文/馬成珠

基于三維數(shù)字模型的智能化割煤技術(shù)是煤炭開采信息化與工業(yè)化深度融合的一次變革，為解決長期困擾智能化開采中煤巖無法識別的技術(shù)難題提供了有效途徑，為采煤工作面智能化發(fā)展提供了全新選擇

2004年以來，國家能源神東煤炭集團開始探索研發(fā)采煤工作面自動化開采技術(shù)，先后形成了采煤機記憶割煤、液壓支架聯(lián)動跟機拉架推溜的自動化生產(chǎn)模式，在此基礎(chǔ)上，通過在采煤機機身加裝攝像頭，將采煤工作面視頻信息和采煤機、液壓支架等主要綜采設(shè)備操作功能以及主要顯示參數(shù)等信息外移至運輸順槽集中控制室，形成了可視化遠程集中控制干預(yù)的生產(chǎn)模式。但采用這兩種模式割煤時，一個共同的問題就是采煤機對工作面煤層頂?shù)鬃兓瘺]有識辨調(diào)整功能，并且由于電磁干擾等因素對記憶參數(shù)產(chǎn)生漂移現(xiàn)象，所以一般只能進行兩個循環(huán)作業(yè)后再由人工參與割一個循環(huán)，以此循環(huán)往復(fù)進行，采煤設(shè)備運行還沒有擺脫人工直接參與操作。此外，在采用遠程集中控制和干預(yù)模式進行生產(chǎn)時，由于攝像頭在有煤塵、噴霧水的工作面工作，視頻圖像模糊不清，從而影響了使用效果。

從2018年開始，神東煤炭集團在采煤機記憶割煤、支架自動跟機拉架推溜和可視化遠程集中控制干預(yù)的自動化開采模式基礎(chǔ)上，充分借鑒澳大利亞、德國和美國等發(fā)達國家領(lǐng)先的煤炭開采技術(shù)，進行新的探索創(chuàng)新，在榆家梁煤礦43101薄煤層長距離綜采工作面，探索應(yīng)用了基于三維數(shù)字模型的智能化割煤技術(shù)，取得良好應(yīng)用效果。

一、榆家梁煤礦43101 綜采工作面及設(shè)備配套基本情況

1.工作面基本情況

工作面煤層開采厚度1.4～1.6m，賦存穩(wěn)定，無夾矸。工作面設(shè)計長度（實體煤）為351.42m，工作面安裝液壓支架206臺。走向起伏角度不大于9°，一般為3°～5°；傾斜方向起伏角度不大于5°。煤巷斷面為矩形斷面，機頭順槽凈尺寸:寬×高=5500mm×2300mm（平均），最低2200mm；機尾順槽凈尺寸:寬×高=5500mm×2500mm（平均），最低2300mm。

2.工作面主要設(shè)備配套情況

采煤機選用MG2×200/890-WD1型，采高范圍1.3～2.5m，總裝機功率為8 9 0 kW。支架選用Z Y920 0-0 9-18D型二柱掩護式液壓支架，支護強度為0.9 9～1.0 6 M P a。刮板機選用S GZ 8 0 0/14 0 0 型，裝機功率為2×700kW。轉(zhuǎn)載機選用SZZ1000/400型，裝機功率為400kW。破碎機選用PLM2000型破碎機，功率為375kW。

二、43101 采煤工作面智能化割煤技術(shù)路線和實施方案

1.構(gòu)建以太環(huán)網(wǎng)通訊網(wǎng)絡(luò)

從運輸順槽監(jiān)控中心將光纜敷設(shè)至工作面機尾，其中，在工作面每6臺支架串接1臺1000M綜合接入器，接入器與接入器之間采用8芯電纜連接，形成一套大流量、高速穩(wěn)定的1000兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)。

