趙忠證，李元澤，張旭輝，毛清華

(1.烏審旗蒙大礦業(yè)有限責任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017307；2.西安東達馬科智能控制系統(tǒng)有限公司，陜西 西安 710075；3.西安科技大學 機械工程學院，陜西 西安 710054；4.陜西省礦山機電裝備智能監(jiān)測重點實驗室，陜西 西安 710054)

0 引言

隨著近年我國人工智能煤礦信息核心技術(shù)生產(chǎn)企業(yè)的快速發(fā)展，煤礦資源開采也正逐步朝著人工智能化煤礦開采的發(fā)展方向不斷推進[1-3]。智能化開采是自動化開采的高級階段，依賴于煤礦信息化的發(fā)展。由于當前煤礦裝備行業(yè)發(fā)展受安全、環(huán)境等諸多因素的嚴重影響，對煤礦智能化技術(shù)裝備的研發(fā)需求尤為迫切[4]。烏審旗蒙大礦業(yè)有限責任公司自2005年成立以來，一直以“科學發(fā)展、安全、高效、和諧、共贏”的企業(yè)發(fā)展經(jīng)營理念作為指導。建礦以來，在煤礦安全建設(shè)和無事故安全生產(chǎn)方面已經(jīng)取得了多項顯著成績，并在蒙西地區(qū)創(chuàng)下了多項煤礦建井安全記錄。根據(jù)《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展指導意見的通知》和《關(guān)于加快煤礦智能化開采的實施意見》會議精神，制定了中煤西北能源股份有限公司智能化工作面實施方案，烏審旗蒙大礦業(yè)有限責任公司在納林河二礦3-1上102綜采工作面進行了智能化工作面試點工作，并開展了組織方式與產(chǎn)能優(yōu)化技術(shù)研究。

1 工程背景

1.1 應(yīng)用工作面情況

試驗點為烏審旗蒙大礦業(yè)有限責任公司納林河二礦3-1上102綜采工作面。礦井相對瓦斯煤氣涌出物含量密度小于10 m3/t，絕對瓦斯煤氣涌出物含量密度小于40 m3/min，礦井煤層瓦斯含量等級低于含瓦斯灰的礦井，煤層瓦斯具有釋放煤塵灰和爆炸灰的危險性，屬Ⅰ級自燃煤層?；夭商幚磉^程中主要的水源充氣排水層按水源可分為延安組2-1煤灰?guī)r頂板以上黑色砂巖，斷層裂隙下部含有充水層、直羅組下部裂隙含有充水層，充水渠道主要是煤層開采后覆巖冒落引起的導水裂隙。正常來水267 m3/h，最大來水401 m3/h。

工作面為納林河二號大型煤礦，走向計劃盤點布置在納林河二號大型煤礦1盤區(qū)內(nèi)的工作面為東西南北走向計劃布置，傾向?qū)?99.05 m，走向長3 674 m，煤厚一般為1.6～2.6 m，平均煤層厚度為2 m，傾角一般為1°～3°，褶皺、斷層少量連續(xù)發(fā)育，但兩側(cè)局部斷層有微弱的扇形波狀走向起伏，屬地質(zhì)構(gòu)造簡單型。開挖過程中，共揭露斷層8處，工作面揭露斷層4處。

1.2 工作面主要設(shè)備建設(shè)情況

為提高綜采工作面組織方式與產(chǎn)能優(yōu)化，在3-1上102綜采工作面進行了主要設(shè)備建設(shè)工作，設(shè)備情況見表1。

2 總體方案設(shè)計

綜采設(shè)備無人智能化控制技術(shù)是由工作面高清視頻技術(shù)、工作面電液控制系統(tǒng)、工作面自動生產(chǎn)及環(huán)境監(jiān)測協(xié)同控制、工作面以太網(wǎng)TCP/IP傳輸通信系統(tǒng)、遠程控制平臺等多系統(tǒng)組成的大型控制系統(tǒng)。它是一套可以通過順槽監(jiān)控中心和地面分控中心，在高層工作面上統(tǒng)一管理所有設(shè)備的指揮、自動化控制和遠程控制系統(tǒng)。通過就地、集中、遠程三級管理平臺，利用無線網(wǎng)絡(luò)、通信、視頻及數(shù)據(jù)采集等多系統(tǒng)異構(gòu)數(shù)據(jù)融合技術(shù)，實現(xiàn)調(diào)度室遠程控制井下工作面運行。井下2個工作站全面實現(xiàn)無人臨時工作，少數(shù)為一人臨時巡檢，為促進煤礦穩(wěn)定高效安全生產(chǎn)發(fā)展提供了有力的技術(shù)支持。

