楊俊哲 羅 文 楊俊彩

(神華神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西省神木市，719315)

神東礦區(qū)自1985年開(kāi)工建設(shè)以來(lái)，隨著開(kāi)采范圍和深度不斷加大，優(yōu)質(zhì)煤層資源量逐年減少，資源賦存條件和地質(zhì)構(gòu)造日趨復(fù)雜，礦井安全管理難度越來(lái)越大。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展、人民生活水平的提高和勞動(dòng)人口紅利的消失，企業(yè)普遍出現(xiàn)了招工難現(xiàn)象。尤其是煤炭企業(yè)大都遠(yuǎn)離城市，作業(yè)環(huán)境偏遠(yuǎn)，生活、居住、醫(yī)療、教育資源相對(duì)匱乏。為破解上述面臨的安全、用工難題，神東煤炭集團(tuán)積極與科研院所、設(shè)備廠(chǎng)家聯(lián)合攻關(guān)，在榆家梁煤礦43305工作面進(jìn)行了神東礦區(qū)首個(gè)真正意義上的自動(dòng)化開(kāi)采試驗(yàn)，取得了1.5～2.0 m厚煤層最高日產(chǎn)9730 t的生產(chǎn)記錄，實(shí)現(xiàn)同等條件下少用工15人的成績(jī)。隨后在石圪臺(tái)煤礦應(yīng)用天地瑪珂公司的視頻全景拼接技術(shù)和集中控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程集中操控和一鍵啟停，為實(shí)現(xiàn)工作面無(wú)人開(kāi)采奠定了基礎(chǔ)。以錦界數(shù)字礦山示范礦井為標(biāo)志，形成了具有神東煤炭集團(tuán)乃至國(guó)家能源集團(tuán)特色的數(shù)字礦井建設(shè)模式。

1 神東智能采煤技術(shù)的發(fā)展歷程

20世紀(jì)90年代，神東礦區(qū)引進(jìn)了成套綜采設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了全機(jī)械化開(kāi)采工藝。2004年開(kāi)始探索自動(dòng)化開(kāi)采工藝，通過(guò)引進(jìn)進(jìn)口自動(dòng)化割煤技術(shù)，與國(guó)內(nèi)相關(guān)廠(chǎng)家合作、消化、吸收，研發(fā)出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的綜采自動(dòng)化技術(shù)；神東礦區(qū)綜采自動(dòng)化技術(shù)先后經(jīng)歷了自動(dòng)化1.0、自動(dòng)化2.0、自動(dòng)化3.0和自動(dòng)化4.0階段。

(1)自動(dòng)化1.0階段：1997年，神東礦區(qū)引進(jìn)了第一套綜采電液控制系統(tǒng)，首次通過(guò)電液控方式，取代了手工操作，實(shí)現(xiàn)了液壓支架單機(jī)自動(dòng)化控制，提高了生產(chǎn)效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，但對(duì)自動(dòng)化割煤及設(shè)備聯(lián)動(dòng)等技術(shù)難題沒(méi)有完善的解決方案，如圖1所示。

圖1 自動(dòng)化1.0階段

(2)自動(dòng)化2.0階段：2004-2008年，分別在榆家梁礦、大柳塔礦、哈拉溝礦、錦界礦等共試驗(yàn)了7個(gè)綜采自動(dòng)化工作面，實(shí)現(xiàn)了工作面中部采煤機(jī)記憶割煤和支架跟機(jī)拉架。該階段主要特征是以進(jìn)口設(shè)備及控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)記憶割煤、支架自動(dòng)跟機(jī)拉架、遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)上傳功能。以PLC為控制核心，分布式控制設(shè)備，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳，采煤機(jī)、三機(jī)等遠(yuǎn)程啟停。在自動(dòng)化1.0基礎(chǔ)上增加了采煤機(jī)跟機(jī)拉架和遠(yuǎn)程操作，如圖2所示。

圖2 自動(dòng)化2.0階段

(3)自動(dòng)化3.0階段：2008-2014年，在榆家梁煤礦43305面實(shí)施薄煤層自動(dòng)化工作面，實(shí)現(xiàn)了支架跟機(jī)自動(dòng)化、采煤機(jī)記憶割煤、采煤機(jī)隨機(jī)視頻、機(jī)頭遠(yuǎn)程控制采煤機(jī)等技術(shù)。該階段主要特征是控制系統(tǒng)核心使用IPC工控機(jī)代替PLC。系統(tǒng)接口標(biāo)準(zhǔn)化程度高，操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性強(qiáng)。應(yīng)用高清攝像機(jī)視頻拼接技術(shù)，集控臺(tái)司機(jī)可以利用全景畫(huà)面進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，如圖3所示。

