張 鵬,吝 柏

(陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司一號(hào)煤礦,陜西 延安 727307)

隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能、區(qū)塊鏈等技術(shù)的飛速發(fā)展，煤礦工業(yè)正從機(jī)械化、自動(dòng)化、數(shù)字化，向智能化方向發(fā)展。特別是在國(guó)家發(fā)改委、能源局等八個(gè)部門共同發(fā)布《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》后，煤礦智能化已經(jīng)成為了我國(guó)煤炭安全高效生產(chǎn)的發(fā)展方向，也是我國(guó)煤炭安全高效生產(chǎn)的必然趨勢(shì)。陜西某礦地下工程環(huán)境比較復(fù)雜，急需對(duì)其安全、環(huán)保、生產(chǎn)和操作環(huán)節(jié)進(jìn)行智能技術(shù)的更新和更新。

陜西某礦山在“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”的基礎(chǔ)上，按照“數(shù)據(jù)統(tǒng)一、模型統(tǒng)一、平臺(tái)統(tǒng)一、方案統(tǒng)一”的思路，以“云邊協(xié)同、管控一體化”的智慧礦山建設(shè)為研究目標(biāo)，開展無人礦山的研究和應(yīng)用示范，建立了云邊協(xié)同、管控一體化的智慧礦山建設(shè)模式。

陜西某礦山作為重點(diǎn)建設(shè)礦山，以“5 G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”的無人礦山為研究對(duì)象，以“無人礦山”為目標(biāo)，構(gòu)建安全、高效、智能礦山建設(shè)的典范，并在此基礎(chǔ)上，探索出一條新的智能化建設(shè)途徑與管理模式，為我國(guó)煤炭資源的開發(fā)與利用提供了更加優(yōu)化的思路。

1 四化融合

1.1 裝備智能化

(1)綜采智能化。在綜采工作面安裝了瓦斯安全連鎖裝置及操作人員接近裝置的自動(dòng)辨識(shí)裝置；采煤機(jī)能適應(yīng)各種條件下的記憶式切割，能實(shí)現(xiàn)工作面的自動(dòng)矯直及遙控介入；采用液壓支架和采煤機(jī)的聯(lián)動(dòng)和適應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)了液壓支架的自動(dòng)上架和下落；介紹了一種新型液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。在地面上建立一個(gè)統(tǒng)一的操作平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種設(shè)備的集中遠(yuǎn)程控制，利用云視攝像頭實(shí)現(xiàn)對(duì)施工過程及設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

(2)掘進(jìn)智能化。建立了掘進(jìn)隊(duì)的地面中央控制中心，使掘錨機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)切割，人工遙控；自控式安全保護(hù)；實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)機(jī)的主要生產(chǎn)設(shè)備的智能化和連通性。該機(jī)采用變頻控制。智能除塵裝置得到了廣泛的應(yīng)用。通過多組網(wǎng)的智能饋電開關(guān)來實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的集中管理，通過云端平臺(tái)的攝像頭來實(shí)現(xiàn)對(duì)主要設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，用智能化的輔助設(shè)備來取代常規(guī)的維護(hù)。

(3)輔助運(yùn)輸智能化。建立一個(gè)智能調(diào)度管理系統(tǒng)，利用無線基站提供的無線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)車輛音頻調(diào)度，語音通話，利用超寬帶定位訊號(hào)對(duì)車輛進(jìn)行定位及超速預(yù)警。在礦井下的車輛上增加一組輔助設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)礦井下車輛的倒車?yán)走_(dá)、倒車影像、事故影像再現(xiàn)等。為井下車輛配備準(zhǔn)確定位卡及對(duì)講機(jī)，通過智能手機(jī)配置車輛管理APP，實(shí)現(xiàn)井下車輛語音調(diào)度、管理等功能。為保障礦井輔助運(yùn)輸?shù)陌踩耘c高效性，開展了電子化維護(hù)、電子檔案、無人駕駛等方面的研究。

