胡安昌

（內蒙古福城礦業(yè)有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 016200）

目前我國智能化無人開采技術發(fā)展處于起步階段，尤其是大采智能化開采技術處于不斷探索和研究階段。許多礦產也進行了試驗，但是面對智能化工作面建設過程中遇到的“礦巖識別”的世界性難題的技術瓶頸，均未取得實質性突破，福城某礦在建設智能化工作面的過程中采取以“網絡通訊為基礎、采礦機記憶截割、液壓支架自動跟機、遠程集中控制、視頻監(jiān)控為手段”加以解決，達到智能綜采的常態(tài)化應用[1]。

1 煤礦綜采工作面自動化技術的分析

1.1 支撐技術自動化

傳統(tǒng)的煤礦開采中，大部分情況下都是利用四連桿液壓支架完成礦產的采礦工作，這種方式可以達到預期的支撐效果，但是美中不足，四連桿液壓支架的自重非常大，并不適用薄礦層的開采。薄礦層的開采需要調整四連桿液壓支架的結構，促使其可以支撐住油缸，還能對油缸兩端鉸接頂梁和底座進行有效的支撐，改良后的支撐技術，不僅能夠控制油缸的位置，還能夠控制頂梁的狀態(tài)，經過以上的調整和改良，這種架構不僅增加了支撐的承重量，與此同時還保證支撐結構總體的平穩(wěn)、安全，達到了提升加固的目標。這種支撐架構需要實現(xiàn)對支架的自動化控制，要運用紅外線的發(fā)射和接受設備輔助實現(xiàn)。如此一來，支架能夠滿足自動化控制的要求，并且符合采礦設備對位置的要求。另外，采礦機械裝備要依靠線纜連接傳輸信息，線纜長期處在復雜惡劣的環(huán)境中。為了確保線纜傳輸?shù)陌踩头€(wěn)定性，在支撐結構上安裝攝像頭，不僅對線纜系統(tǒng)提供了實時監(jiān)控，也實現(xiàn)了支撐結構的可視化操作。

1.2 采礦機自動化

在薄礦層的開采過程中，受到采礦設備的限制，導致薄礦層的開采量占比很小，采礦機需要利用機身和自重都相對較小的設備進入巷道，盡可能的避免采礦機器斜切進刀進行開采工作。傳統(tǒng)舊式的采礦機通信系統(tǒng)不發(fā)達，自動化的水平低，薄礦層開采技術落后導致薄礦層的產量很低。綜采工作面自動化技術的應用，全面優(yōu)化了采礦機的機械設備和軟件系統(tǒng)，并且構建了雙向通信系統(tǒng)，實現(xiàn)了采礦過程中的數(shù)據(jù)收集、處理，精確的轉子轉速的計算，從而有效掌控了采礦裝備的牽引速度，提升了礦產的開采效率。然而采礦機自動化技術的全面實現(xiàn)要將監(jiān)控中心、載波信號和采礦裝備的傳送機信號有效的聯(lián)系在一起，形成集中化把控管理，降低運行成本的同時，實現(xiàn)高質量的管理。

2 智能化聯(lián)動綜采作業(yè)技術

針對傳統(tǒng)綜采技術方案中綜采作業(yè)面空間狹小，生產過程中極易出現(xiàn)阻塞現(xiàn)象及采礦機、刮板輸送機、液壓支架之間的配合采用人工跟機調整方式，精度低、可靠性差，無法滿足無人化綜采作業(yè)需求的現(xiàn)狀，提出了智能化聯(lián)動綜采作業(yè)技術方案。通過制定無人化綜采作業(yè)技術路線，提升了三機聯(lián)動控制的精度，優(yōu)化了綜采作業(yè)工藝，實現(xiàn)了井下綜采作業(yè)設備的聯(lián)動控制和綜采作業(yè)的連續(xù)性[2]。

設定無人化綜采作業(yè)技術路線，目的在于根據(jù)井下綜采作業(yè)流程及各機械設備之間的聯(lián)動配合關系，針對性地制訂無人綜采作業(yè)技術流程。由于礦產井下地質條件復雜、能見度低下，本文提出了以慣性導航技術為核心的無人綜采作業(yè)方案，有效地解決了井下機械設備定位精度差、協(xié)同作業(yè)困難的問題，形成了以礦產井下智能聯(lián)動控制為主，地面控制中心遠程輔助控制為輔的無人化綜采智能控制模式。在實際應用中，先通過慣性導航系統(tǒng)判斷采礦機、刮板輸送機、液壓支架的相對位置，根據(jù)采礦機的位置和綜采作業(yè)狀態(tài)，實現(xiàn)對刮板輸送機和液壓支架運行狀態(tài)的自動調整。同時為了確保聯(lián)動控制的精確性和有效性，設置在“三機”上的傳感器設備能夠及時將“三機”的運行姿態(tài)傳遞到地面上的監(jiān)控中心，實現(xiàn)對井下聯(lián)動運行的實時監(jiān)控和調整。

