上榆泉煤礦掘進(jìn)工作面智能化建設(shè)實踐與探索

徐立博,張榮華,馮可鑫

(國家能源集團(tuán)國神公司上榆泉煤礦,山西 忻州 036500)

煤礦在開采過程中,掘進(jìn)工作面是煤礦開采的“開拓者”,其工作環(huán)境相對惡劣,危險系數(shù)相對較高,全面提升掘進(jìn)工作面智能化水平,對于降低掘進(jìn)工作勞動強(qiáng)度、提升掘進(jìn)工作實效、夯實煤礦安全生產(chǎn)基礎(chǔ)、提升煤炭生產(chǎn)力、實現(xiàn)“少人則安、無人則安、減人提效”的智能化建設(shè)目標(biāo)有著重大意義[1]。2020年3月,國家發(fā)展改革委、能源局等八部委發(fā)布《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》,為煤礦智能化發(fā)展指明了方向。2020年5月,山西省能源局發(fā)布《山西省煤礦智能化建設(shè)實施意見》,為煤礦智能化發(fā)展奠定了政策基礎(chǔ)。2021年,國家能源集團(tuán)發(fā)布了《煤礦智能化建設(shè)指南》,為煤礦智能化建設(shè)提供了可借鑒、可復(fù)制、可推廣的國家能源集團(tuán)方案。同年,國家能源集團(tuán)制定了2022年實現(xiàn)五個100%目標(biāo),即“采煤工作面100%實現(xiàn)智能化,掘進(jìn)工作面100%實現(xiàn)智能化,選煤廠100%實現(xiàn)智能化,固定崗位100%實現(xiàn)無人值守,煤礦智能化技術(shù)及建設(shè)100%覆蓋”。上榆泉煤礦以智能化建設(shè)為路徑,突出頂層設(shè)計,強(qiáng)化戰(zhàn)略導(dǎo)向,不斷完善創(chuàng)新體制機(jī)制,搭建開放協(xié)同創(chuàng)新平臺,堅定不移地推進(jìn)煤礦智能化建設(shè),通過對掘進(jìn)工作面設(shè)備的智能化改造,明顯提升了掘進(jìn)工作面的智能化水平。上榆泉煤礦智能化掘進(jìn)工作面運行以來,每班進(jìn)米提高2 m,生產(chǎn)班作業(yè)人數(shù)減少35%,完成了減人提效目標(biāo)。

1 上榆泉煤礦掘進(jìn)工作面智能化建設(shè)

上榆泉煤礦井田東西寬3.2～8.2 km,南北長1.8～6.0 km,面積約29.8 km2。礦井采用平硐開拓方式,地質(zhì)條件簡單,煤層賦存穩(wěn)定,平均煤厚8.62 m;采用長壁后退式放頂煤采煤方法,頂板為淺埋深堅硬砂巖,煤層傾角2°～8°,Ⅱ類自燃煤層,自然發(fā)火期為3～4個月,煤塵具有爆炸性。礦井核定生產(chǎn)能力500萬t/a,井田內(nèi)賦存9#～13#五層可采煤層,現(xiàn)開采10#煤層[2]。

上榆泉煤礦掘進(jìn)工作面為單巷全煤巷掘進(jìn),掘進(jìn)巷道寬度為5.4 m,高度為4.1 m。巷道施工采用山特維克生產(chǎn)的MB670-1型掘錨一體機(jī)一次切割成巷,同時由掘錨機(jī)上自帶的四個頂錨鉆機(jī)完成巷道頂板支護(hù),由兩個幫錨鉆機(jī)完成巷道幫支護(hù)[3],隨掘隨支,掘支運平行作業(yè),支護(hù)方式為錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù),煤炭通過掘錨機(jī)輸送機(jī)運至LY2000/980連運一號車處,由連運一號車完成破碎、裝運,然后由橋式轉(zhuǎn)載機(jī)完成轉(zhuǎn)載工序,最后通過DSJ100/100-3200變頻膠帶機(jī)運出。

上榆泉煤礦在掘進(jìn)工作面智能化建設(shè)中通過加裝5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、危險區(qū)域人員接近識別報警系統(tǒng)、自主導(dǎo)航定位系統(tǒng)和地面井下兩級集控系統(tǒng),實現(xiàn)了掘錨機(jī)一鍵啟停、自動截割、遠(yuǎn)程控制、自主定向?qū)Ш?、工況監(jiān)測、故障診斷、雙向語音通話等功能,最終實現(xiàn)掘錨機(jī)高精度定向、位姿調(diào)整、自適應(yīng)截割及掘錨掘進(jìn)環(huán)境可視化,連運車智能自動化控制及遠(yuǎn)程控制,從而實現(xiàn)在少人、甚至無人操作下,完成高效、安全的井下掘錨作業(yè)。掘進(jìn)工作面遠(yuǎn)程監(jiān)控拓?fù)涫疽鈭D如圖1所示。

