黃陵礦智能生產(chǎn)系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)

任興懷

(陜西黃陵二號煤礦有限公司,陜西 延安 727307)

0 引言

新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是指以網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化為核心的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),是發(fā)力于科技端的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),將為我國傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級帶來重大機(jī)遇[1-4]。新基建是指在煤礦中應(yīng)用5G、數(shù)據(jù)中心、人工智能和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)進(jìn)行所需的數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)[5-7]。煤礦的“新基建”不僅指傳統(tǒng)的先進(jìn)通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心等信息基礎(chǔ)設(shè)施,還包括大數(shù)據(jù)服務(wù)、云計(jì)算服務(wù)、物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺,以及智能傳感器、煤炭機(jī)器人等智能設(shè)備,為煤礦智能化建設(shè)奠定基礎(chǔ)[8-11]。

智能煤礦是高科技采礦的具體體現(xiàn),是“智慧中國”的組成部分,是確保煤礦安全生產(chǎn)、減員增效的重要舉措[12-13]。因此,加快中國智能礦山建設(shè),實(shí)現(xiàn)煤炭行業(yè)現(xiàn)代化管理,是確保煤炭行業(yè)平穩(wěn)安全發(fā)展的必由之路,也是改變煤炭行業(yè)形象的必由之路[14-16]。

1 原有生產(chǎn)系統(tǒng)

原有生產(chǎn)系統(tǒng)在智能開采管控、采煤機(jī)控制、智能探測、大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與故障診斷這4個(gè)方面存在問題,如,原有生產(chǎn)系統(tǒng)無法透明化工作面實(shí)施智能開采,同時(shí)對于監(jiān)測到的海量數(shù)據(jù)無法進(jìn)行有效的存儲和處理。原有生產(chǎn)系統(tǒng)無法實(shí)施遠(yuǎn)程控制,自動(dòng)化程度較低,需要井下人為控制,效率較低且危險(xiǎn)性較高。原有煤巖探測系統(tǒng)為接觸式,需要打鉆孔進(jìn)行探測,操作復(fù)雜。無法實(shí)時(shí)分析數(shù)據(jù)。工作面采煤過程中的支架高度、壓力、采煤機(jī)運(yùn)行軌跡之間有一個(gè)最優(yōu)的匹配性,而原有數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)無法進(jìn)行自動(dòng)分析,使其之間達(dá)到最優(yōu)的匹配性。原有系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)機(jī)器的實(shí)時(shí)故障診斷。

2 改造方案

系統(tǒng)在黃陵礦原有智能工作面基礎(chǔ)上進(jìn)行升級改造,構(gòu)建基于GIS的透明化工作面智能開采管控平臺,建立高精度的透明化綜采工作面,應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析,集成工作面成套智能化裝備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、慣導(dǎo)系統(tǒng)定位信息,分析設(shè)備故障,利用人工測量及傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)修正工作面地質(zhì)體和煤巖層數(shù)據(jù)模型,為工作面成套裝備提供采煤截割線、直線度基線、俯仰采基線,指導(dǎo)工作面裝備在復(fù)雜地質(zhì)條件下的少人或無人開采,從而達(dá)到安全管控的目的。

2.1 基于TGIS的智能開采管控平臺

地質(zhì)模型由鉆井、地球物理勘探和日常生產(chǎn)中獲得的真實(shí)數(shù)據(jù)構(gòu)建和動(dòng)態(tài)修改。開采模型如圖1所示。

圖1 開采模型Fig.1 Mining model

通過數(shù)據(jù)處理和推理,由小的或非常小的基本地質(zhì)單元組成的地質(zhì)模型,可以更好地反映地質(zhì)模型的空間分布細(xì)節(jié),并提供地質(zhì)模型在地質(zhì)環(huán)境中的操作和分析功能。高精度地質(zhì)模型應(yīng)該由一系列子模型組成,這些子模型是根據(jù)不同地質(zhì)模型(如地層和斷層)的不同特性而專門設(shè)計(jì)的。建立高精度地質(zhì)模型的過程如圖2所示。

圖2 高精度地質(zhì)建模流程Fig.2 Process of high-precision geological modeling

2.2 采煤機(jī)控制系統(tǒng)

在采煤機(jī)電控箱體內(nèi)配置礦用無線轉(zhuǎn)發(fā)器(5G CPE)和智能控制模塊,通過5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)信號(包括機(jī)載高清視頻、傳感器中心、參數(shù)控制)到地面控制室(或溜槽控制中心)的傳輸;地面遠(yuǎn)程控制臺和采煤機(jī)控制箱配備了礦井無線中繼器(5G CPE)和智能控制模塊,以實(shí)現(xiàn)地面控制室(順槽集控中心)與采煤機(jī)的5G通信交互,通信網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。

