智能礦山的煤礦自動化技術(shù)創(chuàng)新

秦曉東

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司唐安煤礦分公司，山西 晉城 048400）

隨著我國煤礦資源的不斷開發(fā)，煤炭資源的開采技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，以王國法為首的眾院士綜合我國的煤炭賦存形式多樣化展開了相關(guān)的針對性研究，并總結(jié)出了適合我國煤礦智能化發(fā)展現(xiàn)狀及突破方向的智能化煤礦總體構(gòu)架，同時通過超大采高綜采智能化成套裝備的成功研發(fā)制造，幫助我國在煤礦智能化水平方面達(dá)到領(lǐng)先地位；峰峰集團在薛村礦的項目中利用液壓支架及采煤機等裝備的技術(shù)更新已經(jīng)達(dá)成了薄煤層無人自動化開采的目標(biāo)，并且年產(chǎn)量能達(dá)到百萬噸的級別。

1 智能礦山自動化開采建設(shè)

山西某煤礦項目煤礦南北長12.55km、東西長12km，是一座規(guī)劃生產(chǎn)力達(dá)到10Mt/a 的礦井。礦井利用斜井、平硐、立井等多種開拓形式進(jìn)行聯(lián)合開拓，主要由集控化膠帶運輸機輔助無軌膠輪構(gòu)成整個運輸系統(tǒng)。

1.1 礦山自動化建設(shè)原理

智能礦山自動化開采技術(shù)主要是為了實現(xiàn)井下綜采、連掘工作面自動化和運輸作業(yè)一體化的發(fā)展目標(biāo)。通過改造升級采煤機和液壓支架的截割以及破碎機之間的協(xié)作模式，實現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備的自動化遠(yuǎn)程操控，并完成智能平臺以及生產(chǎn)控制系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)的核心功能建設(shè)，構(gòu)建具備信息采集自動化、數(shù)據(jù)高度共享、自動統(tǒng)計分析、可視化業(yè)務(wù)進(jìn)度以及設(shè)備運轉(zhuǎn)狀態(tài)實時監(jiān)控的智能礦山自動化開采體系，并全程記錄生產(chǎn)過程，為后續(xù)的相關(guān)工作提供經(jīng)驗參考[1]。

1.2 礦山自動化建設(shè)方案

該智能礦山的自動化建設(shè)總共進(jìn)行了5 層的構(gòu)架規(guī)劃，具體管理構(gòu)架見圖1。

圖1 智能礦山自動化管理架構(gòu)

智能礦山的改造建設(shè)重點方向在生產(chǎn)控制層和生產(chǎn)執(zhí)行層上，實際建設(shè)內(nèi)容見圖2。

圖2 智能礦山建設(shè)主要內(nèi)容

2 系統(tǒng)自動化控制技術(shù)

2.1 工作面設(shè)備控制技術(shù)

為了實現(xiàn)集中控制器對采煤機、支架和輸送機的遠(yuǎn)程控制功能，需要在工作面完成無線通訊設(shè)備的安設(shè)。采煤機的割煤一般由開切眼的記憶軌跡確定，而集控器可以控制記憶軌跡。同時，采煤機的電控系統(tǒng)得到了改造，也進(jìn)行了定位、傾角、采高傳感器和煤巖識別設(shè)備的硬件升級，使采煤機可以利用數(shù)據(jù)集控系統(tǒng)對支架電控系統(tǒng)的信號傳輸順利完成跟機移架操作。采煤機根據(jù)D齒輪脈沖的數(shù)據(jù)檢測實現(xiàn)工作面的行走，通過支架編號可以將采煤機的位置定位到0.1cm支架的精度。在左右牽引部進(jìn)行復(fù)位系統(tǒng)的建設(shè)，通過機頭尾過渡槽幫的復(fù)位磁鐵配合牽引部的復(fù)位傳感器感知實現(xiàn)采煤機的位置修正功能，保障采煤機在兩端極限位置停機的穩(wěn)定。液壓支架安裝紅外發(fā)射器后配合煤機的定位傳感器輔助集控系統(tǒng)完成采煤機的精確定位，確保護幫板的正確操作，采煤機的具體定位修正原理如圖3所示。轉(zhuǎn)載機進(jìn)行了負(fù)荷傳感器的加裝，對轉(zhuǎn)載機的載荷量進(jìn)行實時監(jiān)控，實現(xiàn)集控系統(tǒng)對刮板輸送機的自動化控制[2]。