圖1 上榆泉煤礦5G+掘進(jìn)工作面遠(yuǎn)程監(jiān)控拓?fù)涫疽鈭DFig.1 Topology diagram of remote monitoring of 5G+excavation face in Shangyuquan Mine

1.1 5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

上榆泉煤礦利用5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),圍繞5G+智慧礦山,依托“5G+”,將新型工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)與智能礦山相結(jié)合,重構(gòu)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)體系,打造煤炭產(chǎn)業(yè)新生態(tài),致力于5G技術(shù)與礦山安全生產(chǎn)深度融合,實現(xiàn)無人、少人工作面,生產(chǎn)裝備機(jī)械遠(yuǎn)程操控,煤炭數(shù)字孿生以及AI智能視頻分析等煤炭生產(chǎn)核心信息化服務(wù)[4-5]。通過安裝5G基站、無線CPE,利用其大帶寬、低時延、廣連接、高可靠的特性,滿足了掘進(jìn)工作面智能化設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸需求,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享和互聯(lián)互通,為各類應(yīng)用系統(tǒng)提供了安全穩(wěn)定的工作環(huán)境,為視距遠(yuǎn)程控制提供了可靠支持。同時利用5G的無線傳輸技術(shù),擺脫了目前工作面繁雜的通訊纜線,大大減少了工作面纜線維護(hù)的工作量。上榆泉煤礦掘進(jìn)工作面現(xiàn)場安裝的防爆5G基站如圖2所示。

圖2 上榆泉煤礦掘進(jìn)工作面現(xiàn)場安裝的防爆5G基站Fig.2 Explosion-proof 5G base station installed on site at the excavation face in Shangyuquan Mine

1.2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)

通過在掘進(jìn)工作面掘錨機(jī)、連運車、橋式轉(zhuǎn)載機(jī)、膠帶運輸機(jī)機(jī)尾、機(jī)頭安裝8個高清紅外攝像儀和4個云臺攝像儀,地面監(jiān)控人員可以直接對井下情況進(jìn)行實時監(jiān)控,不僅能夠直觀監(jiān)視和記錄井下工作現(xiàn)場的安全生產(chǎn)情況,而且能夠及時發(fā)現(xiàn)事故苗頭,防患于未然,也能為分析事故提供第一手圖像資料[6]。實現(xiàn)了掘進(jìn)工作面攝像頭無死角監(jiān)控,膠帶機(jī)機(jī)頭實現(xiàn)無人值守。視頻監(jiān)控實時情況通過掘進(jìn)工作面5G網(wǎng)絡(luò)高速率、低時延,傳輸?shù)降孛嬲{(diào)度室,為可視化遠(yuǎn)程操控掘錨機(jī)、連運車等設(shè)備提供了可靠保障。同時井下掘錨機(jī)、連運車、集控室各安裝一個語音電話,地面調(diào)度室集控中心可通過語音通話軟件撥通相應(yīng)位置電話,可在地面操作臺與相應(yīng)位置人員進(jìn)行直連通話,實現(xiàn)了地面向井下進(jìn)行遠(yuǎn)程指揮和信息實時共享,并可及時對井下當(dāng)班作業(yè)人員發(fā)出安全提醒,實現(xiàn)了安全管理“零距離”。

1.3 自主截割系統(tǒng)建設(shè)

上榆泉煤礦掘進(jìn)工作面在掘錨機(jī)上加裝激光雷達(dá)傳感器、傾角傳感器、位置傳感器等,其主要關(guān)鍵技術(shù)是利用激光雷達(dá)傳感器收集巷道激光基準(zhǔn)線,從而實現(xiàn)橫向定位,利用設(shè)定傾角參數(shù)與現(xiàn)場傾角傳感器實際參數(shù)結(jié)合控制算法形成閉環(huán)控制,達(dá)到縱向定位的目標(biāo),同時結(jié)合現(xiàn)場智能視頻監(jiān)控裝置和位置傳感器實現(xiàn)掘錨機(jī)位姿檢測和補(bǔ)償,從而達(dá)到掘錨機(jī)自主截割功能[7-8]。更值得一提的是,此次建設(shè)的自主截割系統(tǒng)未使用行業(yè)常用的慣性導(dǎo)航技術(shù),有效解決了高成本與井下工況條件下的振動漂移等問題。

