智能化采煤工作面建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

楊萬海YANG Wan-hai

（國家能源集團寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司棗泉煤礦，銀川 751400）

0 引言

智能化采煤工作面建設(shè)是煤炭工業(yè)發(fā)展的必然趨勢，也是提高煤礦安全生產(chǎn)水平、降低勞動強度、提高效率的重要手段。在科技不斷發(fā)展的今天，智能化采煤工作面建設(shè)已成為煤炭企業(yè)轉(zhuǎn)型升級、提高核心競爭力的重要途徑，對煤炭產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有深遠的影響。

1 項目概況

棗泉礦區(qū)位于中國寧夏回族自治區(qū)靈武市的東南側(cè)，靠近中國著名的毛烏素沙漠。礦區(qū)距離靈武市西南62 公里，總面積達到50.8 平方公里。公司目前擁有9.65 億噸煤炭儲備，其中可開采量為5 億2600 萬噸。礦井內(nèi)氣體流速為每分鐘0.387 立方米，絕對流速為5.375 立方米/分，并且煤塵具有爆炸性。礦井內(nèi)有8 個煤層，主要為2、3 層，平均厚度分別為7.88 米和3.43 米。

棗泉煤礦采用了先進的機器人化采煤技術(shù)，包括無人操作采煤機、液壓支架以及刮板輸送機等設(shè)備。這些設(shè)備具備自主感知、自主決策和自主執(zhí)行能力，能夠?qū)崿F(xiàn)遠程監(jiān)控和自動采煤。

2 智能化采煤工作面建設(shè)所面臨的挑戰(zhàn)和問題

2.1 無線網(wǎng)傳輸技術(shù)缺少合理性

現(xiàn)階段在進行煤礦生產(chǎn)管理的過程中，有一些技術(shù)人員在搭建通信傳輸?shù)臒o線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的時候并未結(jié)合實際的工作面情況進行細致考慮和全面把控其細節(jié)。因此，在部署無人值守開關(guān)時，不能依據(jù)礦井的實際發(fā)展與需要，對其進行規(guī)劃與管理，使其工程技術(shù)價值不能得到充分發(fā)揮，不能為其提供全方位的服務(wù)支撐。另外，很多無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)人員在進行無線網(wǎng)絡(luò)交換裝置的技術(shù)方案時，對于網(wǎng)絡(luò)信道的構(gòu)建并未給予足夠的關(guān)注，未對其所需要的參數(shù)信息進行合理分類，造成了數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟环€(wěn)定、不可靠，這就制約了無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的成熟程度。部分礦井對無線數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)布置方面的研究也未受到重視，缺少能夠為采煤機智能化提供基礎(chǔ)的研究領(lǐng)域。另外，在采煤工作面監(jiān)控系統(tǒng)中，缺少監(jiān)控攝像頭和液壓支架等監(jiān)控設(shè)備，監(jiān)控手段的設(shè)定也不盡如人意。

2.2 自適應(yīng)牽引控制方案設(shè)計不全面

本文介紹了一種高效利用采煤機設(shè)備的方法，并對它進行了優(yōu)化。然而，目前從事采煤機自動調(diào)整和牽引控制的研究和開發(fā)人員對礦山采礦環(huán)境的分析和研究還不夠深入，尤其是對于采煤機在回采過程中遇到的切割阻力問題，缺乏科學(xué)的分析研究。因此，在生產(chǎn)實踐中，不能通過自適應(yīng)調(diào)節(jié)器實現(xiàn)對采煤設(shè)備的精確控制。當(dāng)前采煤機牽引控制方法未充分考慮其工作穩(wěn)定性，未充分考慮滾筒等加工設(shè)備的高度，難以滿足實際需要，難以有效定義截割需求、改善截割環(huán)境。另外，現(xiàn)有的局部自適應(yīng)牽引控制方法缺乏對牽引電流的深入研究，尤其是對輸送電流與裝備設(shè)計的影響，很難對其進行有效的控制，進而影響其高效能。對于切割條件的研究，至今尚未形成完整的經(jīng)驗。