圖3 智能采煤工作面5G通信網(wǎng)絡(luò)Fig.3 5G communication network of intelligent coal mining working face

內(nèi)置的礦用無線轉(zhuǎn)發(fā)器(5G CPE)引出天線,使用尼龍保護(hù)套進(jìn)行保護(hù),并垂直安裝于電控箱或變頻箱前方檐下,避免復(fù)雜環(huán)境損壞天線,同時(shí)保障信號傳輸質(zhì)量。

自動(dòng)化系統(tǒng)包含了記憶截割套件,在傳感器系統(tǒng)的支持下,實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)記憶截割自動(dòng)運(yùn)行。其支持的模式有:人工操作模式,學(xué)習(xí)記憶模式,自動(dòng)重復(fù)操作(記憶或仿型截割)模式,自動(dòng)過程的人工干預(yù)狀態(tài)、在線學(xué)習(xí)(修改)狀態(tài)保護(hù)模式等。采煤機(jī)進(jìn)入學(xué)習(xí)模式,手動(dòng)操作采煤作為示范刀(或參考刀),控制系統(tǒng)收集并存儲采煤機(jī)每個(gè)位置的行駛方向、速度、左右搖臂高度等姿態(tài)信息。

用于采集煤機(jī)精確位置的慣導(dǎo)系統(tǒng)裝置固定在采煤機(jī)機(jī)身中部,實(shí)時(shí)獲取煤機(jī)的姿態(tài)角(歐拉角)和采煤機(jī)位置大地坐標(biāo),從而實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)的絕對定姿、定位和與三維地質(zhì)模型的耦合,并實(shí)現(xiàn)智能控制平臺實(shí)時(shí)展示組合定位裝置和采煤機(jī)信息。在自動(dòng)操作模式下,采煤機(jī)根據(jù)高精度地質(zhì)模型生成的切割線自動(dòng)切割煤炭。當(dāng)煤層條件發(fā)生重大變化時(shí),可就地或遠(yuǎn)程干預(yù)。

2.3 煤巖智能探測系統(tǒng)

煤巖智能檢測系統(tǒng)采用非接觸式喇叭天線,可實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)獲取1 m范圍內(nèi)的煤巖界面信息或識別采煤機(jī)的切割狀態(tài)(煤切割/巖石切割),從而有效制定滾筒高度調(diào)整策略,為實(shí)現(xiàn)礦井智能化開采提供技術(shù)支持。

煤巖智能探測系統(tǒng)與采煤機(jī)高度集成。系統(tǒng)為單通道系統(tǒng),天線體內(nèi)部有1對收發(fā)天線、1個(gè)采集卡、1個(gè)無線網(wǎng)卡和1個(gè)控制單元,結(jié)構(gòu)如圖4所示。單通道系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)采集和處理、識別后,通過無線網(wǎng)卡與采煤機(jī)建立通信,并將探測結(jié)果和位置信息傳輸給采煤機(jī)系統(tǒng)。

圖4 礦井煤巖智能探測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of intelligent coal-rock detecting system

針對綜采面環(huán)境和割煤機(jī)條件,為實(shí)現(xiàn)對當(dāng)前切割面頂板煤巖界面、下一切割面頂板煤巖界面的探測和識別,探測方案如圖5所示。

圖5 礦井煤巖智能探測系統(tǒng)示意Fig.5 Diagram of intelligent coal-rock detecting system

系統(tǒng)分析礦區(qū)煤巖的物性參數(shù),通過對煤巖層位的快速實(shí)時(shí)跟蹤與自動(dòng)識別算法,實(shí)現(xiàn)煤巖界面智能識別功能。根據(jù)天線的位置參數(shù)信息,建立雷達(dá)天線與煤巖層位投影關(guān)系模型,應(yīng)用煤巖層位的信息提取技術(shù),實(shí)現(xiàn)位置數(shù)據(jù)與煤層高度數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)匹配。輸出結(jié)果的所有高度坐標(biāo)的零點(diǎn)以采煤機(jī)底部刮板機(jī)所在平面為準(zhǔn),流程如圖6所示。

