吳前進

（沁和能源集團有限公司永安煤礦，山西 晉城 048205）

1 煤礦區(qū)裝備智能化技術(shù)路線

煤礦開采裝備智能化技術(shù)是智慧礦山的核心技術(shù)之一，煤礦區(qū)裝備智能化技術(shù)主要是通過對煤礦環(huán)境狀態(tài)和設備運行狀態(tài)的實時、準確采集，采用數(shù)據(jù)分析技術(shù)，對其采集的數(shù)據(jù)進行深入的關(guān)聯(lián)性分析，數(shù)據(jù)分析的結(jié)果能夠指導自主決策系統(tǒng)，使得對煤礦裝備發(fā)出控制指令，同時，根據(jù)設備的運行狀態(tài)，智能控制系統(tǒng)對所做的決策進行深度學習，優(yōu)化自身算法，包括感知層、網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)層、決策層及應用層。

1）感知層：對外界及自身狀態(tài)的準確感知是煤礦區(qū)裝備智能化技術(shù)的基礎，感知層是采集設備及外界的環(huán)境狀態(tài)信息，將機器不可識別的模擬量信息轉(zhuǎn)變?yōu)榭勺R別的數(shù)字量信息，通常采用傳感器圖像識別技術(shù)、二維碼、標簽及智能儀表等狀態(tài)采集手段。隨著煤礦區(qū)智能化裝備設備感知要求的準確性及多樣性的逐漸提高，煤礦區(qū)圖像識別技術(shù)及多傳感器融合技術(shù)已成為煤礦區(qū)裝備智能化的核心技術(shù)之一。

2）網(wǎng)絡層：網(wǎng)絡層是將各單機、單獨傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息進行傳輸，網(wǎng)絡層通常采用工業(yè)以太網(wǎng)、光纖、WSN及WLLAN等手段，完成單機設備的通訊、控制及反饋。

3）數(shù)據(jù)層：數(shù)據(jù)層是將各單機傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行匯總、整理及分析，通過對數(shù)據(jù)的挖據(jù)和分析，能夠?qū)⑸a(chǎn)過程中產(chǎn)生的雜亂、無用的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化為可理解的、有用的數(shù)據(jù)，包括數(shù)據(jù)倉庫、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)及數(shù)據(jù)成長等手段。

4）決策層：決策層是對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行分析和處理之后，以此為根據(jù)，對現(xiàn)在的狀態(tài)進行判斷，并對整體系統(tǒng)進行綜合的決策，決策層一般包括模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡、價值判斷及故障診斷等手段。隨著煤礦區(qū)智能化和無人化程度的逐漸提高，以采煤機、據(jù)進機及皮帶機為代表傳統(tǒng)的煤機裝備正向無人化方向發(fā)展，以這些機械裝備為載體，依托感知層、網(wǎng)絡層及數(shù)據(jù)層形成的煤礦區(qū)裝備自主駕駛技術(shù)是未來煤機裝備智能化技術(shù)的重要發(fā)展方向。

5）應用層：應用層指最終執(zhí)行動作的機械構(gòu)件，包括煤礦內(nèi)所有的機械裝備，如皮帶機、采煤機、掘進機及鉆機等。

2 裝備智能化之數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)是將煤礦運行過程中的各單機專輸?shù)臄?shù)據(jù)進行匯總、整理及分析，能夠?qū)⑸a(chǎn)過程中產(chǎn)生的雜亂、無用的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化為可理解的、有用的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)挖掘是數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的核心手段，數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)是從大量的、不完全的、模糊的、隨機的數(shù)據(jù)集中識別有效的、新穎的、潛在有用的、最終可整導磁體和理解的模式從大量數(shù)據(jù)中提取或挖掘”知識，是智能化化裝備領(lǐng)域的核心技術(shù)之一[1-2]。

煤礦裝備在使用過程中產(chǎn)生了大量的數(shù)據(jù)，如何能夠充分利用這些數(shù)據(jù)，發(fā)掘數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系和差異，是煤礦區(qū)數(shù)據(jù)挖掘需解決的問題。目前，煤礦數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)還處于起步階段，裴秋艷采用數(shù)據(jù)挖掘方法應用于礦井通風安全領(lǐng)域，采用灰度預測及MGM優(yōu)化模型，對礦井生產(chǎn)過程中的通風數(shù)據(jù)進行挖掘和處理，并以此為基礎，能夠?qū)ξ磥盹L量變化趨勢進行預測。煤科集團沈陽研究院有限公司研制的KY400煤礦電機故障診斷系統(tǒng)能實時監(jiān)測電機的溫度、振動、電流等信號，具有運行狀態(tài)評價，壽命評估、故障診斷及維修決策等功能，最大限度地減少電機非計劃停機對煤礦井下安全生產(chǎn)的影響。KY400煤礦電機故障診斷系統(tǒng)內(nèi)置專家?guī)?，通過將實時數(shù)據(jù)與專家?guī)爝M行比對，可以進行故障識別與診斷：專家?guī)鞎鶕?jù)實際電機運行狀態(tài)不斷進行升級和修正，使得系統(tǒng)的靈敏度適應實際需要。