2.3 采煤機截割路徑的規(guī)劃有著明顯不足

采煤機設(shè)備的截割軌跡規(guī)劃是確保采煤機與礦井開采環(huán)境相適應(yīng)、實現(xiàn)高質(zhì)量采煤作業(yè)的關(guān)鍵步驟，也是實現(xiàn)采煤機智能化的重要組成部分。在實際應(yīng)用中，專家需要準確分析采煤機的割輥特性以及煤層的厚度等信息。然而，目前一些煤礦企業(yè)在采煤機的截割軌跡規(guī)劃方面存在很大的缺陷，無法滿足特定需求并進行合理的設(shè)計。因此，重視內(nèi)存截取技術(shù)對數(shù)據(jù)資源處理方式的重視，確保完整收集和分析采煤設(shè)備在開采過程中的智能化進展，以保障采煤設(shè)備的正常運行。

3 關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 機器人化采煤技術(shù)

隨著煤炭工業(yè)朝著智能化方向發(fā)展，機器人已經(jīng)成為不可或缺的重要力量。在煤礦生產(chǎn)中采用機器人，不僅可以提高煤炭資源的利用率，還可以減輕礦工的勞動強度。此外，該系統(tǒng)還可以使煤礦開采過程實現(xiàn)自動化、智能化，降低人為錯誤。在采煤作業(yè)中，機器人可以進行鉆孔、爆破、采煤、運輸?shù)茸鳂I(yè)，大大減少人力投入，提高工作效率。此外，該技術(shù)能夠在極端條件下工作，如高溫、高濕和多塵，為礦工的安全提供了保障。在煤炭開采領(lǐng)域，它能夠有效地減少環(huán)境污染、提高能源利用效率和減少碳排放，為煤炭工業(yè)的綠色發(fā)展提供動力。

3.2 高精度導(dǎo)航定位技術(shù)

在機采過程中，為了保證工作面與巷道在一條直線上，且與巷道垂直，從而達到最佳接收狀態(tài)，需要對其進行準確的姿態(tài)引導(dǎo)與控制。煤礦高效回采的主要限制因素在于工作面的地質(zhì)條件。為了更準確地預(yù)測煤層的地質(zhì)條件，可以通過地面三維地震勘探、井下物探等方法對煤層的賦存和構(gòu)造進行預(yù)測。根據(jù)預(yù)測結(jié)果，將工作面劃分為多個地質(zhì)單元，并結(jié)合工作面地質(zhì)情況以及工程經(jīng)驗，綜合應(yīng)用多種技術(shù)手段進行精確預(yù)測。

3.3 人工智能技術(shù)

目前，國內(nèi)綜掘機技術(shù)已經(jīng)達到國際先進水平，但仍然面臨企業(yè)設(shè)備互聯(lián)互通性差、多系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制不足等問題。針對以上問題，對當(dāng)前的綜掘機進行智能化改造，采用CAN 總線技術(shù)和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合的方法，建立智能綜掘機網(wǎng)絡(luò)平臺，使其能夠?qū)崿F(xiàn)多個設(shè)備的互聯(lián)，為實現(xiàn)各個子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制奠定基礎(chǔ)。本項目將采用多個傳感裝置和遠程監(jiān)測終端，對綜掘裝置的運行狀況進行實時監(jiān)測，并將信息反饋到智能截割部，為截割部的控制提供支持，從而實現(xiàn)閉環(huán)切割穩(wěn)定性。使用煤巖體分界面識別與追蹤控制技術(shù)，來實現(xiàn)截割的穩(wěn)定閉環(huán)控制；同時利用煤巖體分層界面識別與追蹤控制技術(shù)，來維持截割的穩(wěn)定性。本計劃將利用計算機視覺技術(shù)，精確確定錯桿式鉆機的位置，并規(guī)劃其軌跡，以提供精確的位置信息給錯桿支護。

