楊萬(wàn)海YANG Wan-hai

（國(guó)家能源集團(tuán)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(shì)，也是提高煤礦安全生產(chǎn)水平、降低勞動(dòng)強(qiáng)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(jí)、提高核心競(jìng)爭(zhēng)力的重要途徑，對(duì)煤炭產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有深遠(yuǎn)的影響。

1 項(xiàng)目概況

棗泉礦區(qū)位于中國(guó)寧夏回族自治區(qū)靈武市的東南側(cè)，靠近中國(guó)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(dá)到50.8 平方公里。公司目前擁有9.65 億噸煤炭?jī)?chǔ)備，其中可開采量為5 億2600 萬(wàn)噸。礦井內(nèi)氣體流速為每分鐘0.387 立方米，絕對(duì)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(gè)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(jìn)的機(jī)器人化采煤技術(shù)，包括無(wú)人操作采煤機(jī)、液壓支架以及刮板輸送機(jī)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(yuǎn)程監(jiān)控和自動(dòng)采煤。

2 智能化采煤工作面建設(shè)所面臨的挑戰(zhàn)和問(wèn)題

2.1 無(wú)線網(wǎng)傳輸技術(shù)缺少合理性

現(xiàn)階段在進(jìn)行煤礦生產(chǎn)管理的過(guò)程中，有一些技術(shù)人員在搭建通信傳輸?shù)臒o(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的時(shí)候并未結(jié)合實(shí)際的工作面情況進(jìn)行細(xì)致考慮和全面把控其細(xì)節(jié)。因此，在部署無(wú)人值守開關(guān)時(shí)，不能依據(jù)礦井的實(shí)際發(fā)展與需要，對(duì)其進(jìn)行規(guī)劃與管理，使其工程技術(shù)價(jià)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)人員在進(jìn)行無(wú)線網(wǎng)絡(luò)交換裝置的技術(shù)方案時(shí)，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)信道的構(gòu)建并未給予足夠的關(guān)注，未對(duì)其所需要的參數(shù)信息進(jìn)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的成熟程度。部分礦井對(duì)無(wú)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?yàn)椴擅簷C(jī)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?cái)z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(jì)不全面

本文介紹了一種高效利用采煤機(jī)設(shè)備的方法，并對(duì)它進(jìn)行了優(yōu)化。然而，目前從事采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)整和牽引控制的研究和開發(fā)人員對(duì)礦山采礦環(huán)境的分析和研究還不夠深入，尤其是對(duì)于采煤機(jī)在回采過(guò)程中遇到的切割阻力問(wèn)題，缺乏科學(xué)的分析研究。因此，在生產(chǎn)實(shí)踐中，不能通過(guò)自適應(yīng)調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤設(shè)備的精確控制。當(dāng)前采煤機(jī)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(shí)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(duì)牽引電流的深入研究，尤其是對(duì)輸送電流與裝備設(shè)計(jì)的影響，很難對(duì)其進(jìn)行有效的控制，進(jìn)而影響其高效能。對(duì)于切割條件的研究，至今尚未形成完整的經(jīng)驗(yàn)。

2.3 采煤機(jī)截割路徑的規(guī)劃有著明顯不足

采煤機(jī)設(shè)備的截割軌跡規(guī)劃是確保采煤機(jī)與礦井開采環(huán)境相適應(yīng)、實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量采煤作業(yè)的關(guān)鍵步驟，也是實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)智能化的重要組成部分。在實(shí)際應(yīng)用中，專家需要準(zhǔn)確分析采煤機(jī)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(jī)的截割軌跡規(guī)劃方面存在很大的缺陷，無(wú)法滿足特定需求并進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。因此，重視內(nèi)存截取技術(shù)對(duì)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(guò)程中的智能化進(jìn)展，以保障采煤設(shè)備的正常運(yùn)行。