1.4 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)建設(shè)

上榆泉煤礦聯(lián)合北京易聯(lián)創(chuàng)安科技發(fā)展有限公司研制出掘進(jìn)工作面智能化遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)建立了地面調(diào)度室集控中心和井下工作面集控中心,系統(tǒng)界面實時展示掘錨機(jī)運行姿態(tài),實時上傳掘錨機(jī)、連運車等設(shè)備的運行工況參數(shù),以5G網(wǎng)絡(luò)為通道,實現(xiàn)了一鍵啟停、自動截割、自主行走、掘錨機(jī)與連運車三維顯示等功能;通過破解通訊協(xié)議,采用“232”控制,數(shù)據(jù)采集通過CAN通訊線并聯(lián)在設(shè)備通訊接口,并根據(jù)設(shè)備遙控器定制操控面板,實現(xiàn)了井下掘錨機(jī)與連運車地面和井下兩級遠(yuǎn)程控制。同時,對掘錨機(jī)上的四臺頂錨鉆機(jī)進(jìn)行了電液控制改造,并配備相應(yīng)的遙控器,實現(xiàn)了可遠(yuǎn)程遙控操作錨桿鉆機(jī),使得錨桿司機(jī)崗位工從根本上遠(yuǎn)離危險區(qū)域,大大提升了錨護(hù)作業(yè)的安全性。

1.5 危險區(qū)域人員接近防護(hù)系統(tǒng)建設(shè)

掘進(jìn)工作面連運車通過AI智能視頻識別系統(tǒng),在兩側(cè)安裝了AI智能識別攝像儀,監(jiān)控連運車兩側(cè)盲區(qū),視頻監(jiān)控畫面通過井下環(huán)網(wǎng)傳輸?shù)降孛娌僮髋_顯示器。通過劃定黃色危險區(qū)域,當(dāng)人員進(jìn)入此區(qū)域時,AI攝像儀對視頻信息進(jìn)行智能分析,并發(fā)出報警和廣播告知,當(dāng)人員闖入超過7 s時,對連運車進(jìn)行斷電停機(jī)[9-10]。

掘進(jìn)工作面掘錨機(jī)通過UWB實時精準(zhǔn)定位系統(tǒng),安裝讀卡分站,為現(xiàn)場作業(yè)人員配備射頻識別卡,利用射頻識別技術(shù),實現(xiàn)人員的精準(zhǔn)目標(biāo)定位,當(dāng)人員接近掘錨機(jī)設(shè)定的危險區(qū)域時,發(fā)出報警并停機(jī)。

人員接近防護(hù)系統(tǒng)由連運車AI智能視頻識別系統(tǒng)和掘錨機(jī)UWB實時精準(zhǔn)定位系統(tǒng)組成“雙保險”,具備危險區(qū)域劃分、分級預(yù)警設(shè)定、多系統(tǒng)融合、自動停機(jī)、雙向報警、視頻預(yù)警、特殊人員權(quán)限管理等功能,該系統(tǒng)的成功運行,有效提升了掘進(jìn)工作面移動設(shè)備的安全運行系數(shù),保障了井下作業(yè)人員的人身安全。

2 上榆泉煤礦掘進(jìn)工作面智能化建設(shè)實踐應(yīng)用效果分析

2.1 實施后效果

1)完成了MB670-1型掘錨機(jī)遠(yuǎn)程智能遙控系統(tǒng)的研發(fā),并在井下完成測試,達(dá)到了自動化掘進(jìn)目標(biāo),為實現(xiàn)掘進(jìn)工作面無人化奠定重要基礎(chǔ)。

2)實現(xiàn)了掘錨機(jī)的智能遙控、視頻監(jiān)測、巷道斷面自動截割、擺速自適應(yīng)控制等功能。

3)完成了掘錨機(jī)地面上位機(jī)服務(wù)器軟件設(shè)計及應(yīng)用。

4)運輸設(shè)備具備自適應(yīng)調(diào)速功能,危險區(qū)域具備人員接近識別、報警停機(jī)等功能。

5)實現(xiàn)“自主掘進(jìn)協(xié)同作業(yè)+遠(yuǎn)程監(jiān)控”的智能掘進(jìn)模式,掘進(jìn)工作面作業(yè)人員實現(xiàn)大幅縮減。

6)井下工作面、地面調(diào)度室集控中心具備三維建模、一鍵啟停、遠(yuǎn)程操控功能,工作面實現(xiàn)了高效智能協(xié)同作業(yè)。

2.2 創(chuàng)新性總結(jié)