針對傳統(tǒng)綜采作業(yè)過程中出現(xiàn)的綜采作業(yè)面空間狹小，生產過程中極易出現(xiàn)阻塞的情況，本文提出了單向截割綜采技術方案。在綜采作業(yè)過程中，截割方向能夠始終與礦流方向保持一致，因此，能夠有效解決綜采作業(yè)過程中大塊煤炭引發(fā)的卡阻現(xiàn)象。另外，由于順煤流切割，能夠使井下的視頻監(jiān)控系統(tǒng)獲得一個相對較好的監(jiān)控環(huán)境，確保了地面監(jiān)控中心對井下無人化綜采作業(yè)監(jiān)控的準確性。

3 煤礦井下無人化綜采作業(yè)的安全保障體系

為了確保煤礦井下無人化綜采作業(yè)過程的安全性，同步建立了綜采面的安全保障體系，實現(xiàn)了對綜采作業(yè)過程中防火、防瓦斯、防塌方的控制，具體包括以下3點：①建立煤礦井下通風安全監(jiān)測與控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對井下通風狀態(tài)的實時監(jiān)測和動態(tài)調控，確保井下通風安全。②建立煤礦井下瓦斯預警體系，對不同區(qū)域的瓦斯含量進行全覆蓋監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結果及時調整通風系統(tǒng)的通風狀態(tài)，確保井下瓦斯含量始終處于安全水平。另外，建立煤礦自燃防火監(jiān)測體系，對井下的重點自燃區(qū)域進行監(jiān)測，形成以阻化劑防火為主、以注凝膠防火為輔的井下防自燃控制系統(tǒng)。③建立以超前支護、臨時支護、頂板安全監(jiān)測為主的巷道頂板穩(wěn)定性控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對頂板工作穩(wěn)定性的連續(xù)監(jiān)測和預警，確保了綜采作業(yè)的安全。采用無人化綜采作業(yè)技術方案極大地提升了綜采面的自動化和無人化程度，能夠將綜采作業(yè)面的人員數(shù)量減少90%以上，工作時安全性將得到極大的提升。

4 關鍵系統(tǒng)組成

智能化工作面系統(tǒng)由順槽控制中心，地面調度室，支架電液控制系統(tǒng)，采煤機控制系統(tǒng)，三機/ 順槽皮帶控制系統(tǒng)，泵站控制系統(tǒng)，視頻系統(tǒng)，工作面礦壓監(jiān)測系統(tǒng)，工作面智能照明系統(tǒng)，工作面人員定位系統(tǒng)，工作面智能噴霧和工作面環(huán)境監(jiān)測等子系統(tǒng)組成。

5 系統(tǒng)建設調試方案

（1）泵站列車入井后，施工泵站列車動力線接線、泵站RS485通訊線的鋪設、泵站交換機接線，鋪設井下環(huán)網交換機至井下集控室的光纜、井下集控室至泵站列車的光纜、井下集控室至泵站語音通訊線。以上工作在設備列車入井前完成，為調試地面調度室至井下集控室、井下集控室至泵站列車的數(shù)據(jù)通訊及語音通訊做好準備。

（2）設備列車入井，集控室到位后，對井下環(huán)網交換機、泵站列車、設備列車的光纜進行熔接。安排人員對設備列車的動力線及RS485 通訊線進行鋪設。光纜熔接完畢，設備列車送電后，組織技術人員對井下集控室至泵站及地面調度的數(shù)據(jù)通訊，語音通訊、集控室至泵站的語音通訊、泵站及設備列開關的數(shù)據(jù)通訊、三機設備的單啟單停，一鍵啟停、泵站的單控及集控進行調試。調試應在支架安裝三分之一之前完成。調試期間可以組織人員對集控室至采面的通訊光纜、集控室至采面的語音通訊線進行鋪設。

（3）采面轉載機、破碎機、輸送機機頭安裝完畢后動力線、狀態(tài)監(jiān)測通訊線及時對接，為采面三機聯(lián)合試車提前做好準備。

（4）支架安裝10架左右時，安排專人對支架電液控、視頻監(jiān)控、語音通訊、采面數(shù)據(jù)交換機、采礦機通訊載波、架間照明線路進行安裝。由技術科協(xié)調信息化科對采面通訊光纜進行熔接。以上工作根據(jù)支架安裝進度及時跟進，為調試采面支架數(shù)據(jù)通訊、視頻通訊，采礦機載波通訊做好準備。

（5）支架安裝近三分之一時，支電液控及時送電，由瑪珂人員對支架程序、視頻監(jiān)控、及相關姿態(tài)參數(shù)進行初調。并根據(jù)采面支架安裝進度，跟進調試進度，為采面設備安裝完畢后的聯(lián)調做好準備。