3 關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 機(jī)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(jī)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(jī)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(dòng)強(qiáng)度。此外，該系統(tǒng)還可以使煤礦開采過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化，降低人為錯(cuò)誤。在采煤作業(yè)中，機(jī)器人可以進(jìn)行鉆孔、爆破、采煤、運(yùn)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(dòng)力。

3.2 高精度導(dǎo)航定位技術(shù)

在機(jī)采過(guò)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(dá)到最佳接收狀態(tài)，需要對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)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(zhǔn)確地預(yù)測(cè)煤層的地質(zhì)條件，可以通過(guò)地面三維地震勘探、井下物探等方法對(duì)煤層的賦存和構(gòu)造進(jìn)行預(yù)測(cè)。根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，將工作面劃分為多個(gè)地質(zhì)單元，并結(jié)合工作面地質(zhì)情況以及工程經(jīng)驗(yàn)，綜合應(yīng)用多種技術(shù)手段進(jìn)行精確預(yù)測(cè)。

3.3 人工智能技術(shù)

目前，國(guó)內(nèi)綜掘機(jī)技術(shù)已經(jīng)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)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(wèn)題。針對(duì)以上問(wèn)題，對(duì)當(dāng)前的綜掘機(jī)進(jìn)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(jī)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，使其能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)設(shè)備的互聯(lián)，為實(shí)現(xiàn)各個(gè)子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制奠定基礎(chǔ)。本項(xiàng)目將采用多個(gè)傳感裝置和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端，對(duì)綜掘裝置的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，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(shí)現(xiàn)閉環(huán)切割穩(wěn)定性。使用煤巖體分界面識(shí)別與追蹤控制技術(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)截割的穩(wěn)定閉環(huán)控制；同時(shí)利用煤巖體分層界面識(shí)別與追蹤控制技術(shù)，來(lái)維持截割的穩(wěn)定性。本計(jì)劃將利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)，精確確定錯(cuò)桿式鉆機(jī)的位置，并規(guī)劃其軌跡，以提供精確的位置信息給錯(cuò)桿支護(hù)。

3.4 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)

智能采煤工作面生產(chǎn)系統(tǒng)的決策主要通過(guò)工作面設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)智能感知、設(shè)備故障智能診斷與警報(bào)、利用專家知識(shí)庫(kù)和遠(yuǎn)程專家系統(tǒng)等功能來(lái)實(shí)現(xiàn)。目前，采煤機(jī)械化主要依靠記憶式采煤法，即采煤機(jī)駕駛員使用“示范刀”進(jìn)行采煤，并通過(guò)自動(dòng)控制系統(tǒng)記錄被采面高度，并通過(guò)編碼器和傾角傳感器精確收集數(shù)據(jù)。為了實(shí)現(xiàn)最大的開采速度并減少能量的浪費(fèi)，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(dòng)化導(dǎo)航技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)工作面的三維定位。然而，GIS 無(wú)法準(zhǔn)確獲取煤層的動(dòng)態(tài)傾角和煤巖體分界面等信息。因此，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)煤巖體分界面的識(shí)別，確保滾筒高度自動(dòng)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(diǎn)問(wèn)題之一是煤巖智能識(shí)別。為解決該難題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了圖像分析、截?cái)鄶?shù)據(jù)分析、電磁測(cè)量和太赫茲譜分析等多種研究手段，以代表性方法進(jìn)行研究。（圖1）

圖1 地質(zhì)模型基準(zhǔn)點(diǎn)絕對(duì)坐標(biāo)定位

3.5 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

目前，該礦已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了5G+WiFi 的全面覆蓋，實(shí)現(xiàn)了工作面區(qū)域的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。目前，煤礦井下進(jìn)行瓦斯探測(cè)、通風(fēng)風(fēng)機(jī)風(fēng)速監(jiān)測(cè)、頂板壓力監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)測(cè)、煤巖識(shí)別等數(shù)據(jù)采集時(shí)都采用5G 無(wú)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(wú)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(yùn)營(yíng)和維護(hù)費(fèi)用。此外，在采煤工作面上，將5G 與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)工業(yè)機(jī)器人對(duì)工作面內(nèi)的變電站等相關(guān)設(shè)備進(jìn)行智能巡檢，而不需要指派專業(yè)的人員來(lái)完成巡檢工作。這樣可以減少勞動(dòng)強(qiáng)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(xiàng)目實(shí)踐效果