智能化工作面結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要以工作面數(shù)據(jù)傳輸平臺為骨架、以工作面工控平臺為決策基礎(chǔ)、以先進的傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行感知，采用無線傳輸方式、引入3D仿真技術(shù)、采用智能執(zhí)行單元概念實現(xiàn)無人高效安全生產(chǎn)[5]。智能化工作面具備統(tǒng)一數(shù)據(jù)傳輸平臺以及單一工控平臺，工控平臺采用專業(yè)算法生成系統(tǒng)運行規(guī)劃，無線傳輸工作面離散設(shè)備數(shù)據(jù)，具備工作面人員進行定位識別技術(shù)功能、三維仿真功能、分析狀態(tài)數(shù)據(jù)、自動生成運行報告的功能。

圖1 智能化工作面結(jié)構(gòu)Fig.1 Intelligent working face structure

3 組織方式與產(chǎn)能優(yōu)化

3.1 液壓支架自動跟機技術(shù)

根據(jù)納林河二礦3-1上102智能綜采工作面的實際情況，確定了從第16架開始，自動隨機移架推滑動作的執(zhí)行順序，采用群推滑方式[6]。當煤壁、頂板條件良好，無嚴重剝落、冒頂時，應(yīng)先移動支架，再推進支架；當煤壁、頂板條件較差，煤柱剝落、冒頂嚴重時，需要提前拉拔工作面支架，加強頂板和煤柱的支撐，先推后滑再拉。當進行智能化回采時，根據(jù)3-1上102綜采工作面的巷道布置和設(shè)備情況，采用智能長壁綜放開采方法，頂板采用綜放法管理，工作面后退[7-8]。

3-1上102智能綜采工作面采用采煤機軌跡規(guī)劃程序采煤，支架自動隨機移動，控制臺進行遠程干預，同時集成供電、泵站、三機監(jiān)控、視頻等各子系統(tǒng)對工作面設(shè)備運行情況進行全程監(jiān)控[9-10]。工作面各子系統(tǒng)在具備自動化割煤的條件下，采煤機對集控中心進行遠程控制授權(quán)，遠程授權(quán)后，集控中心按下“一鍵啟動”按鈕，具體啟動順序為泵站→破碎機→轉(zhuǎn)載機→運輸機→煤機自動截割程序→支架自動跟機程序[11]。煤機進入自動截割狀態(tài)前，瑪珂工控平臺將“采煤機自動化路徑規(guī)劃”三維模型數(shù)據(jù)下發(fā)到采煤機，采煤機根據(jù)下發(fā)數(shù)據(jù)信息進行系統(tǒng)自動截割，同時集控室對煤機進行遠程干預，確保工作面平穩(wěn)推進。

3.2 綜采設(shè)備遠程控制技術(shù)

工控平臺實現(xiàn)了在井下工作面順槽監(jiān)控中心和調(diào)度室控制中心對“三機”的單機控制或一鍵啟停。系統(tǒng)由三機就地控制箱、數(shù)據(jù)交換平臺和工況平臺組成。當電動采煤機和專用液壓機的支架支護處于完全受控的運行狀態(tài)時，通過采煤操作員移動控制臺與采煤設(shè)備運行位置移動監(jiān)控控制系統(tǒng)的遠程通信，獲得電動采煤車主機和專用液壓框架支護的正確移動運行位置和旋轉(zhuǎn)方向?？刂婆_根據(jù)主控設(shè)備的自動視頻控制系統(tǒng)信號發(fā)出執(zhí)行相應(yīng)的控制指令(如鼓的自動升降、牽引加油的減速、液壓傳動支架上的推溜等)，該臺的指令信號通過視頻數(shù)據(jù)電路通信總線與電動采煤機、液壓傳動支架進行通信，將指令信號通過傳送電路給安裝綜采煤機工作面上的設(shè)備，從而實現(xiàn)了對綜采工作面設(shè)備的遠程控制。綜采工作面設(shè)備遠程控制具體實現(xiàn)過程如圖2所示。