1.2 生產(chǎn)無人化

(1)通風(fēng)系統(tǒng)無人化。主要的通風(fēng)系統(tǒng)和部分通風(fēng)系統(tǒng)都使用了變頻調(diào)速，實(shí)現(xiàn)了對(duì)其進(jìn)行了遠(yuǎn)程調(diào)整，并與礦山的需求風(fēng)量和瓦斯的濃度進(jìn)行了智能聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)其進(jìn)行在線的故障診斷；一鍵式不停風(fēng)和倒機(jī)。實(shí)現(xiàn)了對(duì)通風(fēng)裝置的遠(yuǎn)程控制、自動(dòng)化調(diào)試、三維模擬及最優(yōu)調(diào)試。實(shí)現(xiàn)了對(duì)通風(fēng)能力的及時(shí)審計(jì)、評(píng)估、報(bào)警，以及對(duì)風(fēng)網(wǎng)進(jìn)行了實(shí)時(shí)的計(jì)算與優(yōu)化。建立了風(fēng)速、風(fēng)阻實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與智慧決策平臺(tái)，并具有在常態(tài)下進(jìn)行最優(yōu)化的調(diào)節(jié)，在災(zāi)難下進(jìn)行最優(yōu)化的控風(fēng)功能，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其的遠(yuǎn)程自動(dòng)調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)具有自動(dòng)監(jiān)控、自動(dòng)辨識(shí)、自動(dòng)報(bào)警等功能。實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)備的日常運(yùn)行、實(shí)時(shí)監(jiān)控、失效模擬、預(yù)見性維護(hù)，達(dá)到了“四合一”的整體管控。

(2)主運(yùn)系統(tǒng)無人化。主運(yùn)輸系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)煤流的變化情況，系統(tǒng)通過遠(yuǎn)程集中控制實(shí)現(xiàn)變頻功能?；跓o接觸感知裝置的應(yīng)用，結(jié)合邊緣計(jì)算、智能分析等前沿技術(shù)，將多條交通路線連成一個(gè)有機(jī)的整體，實(shí)現(xiàn)交通的智能化、安全高效。

(3)固定崗位無人化。在變電所的日常值守、配電室控制、低壓開關(guān)狀態(tài)控制、電纜線路絕緣狀態(tài)檢測(cè)、自動(dòng)降塵噴霧、自動(dòng)滅火等功能上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)無人作業(yè)。系統(tǒng)能夠?qū)Ω鲄^(qū)域的電能使用數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并形成數(shù)據(jù)運(yùn)行報(bào)表，分析數(shù)據(jù)變化的趨勢(shì)，同時(shí)能夠及時(shí)地監(jiān)測(cè)到異常的信號(hào)變化，一旦出現(xiàn)故障，能夠及時(shí)地進(jìn)行報(bào)警，并及時(shí)定位異常情況出現(xiàn)的位置。同時(shí)還會(huì)將故障信息存儲(chǔ)起來，形成數(shù)據(jù)檔案，便于后續(xù)的分析與研究。

1.3 管控一體化

(1)智能一體化管控平臺(tái)。隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，越來越多的企業(yè)開始使用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來管理和控制生產(chǎn)過程。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是建立在物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算技術(shù)之上的，它將物理世界和數(shù)字世界緊密聯(lián)系在了一起。在這個(gè)新的生產(chǎn)模式中，數(shù)據(jù)融合集成和業(yè)務(wù)高效協(xié)同是非常重要的。通過數(shù)據(jù)融合集成，企業(yè)可以將不同部門的數(shù)據(jù)整合在一起，以便更好地進(jìn)行業(yè)務(wù)分析和決策。這對(duì)于企業(yè)的生產(chǎn)效率和質(zhì)量管理至關(guān)重要。此外，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境下，不同業(yè)務(wù)之間的高效協(xié)同也是必不可少的。企業(yè)可以通過集成不同的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，將各個(gè)業(yè)務(wù)之間的信息共享和交流變得更加流暢和高效。

(2)災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)管控平臺(tái)。以瓦斯、水、火、頂板、粉塵等五大災(zāi)害作為主要研究?jī)?nèi)容，從礦井的自然狀況與生產(chǎn)狀況出發(fā)，對(duì)與礦井實(shí)際狀況相吻合的單一災(zāi)種進(jìn)行分析，并以其為基礎(chǔ)，通過本項(xiàng)目的研究，將形成一套基于多災(zāi)種融合的災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)與模型，并在此基礎(chǔ)上研究應(yīng)急裝備的智能化配置技術(shù)，為災(zāi)害后的應(yīng)急保障工作提供有力支撐。

1.4 建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化

(1)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。以智慧礦井的建造為中心，制定出一套標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，其中包括設(shè)計(jì)規(guī)范、建設(shè)規(guī)范、運(yùn)行規(guī)范。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中需要設(shè)計(jì)智能礦山在建設(shè)和運(yùn)行中的一些關(guān)鍵技術(shù)，如基礎(chǔ)信息技術(shù)、運(yùn)行監(jiān)控技術(shù)、智能化控制技術(shù)等等。