圖6 煤巖智能識別處理流程Fig.6 Processing of intelligent coal-rock identification

2.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與故障診斷

系統(tǒng)通過對工作面液壓支架高度、壓力及傾角、采煤機(jī)運(yùn)行軌跡及推進(jìn)速度、運(yùn)輸機(jī)負(fù)載等設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測,通過系統(tǒng)大數(shù)據(jù)后臺分析,能夠自動(dòng)優(yōu)化采煤工藝,使設(shè)備間運(yùn)轉(zhuǎn)達(dá)到高質(zhì)量的匹配性。智能設(shè)備故障診斷功能,采煤機(jī)的通信故障、液壓支架故障診斷:包括程序丟失、參數(shù)錯(cuò)誤、輸入錯(cuò)誤、輸出錯(cuò)誤、通信錯(cuò)誤、人機(jī)交互錯(cuò)誤和安全操作裝置故障。采集數(shù)據(jù)的故障診斷和超范圍報(bào)警;定值報(bào)警等輸送機(jī)故障報(bào)警;檢測設(shè)備各減速器、電機(jī)的溫度、壓力、流量、排量、轉(zhuǎn)速等參數(shù),并對這些參數(shù)進(jìn)行分析處理,實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、報(bào)警和傳輸。

3 智能煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)效果分析

綜采工作面智能化基于時(shí)態(tài)地理信息系統(tǒng)(TGIS)的透明化工作面智能開采關(guān)鍵技術(shù),設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)“監(jiān)控實(shí)時(shí)化、系統(tǒng)集成化、數(shù)據(jù)海量化、控制協(xié)同化和決策在線化”的智能開采管控一體化、可視化行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和軟硬件系統(tǒng)體系架構(gòu);建立以高精度透明化工作面智能管控中心為大腦、采支運(yùn)設(shè)備為軀干、煤巖識別及輔助巡檢裝置為眼睛、通信協(xié)議為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能開采可視化管控平臺。

3.1 智能管控平臺

基于透明化工作面的智能開采管控平臺的智能控制功能具有通用配置軟件的配置、設(shè)置等功能,實(shí)現(xiàn)大型地下設(shè)備二維、三維可視化的集中監(jiān)控、多場景自動(dòng)切換、報(bào)警值設(shè)置、控制邏輯設(shè)置、參數(shù)設(shè)置、報(bào)警與控制聯(lián)動(dòng)等。三維可視化如圖7所示。

圖7 三維可視化Fig.7 Three dimensional visualization

3.2 采煤機(jī)控制系統(tǒng)

基于工作面千兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)及5G網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸,保障了管控平臺與工作面成套裝備的數(shù)據(jù)采集和交互,滿足地面控制平臺與工作面成套裝備的監(jiān)控延時(shí)不大于10 ms。實(shí)現(xiàn)對綜采工作面采煤機(jī)、可視化顯示和控制組合開關(guān)等設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài),并提供實(shí)時(shí)歷史曲線、實(shí)時(shí)值顯示、故障報(bào)警、報(bào)表統(tǒng)計(jì)等功能。

3.3 煤巖探測系統(tǒng)

基于鉆探、地球物理勘探、上下槽和切割孔獲得的地質(zhì)信息,建立了初始的高精度三維地質(zhì)模型。不僅描述了煤層的起伏,展現(xiàn)頂板壓力等信息,而且能夠充分掌握開采過程中的煤層形態(tài)、地質(zhì)構(gòu)造、巖石力學(xué)特性和機(jī)電設(shè)備位置及姿態(tài)等。透明工作面與采礦設(shè)備建立了統(tǒng)一的坐標(biāo)系,為智能采礦中采煤機(jī)的高度調(diào)整和采礦設(shè)備矯直提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3.4 大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與故障診斷

構(gòu)建基于三維透明化礦井的智能開采與安全管控平臺,建立高精度的綜采工作面,集成工作面成套裝備的高精度定位數(shù)據(jù)(絕對位置信息)、智能巡檢信息、視頻及工作面煤巖層實(shí)時(shí)識別數(shù)據(jù)等,動(dòng)態(tài)修正工作面地質(zhì)體和煤巖層三維模型,為工作面成套裝備提供采煤截割線、直線度基線、俯仰采基線,實(shí)現(xiàn)對綜采工作面設(shè)備的監(jiān)測和控制,指導(dǎo)工作面設(shè)備的智能開采;建立透明化礦井,實(shí)現(xiàn)礦井遠(yuǎn)程巡查和決策支持,達(dá)到少人和安全管控的目的。

4 結(jié)論

(1)構(gòu)建基于TGIS的智能開采管控平臺、采煤機(jī)控制系統(tǒng)、煤巖智能探測系統(tǒng)、智能化工作面采煤工藝大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與故障診斷平臺。

(2)建立以高精度透明化工作面智能管控中心為大腦、采支運(yùn)設(shè)備為軀干、煤巖識別及輔助巡檢裝置為眼睛、通信協(xié)議為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能開采可視化管控平臺。

(3)改進(jìn)后的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了智能采礦管控、可視化行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與“實(shí)時(shí)監(jiān)控、系統(tǒng)集成、海量數(shù)據(jù)、控制協(xié)同、在線決策”軟硬件系統(tǒng)架構(gòu)的融合。