圖2 綜采設(shè)備遠程控制示意Fig.2 Remote control of fully mechanized mining equipment

在綜采管理工作室大面積的開采運行過程中，煤礦開采巷道內(nèi)的煤礦監(jiān)控管理中心全部配備了安全控制管理平臺。在實際應(yīng)用中，相關(guān)技術(shù)人員通過對煤礦內(nèi)控制系統(tǒng)的遠程控制，可以對整個大型煤礦開采巷道的日常開采工作環(huán)境管理狀況進行實時遠程監(jiān)控，并測試整個煤礦開采巷道設(shè)備的日常工作管理性能。采煤機和大型液壓傳動支架機等設(shè)備可以提供2種不同的總線串行接口。通過自動控制中心系統(tǒng)方式提供的與相應(yīng)的雙向遠程控制通信協(xié)議，將煤礦監(jiān)控系統(tǒng)工作過程中的各種相關(guān)監(jiān)控參數(shù)直接實時傳輸發(fā)送到監(jiān)控終端并使系統(tǒng)可以進行有效遠程控制，從而可以充分發(fā)揮煤礦采煤計算機監(jiān)控數(shù)據(jù)的功能實時控制接收和監(jiān)控相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸。在煤礦施工監(jiān)控過程中，通過其與終端系統(tǒng)的遠程控制通信方式，實現(xiàn)了自動控制中心方式的雙向遠程信息直接通信，形成了整個煤礦施工巷道內(nèi)部與煤礦地面施工監(jiān)控控制中心的有效互動配合與相互協(xié)調(diào)。最終使它可以有效實現(xiàn)對整個綜合采煤煤礦工作區(qū)地面的系統(tǒng)遠程管理化和控制，提高整個煤礦綜采采煤工作面系統(tǒng)的管理工作效率和運行穩(wěn)定性[12]。

3.3 綜采設(shè)備遠程監(jiān)測技術(shù)

3.3.1 工作面設(shè)備遠程監(jiān)測

在地面調(diào)度中心設(shè)置有智能工作面操作平臺，包含大屏顯示和系統(tǒng)控制，可以實時顯示整個工作面和綜采設(shè)備的運行狀態(tài)、工作面環(huán)境狀態(tài)和人員狀態(tài)。工作面視頻顯示如圖3所示。

圖3 工作面視頻顯示Fig.3 Video display of working face

工作面視頻顯示技術(shù)：工作面的視頻遠程監(jiān)控主要可以通過在鍋爐采煤機或鍋爐支架上直接安裝監(jiān)控攝像頭等系統(tǒng)設(shè)備來實現(xiàn)。采煤車電機監(jiān)控攝像頭一般安裝在一臺切割滾筒電機前面或切割電控箱附近，可左右隨意移動，監(jiān)視切割滾筒上的位置及頂、底板上的切割工作情況。采煤機攝像系統(tǒng)的信號主要通過隨機光纜進行實時傳輸。工作室界面云臺工控攝像機組成的云臺視頻監(jiān)控系統(tǒng)通過云臺數(shù)據(jù)圖像傳輸控制平臺將工控視頻中的圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆婆_工控系統(tǒng)平臺[13]。通過圖像識別和移動圖像比對，工控移動平臺系統(tǒng)可以快速確定移動工作在地面?zhèn)鹊谋Ｗo板、刮板以及輸送機、支撐座前端、煤壁、頂板的移動位置[14]。根據(jù)設(shè)計分析試驗結(jié)果，對大型采煤機和煤管液壓保護支架結(jié)構(gòu)進行了綜合調(diào)整，保證了煤機工作面平直，提高了大型煤壁和煤管頂板的液壓支護工作質(zhì)量，防止大型采煤機與液壓支架的相互干涉；通過對大塊煤的識別來保護轉(zhuǎn)載機。視頻系統(tǒng)也可以簡單地當作操作員眼睛的延伸，通過視頻攝像頭來調(diào)整可能出現(xiàn)的漏架。

工作面設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測：工作面所有數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)傳輸平臺接入通道控制中心，通道控制研究中心可以通過分析數(shù)據(jù)傳輸平臺將工作面設(shè)備、環(huán)境檢測管理系統(tǒng)和人員信息接入工業(yè)企業(yè)控制平臺，實現(xiàn)在地面調(diào)度室的設(shè)備狀態(tài)顯示及故障提示。