(2)管控模式及效益規(guī)范。在先進(jìn)的信息技術(shù)的支持下，結(jié)合先進(jìn)的管理思想，創(chuàng)新礦井無人化管理模式。集中礦井中的各個(gè)模塊，如感知系統(tǒng)、決策系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)能，實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的大融合，并逐漸強(qiáng)化礦井的自動(dòng)化管理功能，使之具有自動(dòng)采集、分析、決策執(zhí)行的能力。

2 81309綜放工作面智能化建設(shè)

本文重點(diǎn)對(duì)陜西某礦81309 綜采工作面進(jìn)行了階段性的總結(jié)，對(duì)影響其開采水平的若干主要技術(shù)問題進(jìn)行了分析，歸納出了一條實(shí)現(xiàn)綜采工作面智能化的途徑與管理方式。

2.1 建設(shè)目標(biāo)

初等智能化綜采工作面，形成“聯(lián)合操作+人工監(jiān)控+遠(yuǎn)程介入”的開采模式，達(dá)到中等智能化程度，回采工作面采用無人開采方式。

2.2 建設(shè)成果

(1)智聯(lián)。在81309 的智能綜采工作面上，已完成了對(duì)采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、皮帶輸送機(jī)等的單動(dòng)和聯(lián)動(dòng)控制；已完成了與機(jī)移架、成組推溜、成組放煤、成組拉后溜的自動(dòng)化；已在工作中完成了前后方的視頻覆蓋；目前，綜采裝備已完成綜合控制與信息交互、聯(lián)動(dòng)控制和遙控器的一體化控制，并通過礦井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的“一鍵啟?！?，大幅度降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，使工人人數(shù)比原來降低了10%。

(2)智控。目前，81309綜采工作面的采煤設(shè)備全部采用了記憶截割，2個(gè)工作面的掘進(jìn)機(jī)和轉(zhuǎn)載機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)都與前面的支架配合，工作面的4 G/5 G/WiFi 信號(hào)全覆蓋，并設(shè)立了“一鍵啟停”的地面遠(yuǎn)程控制中心，使作業(yè)人員的數(shù)量下降了30%。

2.3 需進(jìn)一步突破的關(guān)鍵技術(shù)

目前，在81309煤礦機(jī)械化采煤技術(shù)方面已有一些科研進(jìn)展，但還沒有實(shí)現(xiàn)“無人化”。

(1)要想在綜采工作面上進(jìn)行少人甚至無人操作，目前的視頻監(jiān)控系統(tǒng)缺乏一定的空間尺度（也就是3D空間坐標(biāo)），迫切需要可以對(duì)工作面3D 空間信息進(jìn)行精確感知的技術(shù)進(jìn)行深入的探索，為最終實(shí)現(xiàn)綜采工作面的無人操作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同時(shí)，通過采場(chǎng)的3D 信息，實(shí)現(xiàn)了對(duì)地質(zhì)模型的局部精細(xì)化，為煤層的精確切割提供了技術(shù)支持。針對(duì)這一問題，本課題提出了一種激光雷達(dá)的高精度實(shí)時(shí)定位與地圖構(gòu)建、多傳感器信息融合、激光雷達(dá)的防護(hù)與校準(zhǔn)方法，對(duì)空間坐標(biāo)系的整合技術(shù)進(jìn)行了探討。

(2)在此基礎(chǔ)上，深入開展基于雙目立體視覺的照明非接觸檢測(cè)和精確控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)綜采工作面環(huán)境的智能感知和控制；在此基礎(chǔ)上，研制了一套以圖像為基礎(chǔ)的智能化煤層開采試驗(yàn)系統(tǒng)，并對(duì)其進(jìn)行了圖像獲取試驗(yàn)，建立了煤層開采過程中的圖像庫，并對(duì)其進(jìn)行了預(yù)處理；最后，通過室內(nèi)與現(xiàn)場(chǎng)采集到的煤粉圖像數(shù)據(jù)，對(duì)模型進(jìn)行學(xué)習(xí)與檢驗(yàn)，從而達(dá)到對(duì)煤粉圖像的準(zhǔn)確、智能識(shí)別。通過對(duì)放煤過程的數(shù)值模擬，研究放煤過程中煤粒粒度等因素對(duì)卸載和堆垛的作用機(jī)理，揭示放煤和堆垛的空間分布規(guī)律。通過對(duì)不同粒徑的煤顆粒在不同粒徑下的堆積體中的混合程度進(jìn)行研究，并對(duì)其進(jìn)行定量化求解。

