智能化采煤設(shè)備優(yōu)化配置及其對(duì)煤礦生產(chǎn)效率的影響研究

趙相海

（兗煤菏澤能化有限公司趙樓煤礦，山東 鄆城 274705）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)能源的需求日益增長(zhǎng)。煤炭作為我國(guó)的主要能源之一，其開(kāi)采利用效率對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。目前，我國(guó)煤礦開(kāi)采面臨資源品位下降、管理水平參差不齊等問(wèn)題，導(dǎo)致開(kāi)采效率低下。為提高煤礦生產(chǎn)效率，智能化采煤設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生。智能化采煤設(shè)備通過(guò)集成傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的精確監(jiān)控和優(yōu)化調(diào)度，大幅提升了設(shè)備性能和煤礦整體生產(chǎn)效率。本文擬通過(guò)分析智能化采煤設(shè)備的優(yōu)化配置方法，預(yù)測(cè)和評(píng)估其對(duì)煤礦生產(chǎn)效率的影響，為煤礦智能化改造和管理提供理論依據(jù)。

1 智能化采煤設(shè)備的定義和分類(lèi)

智能化采煤設(shè)備是在傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)備基礎(chǔ)上，集成了傳感器、執(zhí)行器、控制器以及通信網(wǎng)絡(luò)等模塊的新型采煤裝備。根據(jù)智能化程度不同，可將智能化采煤設(shè)備分為三類(lèi)：半智能化采煤設(shè)備、準(zhǔn)智能化采煤設(shè)備和完全智能化采煤設(shè)備。半智能化采煤設(shè)備主要包括傳感器檢測(cè)和控制執(zhí)行系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和對(duì)設(shè)備的有限度控制，但仍需人工參與指揮調(diào)度。這類(lèi)設(shè)備的典型代表有裝備激光雷達(dá)的采煤機(jī)、集成圖像識(shí)別的運(yùn)輸帶系統(tǒng)等。準(zhǔn)智能化采煤設(shè)備在半智能設(shè)備的基礎(chǔ)上融入了預(yù)警診斷和條件監(jiān)測(cè)保護(hù)模塊，可以進(jìn)行設(shè)備故障預(yù)測(cè)分析，對(duì)設(shè)備健康狀態(tài)作出評(píng)估，并可以對(duì)設(shè)備啟動(dòng)/停止、速度等作出有限的決策控制，減少人工操作量。這類(lèi)設(shè)備的典型代表有帶故障自診斷系統(tǒng)的鏟運(yùn)機(jī)、集成紅外熱像的皮帶機(jī)等。完全智能化采煤設(shè)備是在準(zhǔn)智能設(shè)備的基礎(chǔ)上集成了知識(shí)庫(kù)和專(zhuān)家系統(tǒng)，可以對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和外部環(huán)境進(jìn)行全面的感知，利用深度學(xué)習(xí)等算法進(jìn)行知識(shí)推理和決策，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的完全自主控制和優(yōu)化調(diào)度，基本無(wú)須人工干預(yù)。這類(lèi)設(shè)備的典型代表有利用5G 通信和云平臺(tái)的智能化綜采工作面等。智能化設(shè)備的應(yīng)用極大地提高了采煤機(jī)械化水平，可實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與評(píng)估，進(jìn)行故障預(yù)測(cè)及預(yù)防性維護(hù)，從而大幅提高設(shè)備可靠性和煤礦生產(chǎn)效率。

