黃曾華

目前，我國煤礦安全形勢依舊嚴(yán)峻，綜采工作面仍是事故高發(fā)地。2013年，我國煤礦共發(fā)生頂板事故274起、死亡325人，分別占煤礦事故總量的45.4%和30.5%;較大頂板事故8起，采煤工作面占4起;瓦斯事故死亡348人，占事故總量的32.6%，重大以上瓦斯事故10起，采煤工作面占7起。

在特別危險、環(huán)境特別惡劣的綜采工作面，減少用人，甚至不用人，實現(xiàn)少人或無人開采，直接減少采煤工作面的人員數(shù)量是減少人員傷亡、保障安全的重要手段，由發(fā)生事故后被動的人員救險轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃拥販p少井下用工人數(shù)，在業(yè)內(nèi)漸漸形成了共識——“無人則安”。中國煤炭科工集團(tuán)下屬的北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司（簡稱“天地瑪珂公司”）開展的“綜采工作面無人化開采技術(shù)”研究，旨在解決綜采工作面無人化開采的難題，以“解放”井下采煤工人。

項目研究背景

安全生產(chǎn)的迫切要求

煤礦井下綜采工作面是一個高危險的生產(chǎn)環(huán)境，空間局限、溫度高、濕度大、煤灰重、大功率設(shè)備多且工況復(fù)雜。尤其在薄及較薄煤層，“工人時而弓身前進(jìn)，時而雙膝跪地，在鋼鐵和巖石之間爬行。當(dāng)采煤機(jī)行進(jìn)速度較快時，人員跟機(jī)作業(yè)困難，勞動強(qiáng)度很大?！惫と嗽诠ぷ髅娼嚯x操作，噪聲、粉塵等職業(yè)危害因素會對工人身體健康帶來損害，迫切需要將工人從高危的生產(chǎn)環(huán)境中解放出來。

高產(chǎn)高效生產(chǎn)的需要

煤礦開采過程復(fù)雜，各種設(shè)備作業(yè)條件也復(fù)雜，動作多，且對動作順序、準(zhǔn)確性、響應(yīng)速度等要求高。綜采設(shè)備系統(tǒng)龐大，由液壓支架、采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)等多達(dá)幾十種、近300臺設(shè)備組成，現(xiàn)有裝備控制方式分散、可靠性低，不能實現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的配合，無法充分發(fā)揮設(shè)備性能，開采效率低。而且，現(xiàn)有裝備獲取的圍巖、環(huán)境參數(shù)不夠全面，操作以人為經(jīng)驗判斷為主，容易出現(xiàn)設(shè)備損壞、安全隱患和增加煤炭損失等問題。

因此，開展“綜采工作面無人化開采技術(shù)”研究就顯得尤為重要和迫切。本研究項目成功減少了采煤工作面惡劣環(huán)境下操作人員的數(shù)量，改善了回采工作面的安全生產(chǎn)條件，降低了操作工人的勞動強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率，在同等地質(zhì)、生產(chǎn)技術(shù)條件下可提高煤礦的產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益，滿足了國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展對能源的需求。該研究項目的實施成果將縮小與先進(jìn)國家在無人化開采方面的差距，提升我國煤礦綜采工作面的自動化水平。

研究過程

經(jīng)過多年探索，天地瑪珂公司在無人化開采技術(shù)方面采取了“兩步走”的技術(shù)路線：第一步可視遠(yuǎn)程干預(yù)無人化開采（目前已實現(xiàn)）;第二步智能自適應(yīng)無人化開采（進(jìn)一步探索中）。（見圖1）

可視遠(yuǎn)程干預(yù)無人化開采。采用擬人手法，把人的視覺、聽覺延伸到工作面，將工人從工作面解放到監(jiān)控中心，實現(xiàn)在監(jiān)控中心對設(shè)備的遠(yuǎn)程操控，達(dá)到工作面無人化開采的目的。可視遠(yuǎn)程干預(yù)無人化開采是在當(dāng)前煤礦自動化、智能化技術(shù)水平較低，關(guān)鍵設(shè)備如采煤機(jī)還不能自適應(yīng)自主割煤、液壓支架還不能自適應(yīng)圍巖的情況下，當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件發(fā)生變化或個別設(shè)備異常時需要進(jìn)行人工干預(yù)、調(diào)整。