(4)自動(dòng)化4.0階段：以區(qū)域自動(dòng)化建設(shè)和錦界煤礦數(shù)字礦山建設(shè)為代表建成了覆蓋井下的“一網(wǎng)一站”煤礦綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了井下精確定位、IP廣播、無(wú)線(xiàn)和有線(xiàn)調(diào)度通訊、工業(yè)電視的多網(wǎng)融合和共用，統(tǒng)一了接口標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，一套系統(tǒng)控制所有設(shè)備，電控系統(tǒng)全部國(guó)產(chǎn)化，實(shí)現(xiàn)了采煤工作面控制臺(tái)電工、機(jī)頭看護(hù)工、膠帶機(jī)自移機(jī)尾司機(jī)的“三崗合一”，變電所、水泵房等固定崗位全部實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守。自動(dòng)化在神東煤炭集團(tuán)的變遷與發(fā)展如圖4所示。

圖3 自動(dòng)化3.0階段

圖4 自動(dòng)化各階段示意圖

2 神東智能采煤技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)

神東礦區(qū)在探索自動(dòng)化開(kāi)采的過(guò)程中，逐步形成了以記憶割煤、跟機(jī)拉架、視頻拼接、遠(yuǎn)程干預(yù)、協(xié)同控制為核心特征的智能采煤技術(shù)。

2.1 記憶割煤技術(shù)

采煤機(jī)記憶割煤是在人工操作和機(jī)器學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，采煤機(jī)按照學(xué)習(xí)的情況進(jìn)行重復(fù)記憶割煤。人工割煤時(shí)，通過(guò)安裝在采煤機(jī)搖臂和行走部件上的傳感器，監(jiān)測(cè)記錄采煤機(jī)對(duì)應(yīng)位置的行走方向、傾向、走向角度和滾筒位置數(shù)據(jù)。激活自動(dòng)化記憶割煤時(shí)，采煤機(jī)根據(jù)存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)自動(dòng)調(diào)整滾筒高度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化割煤，并可通過(guò)自動(dòng)化參數(shù)設(shè)置對(duì)工作面規(guī)律性的變化進(jìn)行調(diào)整，如圖5所示。

采煤機(jī)記憶割煤有3種作業(yè)工藝：

(1)采煤機(jī)底滾筒隨動(dòng)割煤。該工藝要求必須有1名采煤機(jī)司機(jī)跟機(jī)操作，在低采高條件下，當(dāng)采煤機(jī)速度超過(guò)6 m/min時(shí)，跟機(jī)操作困難，安全隱患大，勞動(dòng)強(qiáng)度高，工作面生產(chǎn)能力受到嚴(yán)重制約。

(2)采煤機(jī)記憶割煤。該工藝通過(guò)采煤機(jī)記錄的人工割煤數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)割煤，但該工藝不能對(duì)工作面內(nèi)的設(shè)備運(yùn)行狀況、煤層變化、人員進(jìn)入等進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)與調(diào)整，工作面人員及設(shè)備運(yùn)行安全、煤質(zhì)得不到保證。

(3)采煤機(jī)記憶割煤加遠(yuǎn)程干預(yù)工藝。該工藝通過(guò)采煤機(jī)或支架上的攝像頭對(duì)工作面進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視與記錄，可通過(guò)遠(yuǎn)程干預(yù)實(shí)時(shí)調(diào)整采高，并且解決工作面內(nèi)人員和設(shè)備的安全問(wèn)題。

宮頸內(nèi)膜樣腺癌、絨毛狀腺癌的ER和PR 同時(shí)陽(yáng)性率高于其他病理亞型，但無(wú)明顯統(tǒng)計(jì)學(xué)差異;不同病理亞型之間無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。宮頸腺癌、黏液腺癌、絨毛狀腺癌、內(nèi)膜樣腺癌、透明細(xì)胞癌中ER、PR同時(shí)陰性率較陽(yáng)性率高，具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P<0.05)，見(jiàn)表1。

圖5 采煤機(jī)記憶割煤示意圖

2.2 跟機(jī)拉架技術(shù)

跟機(jī)拉架技術(shù)是通過(guò)液壓支架與采煤機(jī)的耦合聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)割煤后，液壓支架滯后一段距離按照事先設(shè)定的規(guī)則自主完成前移支架和推移刮板輸送機(jī)。在工作面兩端頭位置，液壓支架可配合采煤機(jī)實(shí)現(xiàn)斜切進(jìn)刀，跟機(jī)拉架技術(shù)如圖6所示。