2 智能化采煤設(shè)備優(yōu)化配置研究

2.1 采煤設(shè)備選型與匹配

智能化采煤設(shè)備的優(yōu)化配置首先需要考慮設(shè)備的合理選型與匹配。設(shè)備選型時(shí)，應(yīng)根據(jù)煤層儲(chǔ)量、厚度、傾角、巖石突出物等地質(zhì)條件，選擇合適的機(jī)械化采煤設(shè)備。對(duì)于厚煤層，應(yīng)選用采煤機(jī)或斗輪挖煤機(jī)；對(duì)于陡斜薄煤層，應(yīng)選用炮采或頂梁采煤機(jī)。設(shè)備匹配時(shí)，需要考慮不同設(shè)備之間的協(xié)調(diào)性，優(yōu)化工作面布置，使設(shè)備之間具有良好的空間匹配關(guān)系，最大限度發(fā)揮綜采工作面效能。在設(shè)備選型配套時(shí)，還需要考慮設(shè)備的自動(dòng)化水平。完全智能化設(shè)備可直接配套使用；對(duì)于半智能設(shè)備，需要增加傳感器、執(zhí)行器、通信模塊等，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控自動(dòng)化。例如，對(duì)于半智能斗輪挖煤機(jī)，可增加激光掃描儀、圖像識(shí)別系統(tǒng)等模塊，以實(shí)現(xiàn)對(duì)采場(chǎng)環(huán)境的感知、輔助操作與導(dǎo)航。另外，設(shè)備選型時(shí)，還要考慮設(shè)備的能效指標(biāo)。通過(guò)CFD 數(shù)值模擬與測(cè)試分析，可以獲得設(shè)備的實(shí)際能耗參數(shù)，選擇能效高的設(shè)備型號(hào)。如某型號(hào)采煤機(jī)，經(jīng)模擬計(jì)算，其能耗指數(shù)為56.2kW·h/t，高于另一型號(hào)的52.8kW·h/t，后者更具優(yōu)勢(shì)。合理的設(shè)備選型與匹配，不僅能提高單臺(tái)設(shè)備的工作效率，還可以?xún)?yōu)化采煤工作面布置，實(shí)現(xiàn)設(shè)備協(xié)同作業(yè)，全面提升采煤機(jī)械化水平和工作效率。

2.2 設(shè)備智能化調(diào)度

智能化調(diào)度系統(tǒng)可以收集各類(lèi)采煤設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)，如機(jī)械能耗、操作參數(shù)、故障預(yù)警等，利用云計(jì)算平臺(tái)，構(gòu)建虛擬仿真模型，進(jìn)行多方案比選，確定設(shè)備的最優(yōu)調(diào)度方案。例如，針對(duì)模擬的綜采工作面，可以比較兩種設(shè)備調(diào)度方案：（1）最大產(chǎn)量?jī)?yōu)先，使各設(shè)備以最高負(fù)荷狀態(tài)運(yùn)行；（2）能耗優(yōu)先，合理降低設(shè)備負(fù)荷，在確保產(chǎn)量基礎(chǔ)上節(jié)約能源。通過(guò)仿真計(jì)算，方案1 日產(chǎn)量可達(dá)12000t，但綜合能耗達(dá)到7.5 萬(wàn)kW·h；方案2 日產(chǎn)量為11800t，綜合能耗僅為6.2 萬(wàn)kW·h，由于兩者產(chǎn)量相近，因此方案2 更優(yōu)。

智能化調(diào)度系統(tǒng)還可以利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，根據(jù)歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)訓(xùn)練模型，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的預(yù)測(cè)性維護(hù)與故障預(yù)警，進(jìn)一步提升系統(tǒng)的可靠性。例如，某型號(hào)輸送機(jī)在運(yùn)行5000h 后易發(fā)生軸承磨損，通過(guò)智能算法分析歷史數(shù)據(jù)，可以預(yù)先對(duì)5000h 左右的輸送機(jī)軸承進(jìn)行維護(hù)，避免因故障造成的停機(jī)損失。智能化調(diào)度與決策可以全面提升煤礦設(shè)備的運(yùn)行效率、能源利用率和可靠性，對(duì)實(shí)現(xiàn)智慧化煤礦提供有力的支撐。