3.4 增強現(xiàn)實技術(shù)

智能采煤工作面生產(chǎn)系統(tǒng)的決策主要通過工作面設(shè)備運行狀態(tài)智能感知、設(shè)備故障智能診斷與警報、利用專家知識庫和遠程專家系統(tǒng)等功能來實現(xiàn)。目前，采煤機械化主要依靠記憶式采煤法，即采煤機駕駛員使用“示范刀”進行采煤，并通過自動控制系統(tǒng)記錄被采面高度，并通過編碼器和傾角傳感器精確收集數(shù)據(jù)。為了實現(xiàn)最大的開采速度并減少能量的浪費，必須確保切割面位于頂板的范圍內(nèi)，并盡可能保持底板的平整。目前，基于GIS 的自動化導(dǎo)航技術(shù)可以實現(xiàn)工作面的三維定位。然而，GIS 無法準確獲取煤層的動態(tài)傾角和煤巖體分界面等信息。因此，通過實時監(jiān)測煤巖體分界面的識別，確保滾筒高度自動調(diào)整，可使切煤區(qū)域與煤層分布一致。煤礦智能化采煤裝備研究中的難點問題之一是煤巖智能識別。為解決該難題，國內(nèi)外學(xué)者提出了圖像分析、截斷數(shù)據(jù)分析、電磁測量和太赫茲譜分析等多種研究手段，以代表性方法進行研究。（圖1）

圖1 地質(zhì)模型基準點絕對坐標定位

3.5 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

目前，該礦已經(jīng)基本實現(xiàn)了5G+WiFi 的全面覆蓋，實現(xiàn)了工作面區(qū)域的無線數(shù)據(jù)傳輸。目前，煤礦井下進行瓦斯探測、通風(fēng)風(fēng)機風(fēng)速監(jiān)測、頂板壓力監(jiān)測、視頻監(jiān)測、煤巖識別等數(shù)據(jù)采集時都采用5G 無線通信方式，有效提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎涂煽啃浴?G 無線通信系統(tǒng)可以不需要在工作區(qū)域內(nèi)鋪設(shè)大量線纜，從而減少了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的運營和維護費用。此外，在采煤工作面上，將5G 與虛擬現(xiàn)實技術(shù)相結(jié)合，通過工業(yè)機器人對工作面內(nèi)的變電站等相關(guān)設(shè)備進行智能巡檢，而不需要指派專業(yè)的人員來完成巡檢工作。這樣可以減少勞動強度，提高巡檢效率和質(zhì)量。圖2展示了基于5G 技術(shù)的工作面?zhèn)鬏斁W(wǎng)絡(luò)。

圖2 基于5G 技術(shù)的工作面?zhèn)鬏斁W(wǎng)絡(luò)

4 棗泉煤礦項目實踐效果

面域中心遙控是通過遙控方式將千兆交換機的地面調(diào)度中心設(shè)置在地面上并與地面調(diào)度中心相連接，以形成地面和地面廣域網(wǎng)絡(luò)之間的通訊聯(lián)系。該方式可以實現(xiàn)對各個區(qū)域的監(jiān)測圖象和視頻的實時傳送、管理和查詢，同時還能與綜采工作面運輸順槽的集中監(jiān)測中心和地面調(diào)度中心進行視頻通話，以實現(xiàn)通訊和控制的統(tǒng)一。通過在地面調(diào)度中心配置操作平臺、主控計算機和監(jiān)控接口，可以實現(xiàn)對采煤工作面的遠程監(jiān)控，從而實現(xiàn)智能化的目的。