圖3 采煤機定位修正原理

2.2 泵站控制技術(shù)

泵站通過溫度和壓力傳感器的增設(shè)可以實現(xiàn)泵站各管路的運行溫度及運行壓力的實時監(jiān)測功能，利用集控系統(tǒng)對溫度及壓力的數(shù)據(jù)反饋控制電磁閥的工作狀態(tài)，從而完成泵站的相關(guān)工作。

2.3 無線通信技術(shù)

在綜采工作面和兩側(cè)巷道完成無線通訊綜合分站的等距安裝，可以幫助調(diào)度中心實現(xiàn)與工作面之間的數(shù)據(jù)高速傳輸，再利用集控系統(tǒng)將各分站串聯(lián)起來實現(xiàn)工作面巷道的無線網(wǎng)絡(luò)全面覆蓋功能，另外再通過井下萬兆工業(yè)環(huán)網(wǎng)的建設(shè)，完善IT 基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)需求。

2.4 視頻監(jiān)控技術(shù)

在液壓支架及采煤機機身和搖臂、刮板輸送機等設(shè)備上進(jìn)行可轉(zhuǎn)動監(jiān)控攝像頭的全面安裝可以有效促進(jìn)設(shè)備實現(xiàn)無人操作作業(yè)。實際安裝技術(shù)可以從以下幾個方面著手：首先，在液壓支架方面可以按間隔4個支架安裝1個可轉(zhuǎn)動監(jiān)控攝像頭的配置進(jìn)行安裝，紅外傳感器則安裝10個支架的間隔進(jìn)行配置，從而實現(xiàn)工作面的全面監(jiān)控以及采煤機的紅外輔助功能；其次，采煤機的機身核心部位以及搖臂的攝像頭隨集控系統(tǒng)根據(jù)視野需求進(jìn)行調(diào)整，起到采煤機的實時監(jiān)控和機身前方工作面工作現(xiàn)狀視頻影像的多種作用；最后，通過輸送機的攝像頭完成煤流狀態(tài)和煤塊實際運輸狀況的監(jiān)控工作[3]。

3 綜采工作面生產(chǎn)應(yīng)用

3.1 “十二工步”自動割煤工藝

綜采工作面自動化采煤技術(shù)在該煤礦的集控系統(tǒng)得到了相關(guān)的成功應(yīng)用，并在該技術(shù)的“十二工步”綜合機械化自動割煤工藝的技術(shù)創(chuàng)新下實現(xiàn)了割煤動作的自動化控制目標(biāo)。具體的“十二工步”自動割煤工藝流程見圖4。具體操作步驟解析如下：①在機頭到機尾的作業(yè)過程中左右滾筒的高度通過記憶采高來調(diào)整；②在采煤機到達(dá)機尾的極限位置時要及時進(jìn)行牽引作業(yè)和返刀及滾筒換向等操作；③機尾在極限位置到三角煤的折返點的過程中，采煤機系統(tǒng)的左滾筒高度應(yīng)根據(jù)設(shè)定高度來調(diào)整；④機尾到達(dá)三角煤折返點位置時應(yīng)參照機尾達(dá)到極限位置進(jìn)行相同操作；⑤在機尾三角煤折返點到機尾極限位置的過程中，左右滾筒的高度要根據(jù)記憶采高需要進(jìn)行對應(yīng)調(diào)整；⑥當(dāng)采煤機再次來到機尾極限位置，重復(fù)停牽引和反向牽引及滾筒換向和自動返刀等操作；⑦機尾到機頭過程的滾筒調(diào)節(jié)參照機頭到機尾的相同步驟執(zhí)行；⑧到達(dá)機頭極限位置時，相關(guān)操作參照機尾極限位置執(zhí)行；⑨當(dāng)采煤機從機頭極限位置到機頭三角煤折返點時滾筒調(diào)節(jié)參照機尾三角煤折返點到機尾極限位置操作；⑩機頭三角煤折返點的操作參照機尾三角煤折返點執(zhí)行；割煤機機頭工作到相同位置時執(zhí)行的操作也是一樣的[4]。

