煤礦智能化掘進(jìn)工作面應(yīng)用分析

唐銨

貴州盤(pán)江精煤股份有限公司山腳樹(shù)礦 貴州 六盤(pán)水 553533

引言

煤炭在中國(guó)的能源結(jié)構(gòu)中占比最大，是中國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的重要保障。巷道掘進(jìn)工作是工作面布置的重要基礎(chǔ)工程，很容易受到陷落柱、斷層、采空區(qū)等地質(zhì)環(huán)境的影響，如果操作不當(dāng)，就可能需要大量的后期維護(hù)費(fèi)用，給煤礦生產(chǎn)帶來(lái)無(wú)法估計(jì)的損失。隨著智能化技術(shù)的誕生，煤礦掘進(jìn)技術(shù)有了進(jìn)一步提升，使煤礦掘進(jìn)效率大幅度提高，同時(shí)降低了安全事故的發(fā)生率，保障了煤礦產(chǎn)業(yè)綠色、穩(wěn)定發(fā)展。

1 掘進(jìn)工作面智能化控制系統(tǒng)功能特征

1.1 掘進(jìn)工作面智能化控制系統(tǒng)特征

掘進(jìn)工作面智能化控制系統(tǒng)在處理中可以對(duì)各個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行集中式的串聯(lián)處理[1]。①通過(guò)PLC控制系統(tǒng)利用抗干擾設(shè)備進(jìn)行處理，保障了裝置的穩(wěn)定性，增強(qiáng)了可靠性；②可以通過(guò)PLC技術(shù)集中處理多臺(tái)設(shè)備，在一次停運(yùn)后整個(gè)輸送線會(huì)停止運(yùn)轉(zhuǎn)；③通過(guò)集中管理的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)系統(tǒng)的視頻控制處理。隨著人們對(duì)資源需求的日益增長(zhǎng)，傳統(tǒng)的工作模式無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際需求，通過(guò)現(xiàn)代化的方式進(jìn)行處理可以提高工作效率與質(zhì)量；④綜合實(shí)際狀況做好技術(shù)創(chuàng)新優(yōu)化，提高工作效率與質(zhì)量，優(yōu)化設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)，推動(dòng)智能化、自動(dòng)化、機(jī)械化的發(fā)展。

1.2 掘進(jìn)工作面智能化控制系統(tǒng)功能

1.2.1 智能感知系統(tǒng)。在掘進(jìn)工作面智能化控制系統(tǒng)的支持下，通過(guò)人工智能、大數(shù)據(jù)以及物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)設(shè)備的智能化升級(jí)優(yōu)化。在多種技術(shù)的支持下了解掘進(jìn)作業(yè)中瓦斯變化狀態(tài)、截割對(duì)象的動(dòng)態(tài)變化，了解風(fēng)筒風(fēng)速以及風(fēng)量環(huán)境等異常信息、狀態(tài)等，只有配合信息數(shù)據(jù)，才能支持掘進(jìn)作用的有效優(yōu)化[2]。在智能系統(tǒng)的支持下了解掘進(jìn)機(jī)械、皮帶機(jī)械的運(yùn)行狀態(tài)，分析探放水以及瓦斯抽采鉆孔的質(zhì)量數(shù)據(jù)，為生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的人機(jī)環(huán)數(shù)據(jù)的分析處理提供了平臺(tái)與技術(shù)手段。

1.2.2 智能決策系統(tǒng)。掘進(jìn)工作面智能化控制系統(tǒng)利用智能決策系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工程設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)信息、作業(yè)過(guò)程中產(chǎn)生的人機(jī)環(huán)智能感知數(shù)據(jù)的分析與融合，根據(jù)礦井作業(yè)的各項(xiàng)規(guī)程要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)異常狀態(tài)的智能化識(shí)別，具有自動(dòng)報(bào)警以及設(shè)備聯(lián)動(dòng)控制的智能化決策功能。

1.2.3 自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。掘進(jìn)工作面智能化控制系統(tǒng)可以根據(jù)各項(xiàng)信息數(shù)據(jù)，了解工作人員、崗位職責(zé)以及實(shí)際的信息數(shù)據(jù)，根據(jù)具體的信息數(shù)據(jù)通過(guò)智能決策系統(tǒng)形成報(bào)警信息，將各項(xiàng)信息及時(shí)上報(bào)給各級(jí)管理人員。

1.2.4 聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)。在AI+IOT技術(shù)的支持下，掘進(jìn)工作面智能化控制系統(tǒng)與設(shè)備充分融合，下發(fā)各項(xiàng)指令信息，通過(guò)掘進(jìn)工作面設(shè)備進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)了多種設(shè)備的聯(lián)動(dòng)處理，在處理中也可以與工作人員進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程輔助操作。