圖6 跟機(jī)自動(dòng)拉架示意圖

采煤機(jī)和支架之間的信息交互、工作面液壓系統(tǒng)的自動(dòng)控制功能是實(shí)現(xiàn)跟機(jī)拉架的關(guān)鍵。實(shí)現(xiàn)跟機(jī)拉架需要滿(mǎn)足3個(gè)條件。

(1)獲取采煤機(jī)準(zhǔn)確位置。獲取采煤機(jī)位置有兩種方式：一是紅外線(xiàn)采集采煤機(jī)位置，二是通過(guò)與采煤機(jī)通信實(shí)現(xiàn)。

(2)工作面設(shè)備可靠度要高。包括工作面設(shè)備傳感器運(yùn)行正常且采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、傳感器與控制臺(tái)通信正常、所有支架液壓與電控系統(tǒng)工作正常，能保證支架動(dòng)作到位。

(3)控制臺(tái)各自動(dòng)化參數(shù)設(shè)置正確。

具備上述條件后，通過(guò)液壓支架上的紅外線(xiàn)接收器接收采煤機(jī)紅外線(xiàn)信號(hào)，檢測(cè)采煤機(jī)的位置和方向，提供液壓支架與采煤機(jī)聯(lián)動(dòng)信息。通過(guò)集中控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)與液壓支架的聯(lián)動(dòng)。主要難點(diǎn)在于支架移架速度與采煤機(jī)速度不匹配、移架或推移刮板機(jī)不到位、支架接頂不嚴(yán)、護(hù)幫板收打不到位、傳感器或通信故障等。

2.3 自動(dòng)找直技術(shù)(LASC)

在工作面推采過(guò)程中，為使支架和刮板機(jī)姿態(tài)及受力狀態(tài)最佳，應(yīng)保持工作面直線(xiàn)度且與走向保持垂直。為實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，需結(jié)合地理信息系統(tǒng)，準(zhǔn)確獲取采煤機(jī)的位置和運(yùn)動(dòng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的自主導(dǎo)航割煤，并通過(guò)截割模型將采煤機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)與液壓支架電液控制系統(tǒng)關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)“三機(jī)”聯(lián)動(dòng)。該技術(shù)的核心是安裝慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、搖臂擺角傳感器、采煤機(jī)位置測(cè)量系統(tǒng)等實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)精確定位、采高實(shí)時(shí)測(cè)量、煤機(jī)速度與方向測(cè)量、煤機(jī)機(jī)身姿態(tài)檢測(cè)、工作面直線(xiàn)度測(cè)量等，輔助以工作面地質(zhì)模型，可實(shí)現(xiàn)保持工作面平直、采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高等功能。

圖7 自動(dòng)找直現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)圖

2.4 工作面視頻拼接與監(jiān)控技術(shù)

工作面視頻拼接與監(jiān)控技術(shù)是指將綜采工作面內(nèi)的設(shè)備運(yùn)行整體狀態(tài)以畫(huà)面形式實(shí)時(shí)呈現(xiàn)的技術(shù)，用于作業(yè)人員遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)查看工作面內(nèi)采煤機(jī)滾筒、液壓支架、刮板機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)工作面生產(chǎn)條件有變化、工作面或設(shè)備偏離正常工作軌跡時(shí)，作業(yè)人員通過(guò)集控臺(tái)對(duì)工作面設(shè)備進(jìn)行人工干預(yù)操作，如當(dāng)液壓支架的拉架、推溜不到位或者工作面遇到頂板變化時(shí)人工遠(yuǎn)程干預(yù)調(diào)整。該技術(shù)的核心是現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景的智能識(shí)別、捕捉和感知、動(dòng)態(tài)追蹤和接力、實(shí)時(shí)處理和畫(huà)面拼接再現(xiàn)技術(shù)。最終目的是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)、連續(xù)地監(jiān)護(hù)采煤機(jī)前后滾筒姿態(tài)和全工作面的生產(chǎn)狀況。通過(guò)該套視頻采集、傳輸及顯示系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)自動(dòng)化綜采工作面的全程視頻追蹤，為無(wú)人工作面的實(shí)現(xiàn)夯實(shí)基礎(chǔ)，視頻拼接截圖如圖8所示。

2.5 遠(yuǎn)程干預(yù)技術(shù)