圖4 “十二工步”自動割煤工藝流程

3.2 實施效果

（1）幫助采煤機首次實現(xiàn)了雙向雙軌跡的自動記憶割煤作業(yè)；對采煤機的機頭機尾在割透情況下的不自動返刀或誤抬刀問題得到了有效解決；有效提高割煤工藝的效率的同時還節(jié)約了人力成本，并加強了自動割煤加甩刀的記憶數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；使記憶割煤過程的控制欠缺方面得到了有效加強。

（2）降低了傳統(tǒng)生產(chǎn)時對人力資源的大量需求，同時，采煤機司機通過先進(jìn)的監(jiān)控技術(shù)進(jìn)行觀察和干預(yù)實現(xiàn)原有的工作職能，大幅度降低了工作人員的工作強度和安全隱患；對操作系統(tǒng)和控制臺的3個崗位進(jìn)行了合并優(yōu)化，通過操作系統(tǒng)的集控系統(tǒng)安裝，實現(xiàn)1個工作人員完成原來需要3個工作人員才能完成的人員效率提升，全面降低綜采工作面的人力資源成本[5]。

（3）該煤礦在A、B、C5 綜采工作面成功運用了“十二工步”自動割煤工法并取得了一定的成效。

3.3 存在問題

首先，該煤礦雖然實現(xiàn)了綜采工作面的自動化作業(yè)基礎(chǔ)，但是仍舊離不開巡視人員的支持，想要實現(xiàn)真正的自動化無人開采和智能化開采還有很長的路要走，在今后的研發(fā)方向應(yīng)圍繞集控系統(tǒng)以及煤巖識別等核心技術(shù)方向開展。其次，集控系統(tǒng)在穩(wěn)定性上還需要進(jìn)一步加強，在特殊地質(zhì)構(gòu)造和工作面割三角煤進(jìn)刀的實際作業(yè)中，集控系統(tǒng)操作誤差范圍還是不能滿足技術(shù)需求的，往往需要人工干預(yù)來彌補遠(yuǎn)程操作效果不理想所造成的影響。最后，監(jiān)控系統(tǒng)在工作面的復(fù)雜工作環(huán)境中清晰度受到的影響還是比較大的，井下監(jiān)測設(shè)備的配置以及抗干擾性能還需要得到進(jìn)一步的加強。

4 煤礦自動化發(fā)展趨勢

4.1 現(xiàn)場信息自動化控制

過程控制系統(tǒng)中的遠(yuǎn)程控制一般需要得到高度集成本地信息的支持。過程控制的運行基礎(chǔ)主要靠工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線技術(shù)以及智能儀表提供保障。具體方案主要在創(chuàng)建本地及遠(yuǎn)程和移動固定方式相結(jié)合的3D數(shù)字化信息配合各種自動化工具來實現(xiàn)機械控制以及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的生產(chǎn)自動化技術(shù)，從而保障礦山的安全運營以及經(jīng)濟效益。利用傳感器采集到的現(xiàn)場信息數(shù)據(jù)，為現(xiàn)場的控制設(shè)備實現(xiàn)系統(tǒng)控制作用，并依托信息網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)支撐各種現(xiàn)場的控制職能。系統(tǒng)將采集到的信息傳輸?shù)降孛婕锌刂浦行倪M(jìn)行匯總，并由監(jiān)控軟件和監(jiān)控中心實現(xiàn)自動化子系統(tǒng)的現(xiàn)場管理作用。

4.2 集中控制的全礦井過程自動化

在工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，落實好礦山的集中監(jiān)控和自動化礦山設(shè)備的更新升級，對礦山自動化控制轉(zhuǎn)變?yōu)榧械V山自動化控制中心，從而加快企業(yè)集中管理目標(biāo)的實現(xiàn)。在遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的管理工作中，通過采煤控制技術(shù)的改革與創(chuàng)新與采礦設(shè)備操作配置參數(shù)的優(yōu)化改進(jìn)，并借助地面支持中心的診斷及控制作用實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控工作的順利實時，有效解決自動化采礦過程中出現(xiàn)的各種問題。礦山自動化集中管理應(yīng)對煤礦自動化的發(fā)展方向進(jìn)行科學(xué)合理的評估，并加快企業(yè)自動化集中控制中心的構(gòu)建，全面保障企業(yè)的自動化控制成效。對礦山的集中控制中心進(jìn)行弱化和替換，使過程控制以及設(shè)備控制和工廠管理實現(xiàn)高度集中管理，通過企業(yè)數(shù)據(jù)倉庫的安裝來保障原始量得到有效統(tǒng)計。煤礦安全生產(chǎn)模式是目前礦山綜合管控過程的常用開采模式，是煤礦開采工作安全高效進(jìn)行的重要保障。