3 頂管式煤礦小斷面巷道智能掘進裝備關(guān)鍵技術(shù)和系統(tǒng)分析

煤科集團沈陽研究院有限公司研制了頂管式煤礦小斷面巷道智能掘進裝備，采用自主決策控制技術(shù)，設備運行過程中，不需人為干預，實現(xiàn)無人化操作。頂管式煤礦小斷面巷道智能掘進裝備適用于掘進煤礦以高抽巷、排水巷為代表的小斷面巷道，采用全斷面掘進。人員遠離切削面，工作時無需進入，安全可靠。自身進行支護，掘進經(jīng)濟效益高。頂管式煤礦小斷面智能掘進裝備采用硐室遠程智能控制系統(tǒng)，采用圖像識別、多傳感器數(shù)據(jù)融到磁合等關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 自動導向系統(tǒng)

第一，對光靶圖像進行預處理，釆用濾波、圖像平滑、銳化等手段消除圖像中無關(guān)的信息，簡化數(shù)據(jù)；第二，抽取光靶數(shù)據(jù)，采用亞像素定位技術(shù)，經(jīng)檢測激光光斑在圖像中的坐標再經(jīng)攝像機標定換算到空間坐標來進行目標的定位；第三，實現(xiàn)算法在防爆PLC內(nèi)的通訊測試。

3.2 自動進水排渣系統(tǒng)

礦用頂管機采用泥水排渣原理，通過泥漿將刀盤切削的渣石排出，進水排渣泵的流量不僅僅影響渣石的排放速度，而且對切削掌子面的穩(wěn)定性具有重要的作用。頂管式煤礦小斷面巷道智能掘進裝備通過在管路上布置壓力傳感器和流量傳感器，采集記錄供排水泵出口壓力等數(shù)據(jù)，建立了供水、出渣系統(tǒng)的數(shù)學模型，并在出渣口布置圖像識別裝備，能夠?qū)ε旁w粒尺寸及速度進行實時監(jiān)控，并借助磁力偶合器，實現(xiàn)對供排水泵流量進行實時調(diào)節(jié)，能夠保證排渣的連續(xù)性和掌子面的穩(wěn)定性。

3.3 自動頂進系統(tǒng)

自動頂進系統(tǒng)的控制流程如圖1所示，開啟自動頂進系統(tǒng)之后，系統(tǒng)對按鍵狀態(tài)進行檢測，確認急停、手動頂進等和自動頂進功能互鎖的按鍵狀態(tài)是否符合；之后，為了保證機頭內(nèi)部渣石的排渣通暢，先流出延時5 s的頂進延時時間，延時結(jié)束之后，先后進行主頂伸出、中繼1伸出的自動頂進操作，在中繼1伸出的過程中，需要監(jiān)測機頭的切削電流，如果機頭切削電流過大，需要調(diào)整頂進速度，保證機頭的切削電流在合理的范圍內(nèi)，當中繼1的頂進行程到位之后，完成了自動頂進流程。

圖1 自動頂進系統(tǒng)的控制流程圖

3.4 自動開關(guān)機系統(tǒng)

自動開機系統(tǒng)流程如圖2所示，操作人員發(fā)出自動開機指令后，系統(tǒng)自動依次完成故障檢查、開通旁通閥、開通進水排泥閥、開啟進水泵及排渣泵，刀盤旋轉(zhuǎn)、主頂頂進，當主頂頂?shù)綕M行程，需要進行換管操作的時候，系統(tǒng)啟動自動關(guān)機系統(tǒng)，依次實現(xiàn)主頂后退、進水排泥閥關(guān)閉等動作，避免了繁瑣的開機操作，降低人為故障率[3-5]。

圖2 自動開機系統(tǒng)流程示意圖

4 煤礦小斷面巷道智能掘進裝備工程試驗及結(jié)果分析

2020年10月，頂管式煤礦小斷面巷道智能掘進裝備在永安煤礦-600 m排水石門巷道進行了工業(yè)性試驗。石門巷道是屬于煤巖交錯地帶，地質(zhì)情況復雜。主要施工為工作酮室和輔助設備酮室兩部分。在頂管式煤礦小斷面巷道智能掘進裝備施工過程中，對頂管機的頂推力數(shù)據(jù)進行采集整理，如下頁圖3所示。從圖中數(shù)據(jù)可知，當頂進距離在0~10 m時，整體的摩擦力都較小，當頂進距離在10~25 m時，摩擦力基本呈現(xiàn)線性增長的趨勢。由于施工前期工具管泥漿潤滑較為良好，泥漿套完整。隨著頂進過程的深入，施工完成的巷道巖粉逐漸堆積，這些巖粉將頂管機四周填實，摩擦阻力大幅度增加，摩擦力增大到280 kN/m（頂進距離為0~25 m之間的平均摩擦力）。

圖3 摩擦力隨頂進距離變化

5 結(jié)語

目前，煤機裝備智能化技術(shù)還處于起步階段，雖然有部分煤機裝備采用了智能化技術(shù)，但還未形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模，多數(shù)煤機裝備還停留在機械化、自動化的階段。探討煤礦開采數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)等煤礦區(qū)裝各智能化的關(guān)鍵技術(shù)，確定這些技術(shù)在煤礦區(qū)裝備的應用范圍，得出煤礦區(qū)裝備智能化的技術(shù)路線，對提升煤礦區(qū)裝備智能化水平具有重要意義。