3 智能化建設(shè)面臨的問題

通過建設(shè)該礦井的智能綜采工作面，作者深切感受到智能開采完全改變了過去的煤礦生產(chǎn)模式，并逐步實(shí)現(xiàn)了礦井的無人化；與此同時(shí)，煤炭企業(yè)肯定也將從勞力密集向技術(shù)密集的方向發(fā)展。但是，我們也應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，當(dāng)前，我國(guó)煤礦智能開采的發(fā)展仍處于初級(jí)階段，離真正意義上的智能生產(chǎn)和運(yùn)營(yíng)仍有相當(dāng)大的距離。

(1)技術(shù)轉(zhuǎn)換率較低。新一代信息技術(shù)難以迅速地轉(zhuǎn)變?yōu)樯a(chǎn)力，所以，在當(dāng)前的煤礦生產(chǎn)設(shè)備中，大多設(shè)備仍具有質(zhì)量大、功能單一的特點(diǎn)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到智能化生產(chǎn)的要求，在一定程度上阻礙了工作面智能化的發(fā)展。所以，廠商應(yīng)該積極研發(fā)適合5G及礦山作業(yè)的智能裝備，以適應(yīng)礦山作業(yè)的需求。

(2)系統(tǒng)可靠性不高。在礦井下，大多數(shù)設(shè)備中的傳感器都有壽命短、精度低、布線困難等缺點(diǎn)，尤其是安裝在液壓支架上的壓力傳感器、測(cè)高傳感器、行程傳感器以及各類閥芯的更換頻率較高，給日常維護(hù)帶來了很大的困難。為此，必須加強(qiáng)對(duì)高可靠性、高性能的傳感器和設(shè)備的研究和開發(fā)，使其能夠更好地適應(yīng)礦井的嚴(yán)酷工作環(huán)境。

(3)缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)前，煤礦開采中的作業(yè)數(shù)據(jù)大多是由萬兆環(huán)形網(wǎng)絡(luò)上傳、收集的，但尚未做到“無縫”互聯(lián)，各個(gè)系統(tǒng)之間的信息不能完全共享，也沒有充分發(fā)揮其作用。雖然該公司已搭建了一套完整的生產(chǎn)數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)，并已著手執(zhí)行EIP的最新標(biāo)準(zhǔn)，所有的裝備廠商均使用統(tǒng)一的接口，但由于相關(guān)的協(xié)議的開放性以及監(jiān)控軟件的版本不同，因此，在具體的集成工作中存在一定的困難，經(jīng)常會(huì)發(fā)生一些不流暢的情況。

(4)智能化人才匱乏。煤炭行業(yè)屬于典型的勞動(dòng)密集型行業(yè)，其工作強(qiáng)度高、工作條件差、社會(huì)地位低；很多勞動(dòng)者的職業(yè)與他們的專業(yè)有很大的差距，他們對(duì)信息、智能的認(rèn)識(shí)也很少。近年來，煤礦智能化進(jìn)程不斷加速，現(xiàn)有技術(shù)人員的素質(zhì)與能力已不能適應(yīng)煤礦智能化建設(shè)、生產(chǎn)與經(jīng)營(yíng)的要求。因此，在今后的工作中，應(yīng)當(dāng)加大對(duì)人工智能人才的培養(yǎng)力度，擴(kuò)大人工智能從業(yè)者的成長(zhǎng)通道，并對(duì)其進(jìn)行了工資福利方面的調(diào)整，從而能夠吸引更多的IT人員到煤礦工作。

(5)管理人員對(duì)智能化認(rèn)識(shí)不足。大部分的煤炭公司都秉承著“以生產(chǎn)為中心”的經(jīng)營(yíng)思想，在智能化的發(fā)展過程中，許多管理者只想著能夠達(dá)到自己的目標(biāo)，而沒有意識(shí)到智能化能夠給生產(chǎn)帶來的重大變化，這就造成了煤炭行業(yè)的智能化發(fā)展速度非常慢。其次，在進(jìn)行智能施工時(shí)，許多管理者沒有積極地指導(dǎo)下級(jí)職工進(jìn)行與智能有關(guān)的技術(shù)和知識(shí)的培訓(xùn)，還停留在原有的管理方式上，造成了許多工作人員在施工結(jié)束后不會(huì)操作、不會(huì)維護(hù)，造成了“人—機(jī)兩張皮”的問題，給礦井的智能化施工造成了很大的障礙。所以，各級(jí)組織應(yīng)該構(gòu)建起一套完備的智能訓(xùn)練和人才培養(yǎng)系統(tǒng)，培育出一支擁有熟練操作技能的專業(yè)運(yùn)維隊(duì)伍，只有如此，才可以讓智能的發(fā)展成為一支真正意義上的智能發(fā)展。