2.3 設(shè)備性能評(píng)估與故障診斷

智能化設(shè)備配置還需要建立科學(xué)的設(shè)備性能評(píng)估與故障診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備健康狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。具體來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)采集設(shè)備的熱力學(xué)參數(shù)、振動(dòng)噪聲、電流信號(hào)等，利用物聯(lián)網(wǎng)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后通過(guò)云計(jì)算平臺(tái)，采用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，建立設(shè)備數(shù)字孿生模型，實(shí)時(shí)模擬設(shè)備性能。例如，某型號(hào)導(dǎo)向機(jī)正常工作時(shí)的機(jī)械震動(dòng)頻譜主要分布在10 ～20Hz，當(dāng)軸承或齒輪發(fā)生故障時(shí)，100Hz 附近頻段會(huì)出現(xiàn)明顯振幅；通過(guò)分析當(dāng)前采集的振動(dòng)頻譜，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)該型號(hào)導(dǎo)向機(jī)故障的智能識(shí)別與定位。設(shè)備性能評(píng)估方面，可以計(jì)算設(shè)備的工作效率、能耗指數(shù)、壽命消耗參數(shù)等，建立預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)設(shè)備進(jìn)行全生命周期管理，如果設(shè)備效率持續(xù)低于預(yù)設(shè)閾值6%，智能系統(tǒng)會(huì)向維護(hù)人員自動(dòng)發(fā)出設(shè)備保養(yǎng)提示與預(yù)警。故障診斷方面，可以通過(guò)構(gòu)建知識(shí)圖譜，記錄不同故障的特征維度，利用圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法實(shí)現(xiàn)對(duì)新出現(xiàn)故障的自動(dòng)識(shí)別與分類(lèi)，還可以基于物理模型，構(gòu)建數(shù)字孿生的虛擬仿真環(huán)境，重現(xiàn)設(shè)備故障，分析故障發(fā)生的原因。

3 智能化采煤設(shè)備對(duì)煤礦生產(chǎn)效率的影響研究

3.1 設(shè)備自動(dòng)化程度

設(shè)備自動(dòng)化是評(píng)估智能化設(shè)備提升生產(chǎn)效率的重要指標(biāo)。自動(dòng)化程度越高，可以減少人工操作量，降低人為錯(cuò)誤概率，提升操作效率。智能設(shè)備的自動(dòng)化程度可利用自動(dòng)化替代率來(lái)評(píng)估。以采煤機(jī)為例，人工操作的采煤機(jī)自動(dòng)化替代率僅為10%，采煤過(guò)程完全依靠人工控制，自動(dòng)化程度低，生產(chǎn)效率相對(duì)低下；而對(duì)于集成導(dǎo)航及智能規(guī)劃模塊的智能采煤機(jī)，自動(dòng)化替代率可達(dá)90%以上，大幅減少人工參與，提高工作效率和產(chǎn)量。智能設(shè)備的應(yīng)用也可以減少不同系統(tǒng)之間的人工協(xié)調(diào)量，實(shí)現(xiàn)更好的設(shè)備協(xié)同配合。相關(guān)測(cè)試結(jié)果顯示，利用物聯(lián)網(wǎng)和調(diào)度系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的智能化設(shè)備協(xié)同，可以使系統(tǒng)協(xié)調(diào)效率提高超過(guò)35%?？傮w來(lái)說(shuō)，智能化設(shè)備的應(yīng)用可以顯著提升自動(dòng)化和協(xié)同化水平，大幅度提高煤礦機(jī)械化采煤效率。具體影響結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 設(shè)備自動(dòng)化程度對(duì)效率的影響

3.2 設(shè)備性能與協(xié)同作業(yè)

智能化設(shè)備可以提升單個(gè)設(shè)備的工作性能，并實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的協(xié)同配合，進(jìn)一步發(fā)揮系統(tǒng)整體效能。單個(gè)智能設(shè)備的性能提升主要體現(xiàn)在：（1）操作效率提高，例如，集成機(jī)器視覺(jué)的智能鏟運(yùn)機(jī)，可以根據(jù)采場(chǎng)環(huán)境自動(dòng)規(guī)劃路徑，其自動(dòng)運(yùn)輸效率可提高20%；（2）能源利用效率提高，智能輸送帶可以根據(jù)實(shí)時(shí)的負(fù)載環(huán)境，動(dòng)態(tài)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，優(yōu)化能量消耗，可將能耗降低15%；（3）自動(dòng)化減人和故障率降低，智能導(dǎo)向機(jī)集成故障自檢程序，其無(wú)人值守運(yùn)行，可將停機(jī)故障率降低超過(guò)30%。