智能自適應(yīng)無人化開采。突破綜采工作面惡劣環(huán)境下信息安全傳輸、煤巖識別、工作面直線度控制、綜采設(shè)備姿態(tài)定位、安全感知、視頻監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制等多種技術(shù)，形成集檢測、控制、視頻、音頻、通信于一體的綜采工作面智能控制體系（見圖2），確保綜采設(shè)備連續(xù)、協(xié)調(diào)、高效、安全運(yùn)行，實現(xiàn)工作面生產(chǎn)過程智能化、管理信息化、操作無人化。隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，當(dāng)有更多的工作面條件、地質(zhì)情況、設(shè)備信息可以被采集到，同時采煤機(jī)、液壓支架的智能化控制技術(shù)有更大突破時，將有希望實現(xiàn)不需人工干預(yù)的智能自適應(yīng)無人化開采。

“綜采工作面無人化開采技術(shù)”研究項目以可視遠(yuǎn)程干預(yù)無人化開采為主線，開展了“以采煤機(jī)記憶截割、液壓支架自動跟機(jī)及順槽可視化遠(yuǎn)程遙控為基礎(chǔ)，以成套裝備控制系統(tǒng)為支撐，以自適應(yīng)采煤工藝、融合 ‘人、機(jī)、環(huán)、管過程數(shù)據(jù)的控制軟件為核心，實現(xiàn)自動采高調(diào)整、斜切進(jìn)刀、連續(xù)推進(jìn)等功能”的綜采工作面無人化開采模式。通過自動化、智能化技術(shù)手段，將工人從工作面解放到順槽監(jiān)控中心，實現(xiàn)工作面安全、高效開采，做到采煤過程中工作面內(nèi)無人。

監(jiān)控中心。采用人機(jī)工效學(xué)原理，設(shè)計并研制了符合“人機(jī)交互”行為的一體式監(jiān)控中心。操作者只需坐在監(jiān)控中心，即可通過顯示器觀察到工作面的情況，通過語音通信進(jìn)行調(diào)度、聯(lián)絡(luò)，通過操作臺遠(yuǎn)程操控工作面上的相應(yīng)設(shè)備，實施工作面生產(chǎn)系統(tǒng)協(xié)調(diào)集中控制功能。（見圖3）

工作面網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)。建立工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線深度融合的網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)，利用工作面綜合接入器和交換機(jī)，使工作面的以太網(wǎng)連接到巷道監(jiān)控中心和地面網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)工作面設(shè)備和綜采工作面自動化控制系統(tǒng)同一個網(wǎng)絡(luò)平臺的信息傳輸，從而實現(xiàn)工作面數(shù)字語音、視頻和數(shù)據(jù)的三網(wǎng)合一;同時，將WIFI技術(shù)和工作面以太網(wǎng)有機(jī)結(jié)合起來，有效解決礦井無線通信問題，使一些通信比較困難區(qū)域的設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)無線接入，從而為煤礦的安全生產(chǎn)提供有力保障。

工作面視頻技術(shù)。建立跟隨采煤機(jī)行走的低照度、高清晰無縫視頻系統(tǒng)，完成對工作面空間整體情況的視頻監(jiān)控功能。利用礦用夜視、低照度高清晰的本安型網(wǎng)絡(luò)攝像頭完成低照度或無光源的情況下高清晰度視頻攝像，利用綜合接入器對復(fù)合視頻信號的數(shù)字化處理、壓縮、數(shù)據(jù)交換處理，通過以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議傳輸?shù)较锏辣O(jiān)控中心并自動推送給操作員。

綜采工作面關(guān)鍵智能裝備姿態(tài)感知技術(shù)。通過安裝在智能裝備上的傾角傳感器、水平位移傳感器、光纖陀螺儀等儀器，實時感知液壓支架的三維姿態(tài)和高度測量、采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)的二維姿態(tài)，為自動化控制系統(tǒng)的決策提供依據(jù)，解決了煤壁防片幫、液壓支架姿態(tài)自適應(yīng)、采煤機(jī)滾筒與頂梁、護(hù)幫防干涉等功能。