采煤機記憶截割技術(shù)：根據(jù)采煤機的布局結(jié)構(gòu)，它可以被分為地上部分、切削軌跡參數(shù)平臺、3D 虛擬現(xiàn)實監(jiān)測平臺、工作面視頻監(jiān)控平臺和Wincc 數(shù)據(jù)庫服務(wù)器這五個主要部分。其中，地上部分包括Wincc 監(jiān)測平臺、切削軌跡參數(shù)平臺和3D 虛擬現(xiàn)實監(jiān)測平臺，用于監(jiān)測采煤機的狀況；工作面部分則由采煤機的機載控制設(shè)備和各種傳感器構(gòu)成。目的是通過無線交換網(wǎng)將采煤機的工作狀態(tài)信息傳輸?shù)浆F(xiàn)場調(diào)度中心，然后由調(diào)度中心將其傳輸?shù)侥繕宋恢?，實現(xiàn)路徑記憶、軌跡跟蹤和控制策略的適應(yīng)性，以構(gòu)建一個具有強大適應(yīng)能力的截割控制系統(tǒng)。

工作面上竄下滑控制技術(shù)：隨著采煤機的不斷推進，前面的刮板輸送機被逐漸推回到煤壁上。在循環(huán)采礦中，由于受到重力的影響，刮板輸送機很容易產(chǎn)生滑動，這是新的采煤方式。為了解決這個問題，提出了一種可調(diào)節(jié)帶式滑動/上竄間距的偽斜排列方案，以適應(yīng)各種大傾角工作面。與工作面成直角時，帶材的滑動是不可避免的。采用偽斜排方式，在工作面的上、下兩端都有一定間距，從而能夠有效控制綜采工作面架和傳送帶的滑移。

棗泉礦220704 工作面位于22 號采區(qū)+1180 米采動區(qū)，面向東北和西北，該工作面的采掘工作已經(jīng)結(jié)束，工作面的長度可以達到1590 米，工作面的傾斜角度為284.6度，工作面的總面積為452514 平方米，厚度為2.85 米~4.6米，平均厚度為3.85 米。工作面的頂部是12.83 米厚的細粒砂巖和泥巖，而工作面的底部是5.66 米厚的細粒沙、細粒沙和泥巖。在綜合機械化采煤中，建立了智能化采煤體系，其中主要的研究結(jié)果如下：

①工作面開采效率顯著提高。智能綜采工作面的應(yīng)用顯著提升了工作效率，減少了工作時間，每天節(jié)省了83 分鐘到134 分鐘。此外，該工作面的工作內(nèi)回采效率也得到了明顯提高，平均開機率可達到40%以上，明顯超越了同類工作面。②煤炭采出率提高。相較于未有利用智慧采礦的技術(shù)而言，此方案的成果為新增產(chǎn)出達54.8 萬噸并提高了6.4%的回收效率，且其所采取的技術(shù)能夠有效避免產(chǎn)生八十七萬的消耗量、將礦物的濃縮程度降低了8.7%，因此實現(xiàn)了所謂的“綠色采礦”的目標。③運用智能采煤系統(tǒng)后能提高煤炭挖掘設(shè)備及運輸設(shè)備的協(xié)同作用，從而加速將煤炭運送至工作面的過程并優(yōu)化整個采礦區(qū)的傾倒效率。④工作面作業(yè)人員數(shù)量降低。在一般的機械化開采作業(yè)面上，每個作業(yè)班組必須配備4 至6 名操作人員和巡視員。在智能采礦的基礎(chǔ)上，提出了一種基于無人追蹤和無人值守的煤礦開采方法。只需2 至4 人即可監(jiān)控這個系統(tǒng)的運行。這樣可以大大降低勞動費用，將工作面移動到工作面終端和巷道區(qū)段，同時確保安全，大大提高工作面的生產(chǎn)效率。⑤智能化開采系統(tǒng)能夠多個角度、多個方面地顯示綜采工作面設(shè)備運行情況和工作過程，并提供了遙控操作的功能。此外，通過監(jiān)測機器人巡視信號和視頻影像，可以實時監(jiān)控工作面的各個部位，實現(xiàn)快速、準確的目標檢測，從而降低事故的發(fā)生，如片幫、冒頂?shù)取?/p>