1)利用專門研制的激光掃描儀,實現(xiàn)了掘錨機(jī)機(jī)體坐標(biāo)和巷道坐標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系,從而實現(xiàn)了掘錨機(jī)截割頭的精確自主定位。

2)激光掃描儀配合多參數(shù)傳感器,實現(xiàn)了在不改變掘錨機(jī)原有機(jī)械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,實現(xiàn)掘錨機(jī)的準(zhǔn)確定位。

3)無線遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)實現(xiàn)了對掘錨機(jī)液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)的改造,在實現(xiàn)手動控制的同時,也可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

4)通過掘錨機(jī)截割頭的精確定位,控制截割頭空間精確位移軌跡,實現(xiàn)了任意斷面形狀的自動截割成形,使掘錨機(jī)自動截割出整齊斷面。

5)以掘錨機(jī)電氣控制設(shè)備的電流過載保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù),通過檢測截割臂驅(qū)動油缸伸縮長度及其伸縮變化率、截割電機(jī)電流值及其電流變化率等多種參數(shù),對自動截割過程中遇到的不同工況進(jìn)行邏輯識別,實現(xiàn)了自適應(yīng)控制截割臂擺速及方向。

2.3 安全效益

1)錨桿鉆機(jī)由液壓控制改為電液控制,并配備了遙控器,實現(xiàn)了錨桿機(jī)司機(jī)遠(yuǎn)距離遙控作業(yè),使得錨桿機(jī)司機(jī)崗位工從根本上遠(yuǎn)離危險區(qū)域,大大提升了錨護(hù)作業(yè)的安全性,同時也顯著減輕了工人的勞動強(qiáng)度。

2)掘錨機(jī)和連運車均實現(xiàn)了井下和地面兩級遠(yuǎn)程控制,掘錨機(jī)司機(jī)和連運車司機(jī)可以在地面集控中心或井下集控室遠(yuǎn)程操控作業(yè),改善了工人的作業(yè)環(huán)境,保證了掘進(jìn)工作面作業(yè)的安全。

2.4 提高效率

上榆泉煤礦掘進(jìn)工作面智能化改造后顯著提高了掘進(jìn)速度與工效,單循環(huán)用時由原來的25 min減少至20 min,掘進(jìn)工效由原來的每工0.3 m提升到0.5 m,每班進(jìn)尺提高2 m,正規(guī)循環(huán)率提升至85%,單日進(jìn)尺可達(dá)30 m,平均月進(jìn)尺可達(dá)680 m。

2.5 減人成效

上榆泉煤礦掘進(jìn)工作面智能化建設(shè)改造設(shè)備運行狀態(tài)良好,目前已高效安全運行180 d以上,工作面單班生產(chǎn)人數(shù)由14人減少至7人,目前具體崗位人數(shù)設(shè)置為:掘錨機(jī)司機(jī)1人,錨桿機(jī)司機(jī)2人,鋪網(wǎng)工2人,連運車司機(jī)1人,皮帶司機(jī)1人,總計7人。

3 上榆泉煤礦掘進(jìn)工作面智能化建設(shè)存在的關(guān)鍵問題

1)支護(hù)設(shè)備的智能化水平有待大幅度提升。上榆泉煤礦掘進(jìn)工作面臨時支護(hù)為掘錨機(jī)機(jī)載臨時支護(hù),掘錨機(jī)自帶的四個頂錨鉆機(jī)和兩個幫錨鉆機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)巷道的永久支護(hù),目前全流程無法實現(xiàn)全自動化錨桿支護(hù)。金屬網(wǎng)、錨桿、錨索、藥卷的輸送與存儲均采用人工操作搬運,難以實現(xiàn)完全自動化。自動鋪網(wǎng)、上錨桿、自主進(jìn)行支護(hù)定位等功能仍然存在空缺,支護(hù)設(shè)備的智能化水平較低,人工干預(yù)率高。雖然使用的山特維克MB670-1型掘錨一體機(jī)可實現(xiàn)一次切割成巷、掘支平行作業(yè),但支護(hù)工序復(fù)雜繁多,支護(hù)所用時間遠(yuǎn)多于截割時間,對掘進(jìn)速度有很大影響,嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率[11]。因此必須提升鉆機(jī)及配套物料輸送系統(tǒng)的自動化程度,通過實現(xiàn)自動鋪網(wǎng)、上鉆桿、上鎖具及自動緊固等功能來提升支護(hù)設(shè)備的智能化水平。