遠(yuǎn)程控制技術(shù)。采用擬人手法，把人的視覺、聽覺延伸到工作面，將工人從工作面“解放”出來。操作員根據(jù)獲取的信息，通過地面遠(yuǎn)程操作臺實現(xiàn)對綜采設(shè)備遠(yuǎn)程在線控制和集中調(diào)度，達(dá)到遠(yuǎn)程控制的目的。

成果應(yīng)用

該系統(tǒng)在陜煤集團(tuán)紅柳林煤礦7.2 m大采高工作面完成了工程示范，并在神華寧煤、陽煤等復(fù)雜條件中厚煤層，冀中能源、陜煤黃陵、同煤薄煤層，中煤平朔放頂煤等15個工作面推廣應(yīng)用，取得了顯著效益。

陜煤化集團(tuán)黃陵礦業(yè)有限公司一號煤礦1001工作面是推廣應(yīng)用的典型案例，率先實現(xiàn)了地面調(diào)度指揮中心遠(yuǎn)程操控。綜采工作面由原來的11人聯(lián)合作業(yè)遞減至3人隨機(jī)監(jiān)護(hù)，做到了綜采工作面遠(yuǎn)程控制無人開采，開創(chuàng)了國產(chǎn)裝備工作面無人化的先河。該工作面正式投運(yùn)以來，整套生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行實現(xiàn)了常態(tài)無人化，穩(wěn)定可靠，取得日連續(xù)推進(jìn)16刀的最高記錄，具備了年產(chǎn)煤炭200萬t能力，實現(xiàn)了減人提效。此項目的成功應(yīng)用，改變了工人的作業(yè)模式，改善了工人的作業(yè)環(huán)境，對提高生產(chǎn)效率、降低工人勞動強(qiáng)度、減少職業(yè)危害、加強(qiáng)現(xiàn)場安全管理具有重要意義，為我國綜采工作面無人化開采，尤其為薄及較薄煤層工作面無人化、少人化開采提供了一條切實可行的路子。

2014年，中國煤炭工業(yè)協(xié)會組織專家對“1.4～2.2 m煤層國產(chǎn)綜采裝備無人化技術(shù)研究與應(yīng)用”項目進(jìn)行了科技成果鑒定，整體技術(shù)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

發(fā)展前景

據(jù)不完全統(tǒng)計，我國綜采工作面數(shù)量將近3 000個，其中使用液壓支架電液控制系統(tǒng)的工作面大概有450個，占15%，每年新增液壓支架電液控制系統(tǒng)的工作面近100個，而這些工作面都是實現(xiàn)無人化開采的基礎(chǔ)。

天地瑪珂公司在不斷完善可視遠(yuǎn)程干預(yù)無人化開采的基礎(chǔ)上，繼續(xù)探索智能自適應(yīng)無人化開采技術(shù)，預(yù)計在未來幾年， 隨著煤巖界面識別、自動找直、推進(jìn)度控制等關(guān)鍵技術(shù)問題得到逐步解決，無人化開采的應(yīng)用將按照以下兩種方式逐步推廣。

在少量地質(zhì)條件很好的礦井開始實現(xiàn)智能自適應(yīng)的無人開采，采煤生產(chǎn)班順槽控制中心有值班人員值守，系統(tǒng)自動運(yùn)行（特殊情況下少量干預(yù)）、工作面采場內(nèi)沒有人員。

在較大數(shù)量的地質(zhì)條件較好的礦井，采用遠(yuǎn)程干預(yù)式的少（無）人化開采，采煤生產(chǎn)班順槽控制中心控制人員，通過自動控制系統(tǒng)實時監(jiān)視、干預(yù)、控制主要生產(chǎn)設(shè)備，工作面采場內(nèi)只需要有一個不需要進(jìn)行生產(chǎn)操作的巡檢人員。

實習(xí)編輯 ? 趙 原endprint