遠(yuǎn)程干預(yù)是在工作面設(shè)備故障、運(yùn)行不正?；蛎簩淤x存發(fā)生變化時(shí)，操作人員可遠(yuǎn)程發(fā)現(xiàn)并對(duì)設(shè)備進(jìn)行人工調(diào)整，以防止影響工作面正常割煤或出現(xiàn)安全事故。實(shí)現(xiàn)途徑為在原有控制系統(tǒng)中加裝一套遠(yuǎn)程集中控制系統(tǒng)，如圖9所示，通過(guò)通信光纜將采煤機(jī)遙控器移至控制臺(tái)，將作業(yè)人員從工作面移至工作面主控制臺(tái)處，使作業(yè)人員可以根據(jù)工作面控制臺(tái)計(jì)算機(jī)提供的數(shù)據(jù)和信息，對(duì)采煤機(jī)和液壓支架自動(dòng)割煤過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，實(shí)施遠(yuǎn)程人工干預(yù)。主要技術(shù)難點(diǎn)為干遠(yuǎn)程控制技術(shù)和視頻監(jiān)視系統(tǒng)的可靠性不高。

圖8 視頻拼接截圖

圖9 集控中心架構(gòu)圖

2.6 數(shù)據(jù)集成通信技術(shù)

為解決神東礦區(qū)工作面設(shè)備類(lèi)型多、廠(chǎng)家多、接口不統(tǒng)一、協(xié)議不統(tǒng)一造成的自動(dòng)化工作面數(shù)據(jù)上傳與集成困難的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)智能開(kāi)采模式的可復(fù)制、設(shè)備的可替換，起草并制定《礦山機(jī)電設(shè)備通信接口和協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)》，達(dá)到井下設(shè)備“即插即用、自識(shí)別”的目標(biāo)?！兜V山機(jī)電設(shè)備通信接口和協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)》分為《以太網(wǎng)EtherNet/IP協(xié)議規(guī)范總則》、《擴(kuò)展對(duì)象庫(kù)》、《采煤機(jī)設(shè)備行規(guī)》等11個(gè)部分。

3 神東智能采煤技術(shù)應(yīng)用案例

錦界煤礦31114工作面位于31煤層一盤(pán)區(qū)集中輔運(yùn)大巷一段北側(cè)，煤層底板標(biāo)高1119.1～1135.5 m。工作面運(yùn)輸平巷推進(jìn)長(zhǎng)度5189 m、回風(fēng)平巷推進(jìn)長(zhǎng)度5254.6 m，切眼長(zhǎng)度369.4 m，沿工作面回采方向推進(jìn)時(shí)，煤層整體變化不大，煤層傾角為1°，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤層相對(duì)穩(wěn)定；煤層厚度3.05～3.53 m，平均厚度3.27 m。工作面可采面積為1927415.3 m2，工業(yè)儲(chǔ)量813萬(wàn)t。

工作面直接頂巖性為粉砂巖，局部夾細(xì)砂巖薄層，平均飽和抗壓強(qiáng)度41.6 MPa，直接頂屬于II類(lèi)中等穩(wěn)定頂板。基本頂巖性為細(xì)砂巖、粉砂巖，平均飽和抗壓強(qiáng)度為40.9 MPa，屬于I～I(xiàn)I級(jí)，局部存在偽頂，巖性為泥巖，直接底為粉砂巖或泥巖，平均飽和抗壓強(qiáng)度為37.3～41.2 MPa，工作面底板分類(lèi)屬I(mǎi)V類(lèi)、中硬類(lèi)底板，具體如表1所示。

31114工作面基本初次垮塌正常涌水量115 m3/h，最大涌水量250 m3/h；生產(chǎn)期間正常涌水量425 m3/h，最大涌水量850 m3/h。工作面除采煤機(jī)、乳化泵和噴霧泵外，全部為國(guó)產(chǎn)設(shè)備，采用常州聯(lián)力集中控制系統(tǒng)如表2所示。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

表2 工作面設(shè)備配備明細(xì)表

隊(duì)伍生產(chǎn)班定員10人，考慮輪休、學(xué)習(xí)等，每班出勤7人。班長(zhǎng)1人，采煤機(jī)司機(jī)1人，支架工1人，三崗合一1人，超前支護(hù)工3人，全隊(duì)定員較非自動(dòng)化工作面少用工15人，節(jié)約用工成本210萬(wàn)元/a，工作面月生產(chǎn)能力51萬(wàn)t，工效402 t/工，生產(chǎn)效率提高17.54%。