目前，工作面以太網(wǎng)通訊技術(shù)以千兆綜合接入器為基礎(chǔ)，形成總體千兆以太環(huán)網(wǎng)為主、多個局部以太環(huán)網(wǎng)為輔的多種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)融合的通訊網(wǎng)絡(luò)平臺。通過搭建此種拓撲結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，充分保障了工作面有線網(wǎng)絡(luò)通訊的順暢，解決了一個或者多個網(wǎng)絡(luò)斷點情況下，單一環(huán)網(wǎng)無法傳輸斷點間網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的問題。在此基礎(chǔ)上，工作面配置5.8GHz無線基站作為無線接入站點，實現(xiàn)了工作面的無線WiFi信號全覆蓋，并且做到了互為冗余，為工作面無線通訊設(shè)備提供遠距離無線寬帶快速接入網(wǎng)絡(luò)的通訊環(huán)境，這套通訊網(wǎng)絡(luò)為采煤工作面智能化建設(shè)起到基礎(chǔ)支撐作用。

2.建設(shè)設(shè)備集中控制系統(tǒng)

在工作面順槽部署了一個將視頻采集，音頻傳輸，網(wǎng)絡(luò)管理，數(shù)據(jù)分析、集成、存儲以及采煤機、液壓支架等主要設(shè)備的遠程干預(yù)控制等功能融為一體的集中控制中心，各控制系統(tǒng)支持Ethernet/IP、Modbus-TCP、Modbus-RTU等通訊協(xié)議，滿足《神東企業(yè)標準-礦山機電設(shè)備通信接口和協(xié)議》標準，可直接接入集控中心，減少了控制層級，提高了系統(tǒng)的可靠性和實時性。集中控制中心作為智能采煤工作面的“集控大腦”，可實現(xiàn)對工作面狀況及設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)視和遠程干預(yù)控制。

集中控制中心硬件方面有監(jiān)控主機3臺，PAC控制器1臺，礦用本安型顯示器6臺，分別顯示支架視頻、煤壁視頻、支架監(jiān)控、泵站監(jiān)控、采煤機監(jiān)控、集中監(jiān)控畫面；礦用本安型操作臺2個（液壓支架遠程操作臺1個、采煤機操作臺1個），礦用本安型網(wǎng)絡(luò)交換機1臺，礦用喊話器1部。軟件方面開發(fā)了集中控制軟件，軟件架構(gòu)由驅(qū)動層、實時數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)可視化三大部分組成，每個層次獨立設(shè)置，可以靈活部署，構(gòu)建了集中式控制系統(tǒng)。在完成整體合理規(guī)劃布局、簡化布線的同時，還充分考慮使用感受等方面，包括外觀視覺、工人操作便捷等細節(jié)，體現(xiàn)人性化設(shè)計。

3. 巡檢機構(gòu)激光掃描和慣性導(dǎo)航技術(shù)

在43101采煤工作面布置了一臺巡檢機器人。機器人在刮板運輸機電纜槽的軌道上行走，以電池供電驅(qū)動行走機構(gòu)實現(xiàn)快速移動，最大巡檢速度為60m/min，10分鐘內(nèi)可完成全工作面激光掃描。在巡檢機器人上搭載了高精度激光掃描器和Lasc慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，巡檢機器人行走時，利用激光掃描器可實時對工作面采場工況進行三維掃描，獲得工作面煤層頂?shù)装迕簬r分界線數(shù)據(jù)，利用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)可實時檢測工作面刮板運輸機的直線度數(shù)據(jù)，然后巡檢機器人通過無線通訊局部網(wǎng)絡(luò)和1000兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)將這些數(shù)據(jù)準確、快速傳輸至集控中心，為自主智能化割煤提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

4.基于慣性導(dǎo)航Lasc的工作面自動找直

集控中心將巡檢機器人上搭載的慣性導(dǎo)航Lasc系統(tǒng)發(fā)來的數(shù)據(jù)發(fā)給支架控制主機，然后支架控制主機下發(fā)給支架控制器，控制器會根據(jù)收到的數(shù)據(jù)在割下一刀煤時，通過對每個支架推移行程單獨閉環(huán)控制來實現(xiàn)工作面自動找直（誤差±500mm以內(nèi)），滿足了自動化開采模式下綜采工作面自動連續(xù)推進的要求。