2)多設(shè)備之間的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行多源異構(gòu)融合。相較于采煤工作面,掘進(jìn)工作面所配備的設(shè)備數(shù)量相對較少,但掘進(jìn)工藝中需要多臺設(shè)備多步驟協(xié)同進(jìn)行,因此需要進(jìn)行多裝備之間的數(shù)據(jù)多源異構(gòu)融合,以此達(dá)到協(xié)同控制的目的。

3)可視化遠(yuǎn)程干預(yù)操作效果不佳。掘進(jìn)工作面現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜,現(xiàn)場生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的粉塵、水霧等對攝像頭影響較大,造成監(jiān)控畫面模糊,遠(yuǎn)程操作存在盲區(qū),具有一定的安全隱患。因此需要采取有效措施降低粉塵、水霧等,盡可能的保持監(jiān)控畫面的清晰,消除安全隱患。同時,應(yīng)該引入實時現(xiàn)場模型,將每一道工序具體為模型里對應(yīng)的步驟,實現(xiàn)對現(xiàn)場工序的還原,提高對裝備的精準(zhǔn)控制。

4)智能化設(shè)備運行維護(hù)需要組建綜合型專業(yè)隊伍。目前上榆泉煤礦智能化設(shè)備的運行管理和維護(hù)不完善,沒有專業(yè)的運維隊伍,人員的綜合素質(zhì)不能適應(yīng)未來智能化發(fā)展的需要,要加強(qiáng)人才教育的培養(yǎng),由原本的固定單一崗位型人員向綜合、復(fù)合型人才轉(zhuǎn)變,培養(yǎng)組建“一專多能”的高水平、高技能、高素質(zhì)人才隊伍。

4 結(jié)論及展望

上榆泉煤礦掘進(jìn)工作面智能化建設(shè)的積極實踐與創(chuàng)新達(dá)到了預(yù)期效果,井上井下的智能化設(shè)備覆蓋完整、運行穩(wěn)定可靠,大幅度降低了井下作業(yè)的人數(shù)和井下作業(yè)人員的勞動強(qiáng)度。5G+智能掘進(jìn)工作面自動截割和地面井下集控中心兩級遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)應(yīng)用處于行業(yè)領(lǐng)先地位。

1)一體化新型永久支護(hù)工藝的研究?，F(xiàn)有錨護(hù)作業(yè)工藝復(fù)雜、工序繁多、危險系數(shù)高,嚴(yán)重制約了掘進(jìn)速度,錨護(hù)系統(tǒng)的智能化是提升掘進(jìn)工作面整體智能化水平的難點和關(guān)鍵。研究“鉆頭+桿體”新型一體化錨桿、一體化控制系統(tǒng)、支護(hù)系統(tǒng)定位技術(shù),以此實現(xiàn)錨桿存儲、抓取、鉆孔、安裝、支護(hù)施工、錨固等全流程智能化支護(hù),以達(dá)到真正實現(xiàn)錨桿連續(xù)施工,大大減少了錨護(hù)時間,提高錨護(hù)效率。

2)智能高效噴涂技術(shù)的研發(fā)。研發(fā)新型礦用高性能噴涂材料,通過機(jī)載智能噴涂機(jī)器人,實現(xiàn)快速噴涂成形、自動軌跡規(guī)劃控制,構(gòu)建噴層-圍巖的主動支護(hù)結(jié)構(gòu),替代網(wǎng)片-圍巖的被動防護(hù)結(jié)構(gòu)。

3)智能插架連續(xù)運輸系統(tǒng)的研究。研究長距離機(jī)尾自動移設(shè)技術(shù),實現(xiàn)機(jī)尾自動牽引和自動調(diào)偏的精準(zhǔn)位移;研究智能插架系統(tǒng),實現(xiàn)機(jī)尾延伸皮帶架智能輔助機(jī)械安裝,單人輔助完成皮帶架安裝,減少作業(yè)人工勞動強(qiáng)度。

4)智能掘進(jìn)機(jī)器人群的研發(fā)。煤礦井下作業(yè)復(fù)雜多樣,具有不可預(yù)測性,把機(jī)器人大規(guī)模應(yīng)用到井下,是解決“礦難”難題的金鑰匙。上榆泉煤礦致力于“機(jī)械化換人、自動化減人、智能化無人”的目標(biāo),重視掘進(jìn)機(jī)器人群的研發(fā),重點研發(fā)掘進(jìn)機(jī)器人和鉆錨機(jī)器人,實現(xiàn)掘進(jìn)和鉆錨作業(yè)的完全智能化,目標(biāo)到2030年,掘進(jìn)工作面實現(xiàn)機(jī)器人群的應(yīng)用,向無人化操作的目標(biāo)不斷推進(jìn)[12]。