在系統(tǒng)層面，智能設(shè)備還可以建立數(shù)字化協(xié)同作業(yè)平臺(tái)，進(jìn)行深度優(yōu)化。例如，在綜采工作面，平臺(tái)可以收集各設(shè)備的工作數(shù)據(jù)，利用云計(jì)算構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)、輸送機(jī)、支護(hù)設(shè)備的協(xié)調(diào)控制，優(yōu)化自動(dòng)作業(yè)流程，實(shí)現(xiàn)按產(chǎn)量或能耗優(yōu)先的調(diào)度模式切換。仿真結(jié)果顯示，基于該平臺(tái)的智能化設(shè)備協(xié)同可以使綜采工作面日產(chǎn)量提高20%以上（見(jiàn)表2）。

表2 智能協(xié)同作業(yè)效果分析

通過(guò)設(shè)備性能提升和協(xié)同作業(yè)兩方面的綜合效應(yīng)，智能化設(shè)備配置可以顯著增強(qiáng)煤礦的安全性、生產(chǎn)能力和經(jīng)濟(jì)效益。但設(shè)備協(xié)調(diào)也需要考慮系統(tǒng)復(fù)雜性，避免設(shè)備復(fù)雜化而降低穩(wěn)定性。

3.3 設(shè)備維護(hù)與管理

智能化設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，進(jìn)行科學(xué)的維護(hù)與管理，保證系統(tǒng)高效穩(wěn)定運(yùn)行。具體來(lái)說(shuō)，智能設(shè)備可以通過(guò)集成各類(lèi)物聯(lián)網(wǎng)傳感器，如機(jī)械振動(dòng)傳感器、電流探測(cè)器、聲光故障檢測(cè)器等，進(jìn)行工作參數(shù)檢測(cè)，并利用5G 和移動(dòng)邊緣計(jì)算等技術(shù)資源，建立設(shè)備的數(shù)字孿生模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的工作狀況、結(jié)構(gòu)完整性、故障概率等指標(biāo)的實(shí)時(shí)模擬計(jì)算，為維護(hù)決策提供依據(jù)。例如，對(duì)主軸承的振動(dòng)和溫度進(jìn)行高頻率監(jiān)測(cè)，一旦超過(guò)預(yù)設(shè)的安全閾值，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出維護(hù)預(yù)警。同時(shí)，智能設(shè)備還可以通過(guò)知識(shí)庫(kù)和機(jī)器學(xué)習(xí)等手段，分析歷史運(yùn)行與故障數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備新故障模式的智能識(shí)別與處理。例如，系統(tǒng)可以通過(guò)挖掘設(shè)備多年的維修日志與報(bào)告，利用關(guān)聯(lián)規(guī)則等算法，構(gòu)建故障根源的知識(shí)圖譜，在新故障出現(xiàn)時(shí)，快速定位根因，生成最優(yōu)的維修方案（見(jiàn)表3）。

因此，智能設(shè)備的運(yùn)維體系可以顯著減少檢修時(shí)間、事故停機(jī)率，保證系統(tǒng)長(zhǎng)期高效運(yùn)行，大幅提升煤礦的產(chǎn)量與經(jīng)濟(jì)效益。但也需要注意避免過(guò)度依賴(lài)智能系統(tǒng)，淡化基礎(chǔ)維護(hù)工作的重要性。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，智能化采煤設(shè)備通過(guò)集成數(shù)字化感知、網(wǎng)絡(luò)通信和智能決策模塊，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和作業(yè)環(huán)境的精確掌握，進(jìn)行科學(xué)優(yōu)化的調(diào)度控制，大幅提升了單個(gè)設(shè)備的作業(yè)效率、系統(tǒng)的協(xié)同性能。與傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)備相比，智能設(shè)備解放了大量重復(fù)勞動(dòng)，減少了安全事故的發(fā)生率，使煤礦能夠?qū)崿F(xiàn)更高水平的信息化、自動(dòng)化和智能化。但是，智能設(shè)備的運(yùn)用也需要考慮系統(tǒng)的復(fù)雜性，避免過(guò)度依賴(lài)造成設(shè)備脆弱。智能設(shè)備的使用應(yīng)在保證安全穩(wěn)定的前提下，合理擴(kuò)展自動(dòng)化水平，不能一味追求最大產(chǎn)量而忽視其他指標(biāo)。同時(shí)，需要建立完善的維護(hù)保障體系，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的全生命周期管理。