1.2.5 維修、維檢修人員智能調(diào)度?；谥悄軟Q策系統(tǒng)以及不同工作崗位的責(zé)任，及時(shí)上報(bào)各項(xiàng)信息數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)智能化調(diào)度管理。在掘進(jìn)工作面智能化控制系統(tǒng)通過(guò)自動(dòng)化控制模式實(shí)現(xiàn)對(duì)綜采工作面、聯(lián)采自動(dòng)化以及供電、通風(fēng)、排水系統(tǒng)的智能化控制，真正實(shí)現(xiàn)“井下作業(yè)少人化、生產(chǎn)過(guò)程透明化、數(shù)據(jù)分析智能化”的目標(biāo)[3]。

2 智能化掘進(jìn)技術(shù)的關(guān)鍵

2.1 遠(yuǎn)程智能截割

遠(yuǎn)程智能截割控制系統(tǒng)是智能化掘進(jìn)技術(shù)的核心，主要由慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、光纖通信環(huán)網(wǎng)、中央控制單元、遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控分站和井下各種設(shè)備組成，如圖1所示。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)主要是由高精度陀螺儀和加速度計(jì)組成，主要用于對(duì)掘進(jìn)機(jī)車(chē)身位置參數(shù)的測(cè)量；光纖通信環(huán)網(wǎng)是由光纖和交換機(jī)組成，用于對(duì)采集信息和控制信號(hào)的高效傳輸；中央控制單元主要是由工業(yè)計(jì)算機(jī)組成，用于對(duì)采集的信息進(jìn)行處理并發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)；遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控分站主要是由安裝在掘進(jìn)機(jī)上的攝像頭組成，用于采集現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)畫(huà)面，便于進(jìn)行控制。

2.2 掘進(jìn)機(jī)本體完全遙控

掘進(jìn)機(jī)本體完全遙控就是通過(guò)巷道內(nèi)的遙控裝置對(duì)掘進(jìn)機(jī)的作業(yè)狀態(tài)進(jìn)行完全控制。進(jìn)行控制時(shí)，需要參考遠(yuǎn)程傳輸回來(lái)的實(shí)時(shí)畫(huà)面。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)本體的完全遙控，一方面要實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)的低延時(shí)傳輸，保證控制的實(shí)時(shí)性；另一方面要采用微機(jī)和伺服電機(jī)對(duì)掘進(jìn)機(jī)的操控桿進(jìn)行控制?？偟膩?lái)說(shuō)，完全遙控本質(zhì)上還是一種初級(jí)的智能化，還需要人的干預(yù)完成。

2.3 遠(yuǎn)程可視化

在目前情況下，智能化掘進(jìn)還要依賴(lài)于人工干預(yù)來(lái)完成，很多情況下需要操作員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的情況進(jìn)行判斷。但是操作人員不在工作面，而是在巷道集控中心內(nèi)或地面上，這就需要采用視頻技術(shù)來(lái)查看現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況。通過(guò)遠(yuǎn)程可視化技術(shù)，可以查看真實(shí)的設(shè)備運(yùn)行情況[4]。為了實(shí)現(xiàn)可視化，必須準(zhǔn)確地采集現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)畫(huà)面。這就要求在掘進(jìn)機(jī)上安裝足夠數(shù)量的攝像機(jī)。

2.4 掘進(jìn)機(jī)截割軌跡和機(jī)身參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控

在對(duì)掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)智能控制時(shí)，需要用到掘進(jìn)機(jī)的位置信息和狀態(tài)參數(shù)信息。為此，需要對(duì)掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行軌跡進(jìn)行監(jiān)控。通過(guò)對(duì)掘進(jìn)機(jī)的軌跡參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，形成相應(yīng)的控制信號(hào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)位置狀態(tài)的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。

3 如何提高煤礦綜掘智能化開(kāi)采技術(shù)的運(yùn)用效率

3.1 注重視頻監(jiān)控智能化技術(shù)方案的完善

煤礦企業(yè)在對(duì)綜掘面智能化開(kāi)采技術(shù)進(jìn)行方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)的過(guò)程中，一定要注重對(duì)視頻監(jiān)控智能化技術(shù)進(jìn)行更加全面的分析，要重點(diǎn)對(duì)智能化技術(shù)在提高綜掘面開(kāi)采工作質(zhì)量與效率提高的方面進(jìn)行分析總結(jié)，從而使綜掘面智能化開(kāi)采技術(shù)的運(yùn)用效果能夠充分滿(mǎn)足煤礦生產(chǎn)工作的精準(zhǔn)開(kāi)采要求。同時(shí)要對(duì)綜掘面的具體環(huán)境進(jìn)行更加精準(zhǔn)的研究。并在視頻監(jiān)控技術(shù)的運(yùn)用過(guò)程中對(duì)監(jiān)控設(shè)備的晃動(dòng)情況，監(jiān)控場(chǎng)景的粉塵量以及遠(yuǎn)程視頻的實(shí)際效果進(jìn)行全面分析，為智能化綜掘面開(kāi)采技術(shù)的科學(xué)運(yùn)用提供較強(qiáng)的數(shù)據(jù)支持。

