。