面域中心遙控是通過(guò)遙控方式將千兆交換機(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)區(qū)域的監(jiān)測(cè)圖象和視頻的實(shí)時(shí)傳送、管理和查詢，同時(shí)還能與綜采工作面運(yùn)輸順槽的集中監(jiān)測(cè)中心和地面調(diào)度中心進(jìn)行視頻通話，以實(shí)現(xiàn)通訊和控制的統(tǒng)一。通過(guò)在地面調(diào)度中心配置操作平臺(tái)、主控計(jì)算機(jī)和監(jiān)控接口，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤工作面的遠(yuǎn)程監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)智能化的目的。

采煤機(jī)記憶截割技術(shù)：根據(jù)采煤機(jī)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(tái)、3D 虛擬現(xiàn)實(shí)監(jiān)測(cè)平臺(tái)、工作面視頻監(jiān)控平臺(tái)和Wincc 數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器這五個(gè)主要部分。其中，地上部分包括Wincc 監(jiān)測(cè)平臺(tái)、切削軌跡參數(shù)平臺(tái)和3D 虛擬現(xiàn)實(shí)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，用于監(jiān)測(cè)采煤機(jī)的狀況；工作面部分則由采煤機(jī)的機(jī)載控制設(shè)備和各種傳感器構(gòu)成。目的是通過(guò)無(wú)線交換網(wǎng)將采煤機(jī)的工作狀態(tài)信息傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)調(diào)度中心，然后由調(diào)度中心將其傳輸?shù)侥繕?biāo)位置，實(shí)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(gè)具有強(qiáng)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(jī)的不斷推進(jìn)，前面的刮板輸送機(jī)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(jī)很容易產(chǎn)生滑動(dòng)，這是新的采煤方式。為了解決這個(gè)問(wèn)題，提出了一種可調(diào)節(jié)帶式滑動(dòng)/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(shí)，帶材的滑動(dòng)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(hào)采區(qū)+1180 米采動(dòng)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(zhǎng)度可以達(dá)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(xì)粒砂巖和泥巖，而工作面的底部是5.66 米厚的細(xì)粒沙、細(xì)粒沙和泥巖。在綜合機(jī)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(shí)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(jī)率可達(dá)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(dá)54.8 萬(wàn)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(wàn)的消耗量、將礦物的濃縮程度降低了8.7%，因此實(shí)現(xiàn)了所謂的“綠色采礦”的目標(biāo)。③運(yùn)用智能采煤系統(tǒng)后能提高煤炭挖掘設(shè)備及運(yùn)輸設(shè)備的協(xié)同作用，從而加速將煤炭運(yùn)送至工作面的過(guò)程并優(yōu)化整個(gè)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(jī)械化開采作業(yè)面上，每個(gè)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(wú)人追蹤和無(wú)人值守的煤礦開采方法。只需2 至4 人即可監(jiān)控這個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。這樣可以大大降低勞動(dòng)費(fèi)用，將工作面移動(dòng)到工作面終端和巷道區(qū)段，同時(shí)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(gè)角度、多個(gè)方面地顯示綜采工作面設(shè)備運(yùn)行情況和工作過(guò)程，并提供了遙控操作的功能。此外，通過(guò)監(jiān)測(cè)機(jī)器人巡視信號(hào)和視頻影像，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控工作面的各個(gè)部位，實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的目標(biāo)檢測(cè)，從而降低事故的發(fā)生，如片幫、冒頂?shù)取?/p>