5.構(gòu)建遠程監(jiān)控系統(tǒng)

工作面安裝了適應(yīng)薄煤層特點的高清晰度的微型攝像儀，工作面每隔3架安裝1臺朝煤壁方向、每隔6架安裝1臺朝刮板運輸機的固定視頻系統(tǒng)，做到了工作面視頻全覆蓋。巡檢機器人上還安裝了可見光高清攝像頭、紅外熱成像攝像儀和拾音器等設(shè)備。形成了以微型攝像儀為固定監(jiān)控方式、以巡檢機器人攝像儀和拾音器為移動監(jiān)控方式的工作面視頻音頻監(jiān)控體系。其中，巡檢機器人搭載的可見光高清攝像儀、紅外熱成像攝像儀和拾音器，不僅對固定視頻監(jiān)控盲區(qū)進行監(jiān)控，同時能夠識別工作面設(shè)備異常發(fā)熱和異響等問題。所有視頻音頻監(jiān)控信號均通過工作面工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實時上傳至順槽集控中心和地面服務(wù)器，操作人員在順槽集控中心實現(xiàn)割煤過程的實時監(jiān)控，實現(xiàn)了代人巡查功能。該系統(tǒng)實現(xiàn)了對工作面生產(chǎn)狀況、設(shè)備運行情況的全景監(jiān)控，保證了集控中心工作人員能夠及時發(fā)現(xiàn)、干預(yù)工作面異常狀況。

6.構(gòu)建具有絕對坐標的初始透明工作面數(shù)字模型

工作面生產(chǎn)前，將采煤工作面兩順槽揭露的煤層頂?shù)装迕簬r分界線標高數(shù)據(jù)，從回風(fēng)順槽超前工作面40～50m處平行于工作面向運輸順槽打定向鉆孔或采用物探的方法勘探待開采煤層頂?shù)装迕簬r分界線數(shù)據(jù)，以及在生產(chǎn)過程中每個圓班測得的工作面煤層頂?shù)装迕簬r分界線數(shù)據(jù)，均導(dǎo)入集控中心的地理信息系統(tǒng)（GIS）中，構(gòu)建出初始透明工作面數(shù)字模型，利用機頭1號支架安裝的高精度三維激光掃描器，掃描6號支架和運輸順槽中由全站儀確定的地理坐標導(dǎo)向點，利用機尾206架固定安裝的高精度三維激光掃描器，掃描200號支架和回風(fēng)順槽中由全站儀確定的地理坐標導(dǎo)向點，并經(jīng)以太環(huán)網(wǎng)將地理坐標數(shù)據(jù)傳至集控中心，再由集控中心將地理坐標數(shù)據(jù)與初始透明工作面數(shù)字模型集成，構(gòu)建成具有絕對坐標的初始透明工作面數(shù)字模型，實現(xiàn)了將待開采煤層由“不可知”的實體轉(zhuǎn)變?yōu)橐幌盗械娜S空間坐標數(shù)據(jù)，并將其保存到集控中心地質(zhì)模型庫中。

7.構(gòu)建具有絕對坐標的實時動態(tài)透明工作面數(shù)字模型

利用工作面巡檢機構(gòu)搭載的激光掃描器對全工作面進行掃描，將獲得的煤層頂?shù)装迕簬r分界線數(shù)據(jù)和安裝在液壓支架和刮板運輸機溜槽上的UWB雷達傳感器探測的煤層厚度數(shù)據(jù)，通過以太環(huán)網(wǎng)傳輸至集控中心，集控中心對初始透明工作面數(shù)字模型進行修正和更新，生成具有絕對坐標的實時動態(tài)透明工作面數(shù)字模型（精度為100mm），為智能化割煤提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