3.3.2 遠程設(shè)備報警

當輸送工作面在對采煤輸送過程中連續(xù)出現(xiàn)煤層剝落擴散現(xiàn)象，或在對已放散的煤輸送過程中連續(xù)出現(xiàn)過多已放散的煤時，過多石灰煤和砂巖會直接堆積在磨刀刮板刮煤輸送的主機上，大大提高前后2個刮刀刮板輸送機的工作功率和峰值。工作面集中控制管理系統(tǒng)平臺可對所有相關(guān)輸送設(shè)備的工作數(shù)據(jù)狀態(tài)進行實時監(jiān)控并自動發(fā)出報警，提醒正在采煤中的機組和司機適當減速或及時停車，或及時提醒已存放頂煤層的工人盡量減少存放落煤的用量。如仍不能及時恢復到正常值，刮板可使輸送機立即停止運行，并發(fā)出語音報警，通知有關(guān)人員及時處理[15]。

當自動工作面集中電控系統(tǒng)設(shè)備出現(xiàn)重大故障時，3臺集控機器和1套帶式壓力輸送機的獨立集控啟動子系統(tǒng)可不受3臺自動化集控系統(tǒng)的啟動限制，可獨立進行啟動，保證整個生產(chǎn)過程不受故障影響。當系統(tǒng)出現(xiàn)上述各種故障信號提示，以及系統(tǒng)控制器正常運行自動關(guān)閉功能控制程序、閉鎖或自動急停、系統(tǒng)或其他控制器運行狀態(tài)異常和發(fā)生故障時，字符符號顯示屏將及時自動給出顯示信息。

4 應(yīng)用效果

4.1 經(jīng)濟效益

采用智能化回采后，工作面單班生產(chǎn)僅需要5人，煤機、支架巡視工1人、班長1人、機頭、機尾巡檢各1人、控制臺1人。生產(chǎn)人員工資每年節(jié)省1 425萬元，全年多回采原煤78萬t，按450元/t計算，年增產(chǎn)值2.18億元。

4.2 社會效益

經(jīng)濟效益顯然是巨大的，并且其社會效益也同樣顯著。首先，改善了專業(yè)勞動者的日常工作生活環(huán)境，有效降低了工作時地面粉塵中的濃度，降低各類職業(yè)病危害發(fā)生的最大概率。其次，提高了現(xiàn)場礦井安全作業(yè)生產(chǎn)技術(shù)水平，大量現(xiàn)場礦井作業(yè)技術(shù)人員從目前工作面惡劣的礦井工作生活環(huán)境中轉(zhuǎn)移出來，降低了礦井事故的發(fā)生率，保障了礦井工人的生命財產(chǎn)安全。此外，提高了技術(shù)設(shè)備日常運行管理效率；隨時隨地掌握各個關(guān)鍵部位的設(shè)備工作運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)和妥善處理相關(guān)技術(shù)設(shè)備工作進行中的故障，杜絕技術(shù)設(shè)備運行事故，降低了技術(shù)設(shè)備日常運行管理成本。通過推進智能煤礦綜采管理工作等方面的科技實踐與創(chuàng)新探索，有力推動和有效帶動了中煤集團下屬公司和全國煤炭行業(yè)的重大科技進步，具有深遠的推動意義。

5 結(jié)語

蒙大利爾礦業(yè)集團納林縣黑河煤礦智能液壓綜采系統(tǒng)工作區(qū)全面的開采順利開展，極大增強了“中煤人”的自信心。智能化的工作面綜采可以直接實現(xiàn)煤礦液壓設(shè)備系統(tǒng)，綜采支架自動跟機床的自動化，綜采智能工作面可以進行液壓設(shè)備的生產(chǎn)智能化和技術(shù)流程控制，提高整個智能工作面綜采自動化流程智能化管理水平和企業(yè)生產(chǎn)管理效率，減少了工作面的作業(yè)人數(shù)，真正貫徹了“無人則安”的指導思想。下一階段，將認真研究總結(jié)在前期實施智能化礦業(yè)工作線方面中首次工業(yè)性采礦試驗所取得的寶貴成果和前期積累的寶貴經(jīng)驗，進一步研究發(fā)展和應(yīng)用深化前期使用智能化設(shè)備開采礦業(yè)技術(shù)熱點問題的調(diào)查研究，提高前期智能化礦業(yè)工作面采礦人員的專業(yè)理論知識水平、操作技術(shù)水平和采礦設(shè)備日常維護管理水平。此外，將認真總結(jié)智能工作面存在的不足之處和需要改進之處，進一步深化智能化開采技術(shù)研究，并在其他工作面進行推廣應(yīng)用。