4 智能開(kāi)采技術(shù)展望

神東煤炭集團(tuán)通過(guò)多年的自動(dòng)化開(kāi)采實(shí)踐，以工作面自動(dòng)化、視頻拼接與監(jiān)控、遠(yuǎn)程干預(yù)等手段初步實(shí)現(xiàn)了工作面的少人、無(wú)人開(kāi)采，取得了一定的成績(jī)。但是煤礦井下地質(zhì)條件多變，已揭露圍巖的特征及裝備狀態(tài)感知、獲取及辨識(shí)難度大，開(kāi)采擾動(dòng)下圍巖動(dòng)態(tài)變化規(guī)律等動(dòng)態(tài)變化，因而無(wú)法準(zhǔn)確推理尚未揭露煤巖的賦存狀態(tài)及其演化趨勢(shì)，不能做到整個(gè)開(kāi)采系統(tǒng)的“透明化”，導(dǎo)致裝備無(wú)人化割煤缺乏分析判斷。同時(shí)井下惡劣的作業(yè)環(huán)境對(duì)視頻遠(yuǎn)程干預(yù)技術(shù)應(yīng)用構(gòu)成了很大的挑戰(zhàn)。當(dāng)工作面粉塵濃度大時(shí)，能見(jiàn)度很低。因此，需進(jìn)一步研究新的圖像識(shí)別與視頻增強(qiáng)技術(shù)，以解決惡劣環(huán)境下的視頻拼接與監(jiān)控難題。

依據(jù)國(guó)家能源局《能源技術(shù)創(chuàng)新“十三五”規(guī)劃》、《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃》(2016-2030年)，神東集團(tuán)著力研究基于透明工作面構(gòu)建、采煤機(jī)智能調(diào)高、煤巖識(shí)別等核心技術(shù)為特征的全智能、自感知、自調(diào)節(jié)的真正意義上的井下無(wú)人開(kāi)采技術(shù)。

神東集團(tuán)正在試圖通過(guò)激光掃描裝置，實(shí)現(xiàn)全工作面的掃描和集成，并結(jié)合地測(cè)數(shù)據(jù)和參照坐標(biāo)，構(gòu)建具有絕對(duì)坐標(biāo)的數(shù)字化工作面模型。從地理信息系統(tǒng)中導(dǎo)入地質(zhì)數(shù)據(jù)，將地質(zhì)數(shù)據(jù)自動(dòng)轉(zhuǎn)換成三維地質(zhì)模型，并保存到地質(zhì)模型庫(kù)中。通過(guò)激光掃描(SLAM)井下巷道空間生成點(diǎn)云并導(dǎo)入，與三維地質(zhì)模型集成，形成高精度井下空間模型。在綜采面割煤過(guò)程中，動(dòng)態(tài)掃描工作面新開(kāi)采空間并將點(diǎn)云導(dǎo)入，及時(shí)更新井下空間模型。與工作面綜采設(shè)備聯(lián)線(xiàn)集成，及時(shí)獲取工作面各種傳感信息，傳感信息被保存到傳感信息庫(kù)中。利用最新的井下空間三維模型、綜采設(shè)備三維及物理模型、工作面?zhèn)鞲袛?shù)據(jù)，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)，能夠基于綜采工作面當(dāng)前狀態(tài)對(duì)未來(lái)一段時(shí)間的推進(jìn)過(guò)程進(jìn)行預(yù)演，提前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，為生產(chǎn)提供指導(dǎo)信息。透明工作面建設(shè)如圖10所示。

圖10 透明工作面構(gòu)建示意圖

目前，神東集團(tuán)正在榆家梁煤礦43101工作面試點(diǎn)以透明工作面構(gòu)建技術(shù)為基礎(chǔ)，以視頻識(shí)別、測(cè)煤厚雷達(dá)、采煤機(jī)隨機(jī)電纜自動(dòng)拖拽等關(guān)鍵突破點(diǎn)進(jìn)行工作面無(wú)人巡視，自動(dòng)化割煤嘗試。

2020年4月，神東集團(tuán)將試用一套來(lái)自波蘭法穆?tīng)柟镜谋∶簩泳C采工作面“黑龍”系統(tǒng)成套設(shè)備，是介于刨煤機(jī)與長(zhǎng)壁采煤機(jī)之間的新型產(chǎn)品，其特點(diǎn)是煤層剝落方式采用旋轉(zhuǎn)滾筒，行走方式采用鏈牽引系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，截割采用垂直進(jìn)刀方式，提高推進(jìn)效率，自動(dòng)化將更容易實(shí)現(xiàn)，具有專(zhuān)用的電纜拖曳裝置，避免電纜重復(fù)折返破壞和卡阻、掉道，預(yù)期可以完全實(shí)現(xiàn)工作面無(wú)人開(kāi)采。