8.基于煤機滾筒智能調(diào)高的數(shù)字化割煤

集控中心在根據(jù)其生成的實時動態(tài)透明工作面數(shù)字模型，獲取每個截割位置的頂?shù)装鍞?shù)據(jù)基礎(chǔ)上，結(jié)合巡檢機構(gòu)上Lasc慣性導(dǎo)航系統(tǒng)實時檢測的刮板運輸機的直線度數(shù)據(jù)和采煤機上Lasc慣性導(dǎo)航系統(tǒng)實時確定的采煤機動態(tài)位置、姿態(tài)等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，再通過優(yōu)化算法，給出采煤機左右滾筒智能調(diào)整曲線和液壓支架直線度控制策略，實現(xiàn)了智能割煤和跟機自動移架推溜，從而實現(xiàn)綜采工作面自動化生產(chǎn)的目的。

三、智能化采煤技術(shù)應(yīng)用效果分析

神東煤炭集團在榆家梁煤礦43101薄煤層綜采工作面，對基于三維數(shù)字模型的數(shù)字化自主智能割煤技術(shù)，經(jīng)過一年多的探索研究取得了一定成效，主要有以下幾個方面。

一是該技術(shù)解決了長期困擾智能化開采煤巖無法識別的難題，通過預(yù)知煤層變化趨勢，識別出工作面當前精確坐標信息，實現(xiàn)沿煤層的自主割煤。

二是原先采煤工作面正常生產(chǎn)時，需要2名采煤機司機和2名支架工同時作業(yè)，現(xiàn)在只需在遠離采煤工作面的進風(fēng)順槽監(jiān)控中心，分別由1名采煤機司機和1名支架工進行可視化監(jiān)控和遠程干預(yù)操作，在工作面只有1人進行巡視作業(yè)。生產(chǎn)班人數(shù)由10人減為6人，直接生產(chǎn)工效提升了15.08%。

三是自主割煤和遠程干預(yù)技術(shù)的應(yīng)用，工作面沒有了直接操作人員，實現(xiàn)了“無人跟機，有人巡視”，將員工從薄煤層工作面空間受限爬行作業(yè)困難、粉塵及噪音危害大的艱苦環(huán)境中徹底解放出來，從源頭上保障了安全。

四、智能化采煤工作面存在的不足

一是由于技術(shù)和工藝原因，使用定向鉆機超前探測的工作面煤層頂?shù)装鍢烁邤?shù)據(jù)和激光掃描機器人掃描的采煤工作面煤層頂?shù)装鍢烁邤?shù)據(jù)，與實際值還有誤差，智能化控制系統(tǒng)集控中心還不能精準控制采煤機進行割煤，還需人工進行遠程干預(yù)。

二是巡檢機構(gòu)還未實現(xiàn)自主跟機，需要人員遠程操作，還需要進一步研究防撞和精確定位技術(shù)。

三是綜采設(shè)備性能的可靠性、穩(wěn)定性與自動化水平還不匹配，特別是國產(chǎn)設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性仍有待提升。如：設(shè)備材料質(zhì)量不過關(guān)，容易變形，緊固件容易松動甚至發(fā)生斷裂，這些都是制約智能生產(chǎn)連續(xù)性的重要因素。

五、結(jié)論

神東煤炭集團通過對智能化開采技術(shù)的研究和實踐，應(yīng)用采煤機基于三維數(shù)字模型的智能化割煤技術(shù)，取得了一系列的技術(shù)突破，探索出一條全新的智能化割煤工藝和路線。該項技術(shù)是煤炭開采信息化與工業(yè)化深度融合的一次變革，為解決長期困擾智能化開采中煤巖無法識別的技術(shù)難題提供了有效途徑，為采煤工作面智能化發(fā)展提供了全新選擇，為實現(xiàn)真正意義上的智能化工作面邁出了堅實的一步。當然，還有一些需要迫切解決的技術(shù)問題，如需要進一步在傳感、控制、物聯(lián)網(wǎng)和開采智能機器人等方面加大研發(fā)投入，以適應(yīng)復(fù)雜地質(zhì)條件下的智能化開采。

總之，這套智能化割煤技術(shù)方案在原理上是可行的，只要通過不斷進行技術(shù)和工藝優(yōu)化，逐一解決存在的問題，就能不斷提升智能化應(yīng)用水平。