3.2 提高綜掘面運(yùn)輸系統(tǒng)的質(zhì)量

在完善綜掘面的運(yùn)輸系統(tǒng)時(shí)，往往需要相關(guān)人員綜合智能化技術(shù)的詳細(xì)特點(diǎn)設(shè)計(jì)出更加符合綜掘面規(guī)模的運(yùn)輸策略，并確保設(shè)計(jì)出的運(yùn)輸系統(tǒng)可以有效滿(mǎn)足綜掘面智能化開(kāi)采技術(shù)的運(yùn)用需求，從而確保煤礦綜掘面智能化開(kāi)采技術(shù)運(yùn)用過(guò)程中的物資需求得到滿(mǎn)足[5]。在對(duì)綜掘面運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行完善的過(guò)程中，要注重對(duì)煤礦智能化開(kāi)采技術(shù)運(yùn)用特點(diǎn)的全面分析，充分結(jié)合煤礦的原煤運(yùn)輸工作中所需要滿(mǎn)足的一些要求，并對(duì)綜掘面的空間環(huán)境進(jìn)行更加全面的觀察分析，為綜掘面智能化開(kāi)采技術(shù)的運(yùn)用進(jìn)行更好的輔助。此外，對(duì)綜掘面運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行完善時(shí)，還要注重對(duì)相關(guān)智能化設(shè)備特點(diǎn)的全面分析，結(jié)合其特點(diǎn)設(shè)計(jì)出更加創(chuàng)新完善且高質(zhì)量的綜掘面運(yùn)輸方案。

3.3 加強(qiáng)掘進(jìn)機(jī)的實(shí)際運(yùn)用效果

掘進(jìn)機(jī)作為綜掘面開(kāi)采工作中的重要設(shè)備，在對(duì)綜掘面智能化開(kāi)采技術(shù)的運(yùn)用方案進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，往往需要更加重視對(duì)掘進(jìn)機(jī)等設(shè)備的實(shí)際運(yùn)用效果。在實(shí)際的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，必須根據(jù)煤炭開(kāi)采工作中煤礦斷面的具體特征，把智能開(kāi)發(fā)技術(shù)和掘進(jìn)機(jī)的有關(guān)技術(shù)加以有機(jī)融合，確保煤礦開(kāi)采過(guò)程中的智能成型控制技術(shù)可以和掘進(jìn)機(jī)的姿態(tài)調(diào)節(jié)技術(shù)在需求上保持一致，以便適應(yīng)煤炭開(kāi)采工作在使用智能開(kāi)發(fā)技術(shù)后所產(chǎn)生的新的開(kāi)采生產(chǎn)需求。此外，相關(guān)工作人員要注重實(shí)際測(cè)量工作準(zhǔn)確性的提升，并充分結(jié)合各種智能化技術(shù)，如慣性導(dǎo)航技術(shù)與激光制導(dǎo)技術(shù)，結(jié)合這些技術(shù)的創(chuàng)新特征，設(shè)計(jì)制定出更加科學(xué)合理的巷道掘進(jìn)方案，以此為掘進(jìn)機(jī)自主導(dǎo)航系統(tǒng)的構(gòu)建提供更加高質(zhì)量的保障。

3.4 完善綜掘面的智能化開(kāi)采工序

在運(yùn)用了綜掘面智能化開(kāi)采技術(shù)后，傳統(tǒng)的煤礦開(kāi)采工序已經(jīng)不再適用，因此其也要積極結(jié)合自身的開(kāi)采情況，設(shè)計(jì)更加科學(xué)且創(chuàng)新的開(kāi)采工序。在完善的過(guò)程中，工作人員要將煤礦的煤壁作為重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象，結(jié)合所運(yùn)用的智能化開(kāi)采技術(shù)對(duì)煤礦巷道的實(shí)際情況加以分析，使開(kāi)采工序的實(shí)際設(shè)計(jì)情況與煤礦綜掘面各項(xiàng)開(kāi)采技術(shù)實(shí)際運(yùn)用需求相符，盡可能滿(mǎn)足綜掘面開(kāi)采技術(shù)的運(yùn)用要求[6]。同時(shí)，在智能化開(kāi)采技術(shù)的實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中，一定要對(duì)其各功能模塊的特點(diǎn)進(jìn)行全面的分析，尤其是一些重要的參數(shù)以及數(shù)據(jù)資源，這樣才能確保掘進(jìn)面的具體開(kāi)采需求得到充分滿(mǎn)足。此外，掘進(jìn)面的地質(zhì)條件也是智能化技術(shù)運(yùn)用過(guò)程中需要重點(diǎn)勘探的內(nèi)容，綜掘面的水源與瓦斯情況往往是影響智能化開(kāi)采工序的重要因素。