（6）采礦機安裝完畢后，對采煤機慣性導航、采礦機紅外發(fā)射、射頻發(fā)射裝置進行安裝。為調試采礦機通訊做好準備。

（7）采面三機聯(lián)合試運轉時，應實現(xiàn)地面調試室、井下集控室對采面的語音通訊、三機設備的一鍵啟停，單起單控、采面視頻監(jiān)控、三機狀態(tài)監(jiān)測、開關狀態(tài)顯示、采礦機數(shù)據(jù)顯示、支架狀態(tài)顯示、支架遠控等功能的正常控制及顯示。

6 智能化綜采工作面應用成效

（1）通過由以太網液壓支架控制器組成的工作面以太網數(shù)據(jù)傳輸平臺，將液壓支架電液控制系統(tǒng)，三機控制子系統(tǒng)，采煤機控制子系統(tǒng)，工作面視頻系統(tǒng)，泵站控制子系統(tǒng)，順槽皮帶控制子系統(tǒng)，智能刮板系統(tǒng)，供電系統(tǒng)，環(huán)境數(shù)據(jù)，以及基于特高頻射頻技術的工作面人員定位系統(tǒng)，集成到采用 vistwo 技術的工控自動化平臺上。工控自動化平臺采用同一數(shù)據(jù)庫，同一顯示控制平臺，通過數(shù)據(jù)分析，采用預警和報警機制，實現(xiàn)系統(tǒng)遠程控制，自動化控制和智能控制，實現(xiàn)綜采工作面人員設備和環(huán)境一體化。

（2）在工控自動化平臺上，綜采工作面智能化系統(tǒng)和安全監(jiān)測系統(tǒng)，人員定位系統(tǒng)，無線通訊系統(tǒng)，井下廣播系統(tǒng)，頂板壓力監(jiān)測系統(tǒng)，大型設備故障診斷系統(tǒng)和降塵系統(tǒng)聯(lián)動，將綜采工作面智能化系統(tǒng)融入到智能礦山系統(tǒng)平臺上，達到智能礦山的設計要求，實現(xiàn)預防式服務，建設成安全、高效、少人化、節(jié)能的自動化綜采工作面。

（3）智能化工作面開采移架速度要與礦流系統(tǒng)、采礦機割礦產速度匹配，與支護質量監(jiān)測效果進行數(shù)據(jù)通信和反饋，同時受到泵站流量和移架方式的限制和制約，實際生產過程中，采煤機速度并不穩(wěn)定，割煤方向與煤流方向不停在轉換，因此同一工作面需要在不同的時間段采用不同的移架方式，最大限度保證工作面的生產效率。

（4）工作面液壓支架的姿態(tài)智能調整是實現(xiàn)工作面智能化的關鍵因素，其主要要求包括初撐力保證、支架頂梁接頂、工作面直線度保證等，通過支架液壓系統(tǒng)改進，保證頂梁側護板前后兩個千斤頂能夠實現(xiàn)一伸一縮的功能，即優(yōu)化液壓支架調架功能。其次，通過在立柱安設壓力傳感器，頂梁、掩護梁安設傾角傳感器，采集立柱壓力、頂梁掩護梁角度，判斷立柱受力情況、頂梁低頭上翹情況、支架受偏載情況，最后通過姿態(tài)算法分析支架姿態(tài)，并通過電液控制系統(tǒng)對支架姿態(tài)進行調整

（5）綜合經濟效益得到極大提高，現(xiàn)場生產作業(yè)人員8人（巡檢工5人，集控中心操作工1人，機電檢修工1人，泵站司機1人）組成，工作面所有設備的操控任務由監(jiān)控中心操作員利用遠程操作臺來完成，主要負責綜采設備的啟停、遠程人工干預采煤機進行各項動作并進行自動跟機過程中的補架等工作。工作面所有設備的安全監(jiān)護工作交給5個巡檢工來完成，兩人主要負責巡檢液壓支架，兩人負責巡檢采煤機，一人負責巡檢運輸機。巡檢工主要在開采過程中觀察設備運行情況，發(fā)現(xiàn)問題時緊急停機，并聯(lián)系人員來共同解決問題，人員數(shù)量的降低、開采工效的提高，必然要求工人素質的提高、管理的科學化。在標準化管理、安全管理、職工素質提升方面進行實踐，為智能化工作面的實現(xiàn)提供了可靠的管理保證。

7 結束語

礦產自動化開采是礦產業(yè)轉型升級和工業(yè)技術改革的核心，礦產企業(yè)務必緊跟信息時代的發(fā)展步伐，應用信息技術的成果，將數(shù)字化、人工智能、大數(shù)據(jù)等技術應用于礦產開采過程中，攻關智能化開采核心技術難題，逐步實現(xiàn)煤礦開采全過程的智能化監(jiān)控，通過遠程監(jiān)控實現(xiàn)井下少人甚至無人作業(yè)，徹底改變傳統(tǒng)的礦產生產方式，使礦產行業(yè)適應信息時代的發(fā)展，走可持續(xù)發(fā)展的道路。