4.3 煤礦遠(yuǎn)程集控中心

在遠(yuǎn)程采煤過程中，高速數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)和高效的自動控制網(wǎng)絡(luò)是重要的執(zhí)行基礎(chǔ)。許多公司為了加強對礦井設(shè)備運行狀態(tài)的實時監(jiān)控，都在不同程度上安裝實施了遠(yuǎn)程監(jiān)控和在線監(jiān)控系統(tǒng)。同時，設(shè)備的技術(shù)人員會根據(jù)設(shè)備的常見故障類型和系統(tǒng)特點對礦山的相應(yīng)崗位職工進(jìn)行指導(dǎo)培訓(xùn)。在生產(chǎn)控制系統(tǒng)的支持下完成監(jiān)控設(shè)備和生產(chǎn)計劃的布置，并科學(xué)合理地分析各項生產(chǎn)數(shù)據(jù)。另外，要加強動態(tài)過程圖像與實時數(shù)據(jù)的融合效率，有效反饋作業(yè)現(xiàn)場各設(shè)備及崗位的工作情況，對現(xiàn)場的工作進(jìn)度實現(xiàn)全時管控，在安全生產(chǎn)的前提下，確保機械設(shè)備得到自由運作。

5 未來煤礦自動化重點研究方向

5.1 高度集成的現(xiàn)場信息

煤礦的井下作業(yè)具有地質(zhì)條件復(fù)雜及環(huán)境惡劣的特點，并且生產(chǎn)過程中的突發(fā)事件可能性也比較高。煤礦的開采作業(yè)在簡單的自動控制技術(shù)支持下不能得到完全滿足。設(shè)備自動化的高度集成信息在傳感器的收集反饋過程中可以很好地促進(jìn)遠(yuǎn)程控制的實施。因此，高精尖的高科技傳感器以及無線通信技術(shù)和光纖通信對未來煤礦自動化發(fā)展的影響是比較重要的。

5.2 煤礦瓦斯、突水、火災(zāi)等重大災(zāi)害預(yù)警技術(shù)

現(xiàn)階段的安全監(jiān)測系統(tǒng)對氣體的實時監(jiān)測以及一些大規(guī)模的災(zāi)害具有一定的預(yù)警能力。但是，這些監(jiān)控技術(shù)都是基于原有的監(jiān)控技術(shù)發(fā)展得來的，隨著技術(shù)的更新?lián)Q代，準(zhǔn)確率會逐漸降低。所以，企業(yè)進(jìn)一步研究大規(guī)模災(zāi)害的預(yù)警技術(shù)，使預(yù)警機制的準(zhǔn)確性得到有效保障。

5.3 應(yīng)急救援和精確定位技術(shù)

在井下突發(fā)安全事故及地下災(zāi)害時必須采取緊急行動來阻止事態(tài)的進(jìn)一步惡化，以免造成更大的損失。雖然現(xiàn)行的人員定位技術(shù)還能滿足一般的救災(zāi)需求，但是隨著井下開采技術(shù)的不斷進(jìn)步，更多的環(huán)境因素會影響搜救信號的搜集，所以要針對性地研究更加先進(jìn)抗干擾能力更強的應(yīng)急救援和定位系統(tǒng)。

6 結(jié)論

（1）本文主要以該煤礦的集控系統(tǒng)設(shè)計和各子系統(tǒng)控制技術(shù)為探討對象，對集控系統(tǒng)控制三機配合割煤的應(yīng)用以及轉(zhuǎn)載機和刮板運輸機的監(jiān)控協(xié)作模式以及工作面數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行了深入研究。

（2）根據(jù)礦機的自動化割煤作業(yè)進(jìn)行了采煤機的12工步循環(huán)自動化割煤探討。

（3）“十二工步”自動割煤工藝為遠(yuǎn)程操控采煤以及作業(yè)人員的安全健康和采煤設(shè)備的工作效率均體現(xiàn)出了巨大的貢獻(xiàn)，是煤礦企業(yè)實現(xiàn)解放人工勞動力向技術(shù)密集型行業(yè)轉(zhuǎn)變的重要基礎(chǔ)，全面保障了企業(yè)的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟效益，并為保護社會的安全穩(wěn)定起到了重要的積極意義。