3.5 加強(qiáng)數(shù)據(jù)的多源傳輸與存儲(chǔ)

為了解決礦井智能化綜掘開(kāi)采工作中礦井地質(zhì)模型與圍巖特征等數(shù)據(jù)的變化對(duì)其造成的影響，數(shù)據(jù)的多元傳輸與存儲(chǔ)作為一種運(yùn)用通訊互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸、處理，儲(chǔ)存與決策，并將相應(yīng)操作反饋給具體設(shè)備的技術(shù)，相關(guān)工作人員就可運(yùn)用其在對(duì)煤礦地質(zhì)模型與圍巖特征等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與傳輸后，通過(guò)服務(wù)器對(duì)其實(shí)際的波動(dòng)情況進(jìn)行處理分析，并根據(jù)分析結(jié)果發(fā)布更加科學(xué)的指令，以此實(shí)現(xiàn)煤礦綜掘智能化開(kāi)采工作的正常開(kāi)展。

4 智能化掘進(jìn)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

4.1 更加全面的智能化

總體來(lái)看，目前的智能化是不全面的，只是初步的，主要體現(xiàn)在掘進(jìn)機(jī)并不能實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化運(yùn)行，在很多情況下還需要工人在井下集控中心內(nèi)進(jìn)行操控[7]。造成這種現(xiàn)象的主要原因是工作面情況比較復(fù)雜，而現(xiàn)有的智能學(xué)習(xí)算法難以對(duì)這種復(fù)雜的情況做出最優(yōu)判斷。鑒于這方面原因，掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)行并未實(shí)現(xiàn)完全的自動(dòng)化，這使得巷道的掘進(jìn)速度與傳統(tǒng)的掘進(jìn)方式相比提升并不是太大。因此，在未來(lái)應(yīng)該加大智能算法的研發(fā)力度，使掘進(jìn)機(jī)在沒(méi)有人干預(yù)的情況下能正常高速運(yùn)轉(zhuǎn)。一方面，應(yīng)該加快對(duì)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜情況的收集與建模；另一方面，要采用智能算法對(duì)復(fù)雜情況下的掘進(jìn)進(jìn)行學(xué)習(xí)，以提高智能化水平。

4.2 更加標(biāo)準(zhǔn)的智能化

由于目前煤礦智能化還處于發(fā)展的初級(jí)階段，各個(gè)煤礦的智能化建設(shè)方案存在較大的差別。這些差別不僅體現(xiàn)在硬件方面，還體現(xiàn)在軟件方面。造成這種現(xiàn)象的原因主要包括兩方面，一方面是煤礦地質(zhì)條件不同，另一方面是資金投入不同。雖然這種方案能滿(mǎn)足當(dāng)前礦井智能化的需要，但是不利于煤炭行業(yè)智能化水平的提升。換句話(huà)說(shuō)，有的煤礦智能化方案并不能為其他煤礦的智能化提供相應(yīng)的參考。因此，未來(lái)應(yīng)該加快煤礦智能化、標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，增強(qiáng)技術(shù)的通用性，這樣可以加快整個(gè)行業(yè)的智能化進(jìn)步。

4.3 更加可靠的智能化

煤礦智能化掘進(jìn)的實(shí)現(xiàn)依賴(lài)于掘進(jìn)設(shè)備上安裝的一些智能芯片、攝像頭和傳感器。然而由于煤礦掘進(jìn)工作面內(nèi)環(huán)境惡劣，智能設(shè)備上安裝的各種設(shè)備很容易損壞。例如：當(dāng)工作面粉塵濃度較高時(shí)，安裝的可視化攝像頭很容易被磨損；煤塵附著在精密傳感器芯片的表面很容易損壞芯片。一旦智能設(shè)備發(fā)生損壞，不但維修成本較高，而且排查故障所消耗的時(shí)間也較長(zhǎng)。因此，未來(lái)應(yīng)該采取措施提高智能設(shè)備的性能，使得智能設(shè)備具有較高的開(kāi)機(jī)率，這樣才能發(fā)揮智能化開(kāi)采的優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)束語(yǔ)

煤礦智能化掘進(jìn)是煤炭行業(yè)發(fā)展的重要趨勢(shì)。就目前的情況，煤礦企業(yè)首先應(yīng)該建立智能化控制所需要的信息化設(shè)施，然后根據(jù)行業(yè)的先進(jìn)案例選擇合適的智能化建設(shè)方案。與此同時(shí)，應(yīng)該加緊對(duì)智能化掘進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)，以進(jìn)一步提高巷道掘進(jìn)的效率。