煤矿智能化开采现状及展望

2020-01-15杜艳军

山西煤炭 2019年4期

杜艳军

(山西煤炭进出口集团有限公司蒲县万家庄煤业有限公司,山西临汾 041000)

截止2018年,煤炭在全国能源消费结构中仍占主导地位,约占59%,可见煤炭仍然是国家经济发展的重要能源保证[1-2]。随着科技进步发展,各行各业都在发展智能化,煤炭开采也不例外,主要表现为煤炭开采的数字化和智能化。黄陵煤矿2014年率先在一号煤矿尝试中厚煤层的智能开采,2016年在二号煤矿的厚煤层也使用智能采矿,2018年在双龙和瑞能煤业试验的薄煤层智能开采,均取得很好的效果。基于澳大利亚联邦科学与工业组织提出的三维激光扫描技术及设备,北京天地玛珂电液控制系统有限公司与该公司联合研究三维激光扫描技术在井下环境建模与定位测量如何更好服务智能开采,取得了实质性的进展。不难看出,煤炭开采智能硬件设备和软件系统是实现工作面生产智能化、信息化和集成化的关键,本文将阐述智能开采装备发展的现有水平及存在问题[3-4]。

1 智能化开采技术的基本原理

智能开采是在原有传统综采工艺及装备的基础上,增加具有感知能力、记忆能力、学习能力以及决策能力相关的硬件和软件,自动协调采煤机、液压支架、刮板输送机相互配合、自动生成,并配合可视化远程监控,基本实现工作面无人或者少人跟机作业的高效生产的目的[5]。

1)技术原理及路径。智能开采技术原理是利用现有先进的通信技术、自动化控制技术、计算机技术以及视频技术,通过硬件、软件平台,将这些技术融合,相互配合,形成监、控一体化,最终实现采煤的自动化作业及远程监视和控制。

技术路径中在未解决“煤矸识别”等世界难题前,以网络通信为基础,采用煤机记忆截割技术,实现液压支架自动跟机,以远程操作辅助实现阶段性的智能化开采水平。

2)智能开采系统主要组成部分。智能开采系统主要包括采面设备、集控中心以及井上监控等。采面设备主要由煤机、液压支架、刮板输送机、破碎机及乳化液泵站、电液控制系统、采煤机系统、运输及供电监控系统、供液系统等组成。该部分是智能开采的核心装备,该部分满足在人的控制下实现单机设备机械式自动作业,能够实现机械采煤、自动支护和运输。以采煤机为中心的智能化综采系统和控制系统如图1和2所示。集控中心包括视频、数据等在内的主机,以及各客户端和综合接入器等,其中视频可包括侧向视频、跟机视频、搭接点视频、支架监测画面、综合监测画面、采煤机监测画面等,该部分是整个系统控制的中心,所有数据、信息以及系统控制均有该主机控制;井上监控主要包括有服务器、云平台服务器、客户端、移动客户端等在内的,能建立数据仓库、故障库、分析检测和互联网传输的监控系统,该系统主要通过光纤采集井下数据,建立数据库,根据需要传至客户端、云平台数据库在线监测和查询,并对数据自动分析,对故障实时自动报警,分析设备使用情况,与客户沟通,找出最佳方案。

图1 以采煤机为中心的智能化综采系统Fig.1 Shearer-centered intelligent fully mechanized mining system

图2 综采成套装备智能控制系统架构Fig.2 Intelligent control system architecture of fully mechanized mining equipment

王国法等[6]在煤矿智能化(初级阶段)研究与实践提到,智能化煤矿顶层设计应从感知层、传输层、平台层和应用层4个层次考虑,智能开采系统应包括智能化综合管控平台和云数据中心在内的8个部分。杨俊哲等[7]以神东矿区智能开采为例,阐述了神东自动化4.0阶段中建设“一网一站”煤矿自动化系统,为井下实现记忆截割、自动跟机、自动找直等提供了软件支撑。

2 智能化开采现阶段发展水平

2.1 国内智能化开采水平

1)采煤机已实现记忆截割。采煤机记忆截割是指采煤机在科学合理割煤过程中,对采煤机滚筒截割高度、采煤机倾角、仰俯角度、割煤速度以及方向等信息进行采集,完成一个循环,对采集的数据传输到控制器的数据存储区,数据处理生成截割曲线,该截割曲线为采煤机接下来的割煤进行自动导航,使采煤机自动完成割煤、自动清浮煤、自动斜切进刀等工序。当割煤过程中遇到断层等不同情况时,需要人工干预进行调整。

2)液压支架已实现自动跟机。液压支架自动跟机技术是指采煤机完成割煤动作后,液压支架能根据采煤机的位置、方向,通过电液控技术将液压支架和刮板输送机自动、及时移到相应位置,实现支架及时支护作用,割煤过程中也能自动完成喷雾除尘的动作。该技术关键点之一在于采煤机位置和方向的确定,主要解决方法是通过在采煤机安装红外线发送器发射数字信号,在每个液压支架上安装红外接收信号,通过接收数字信号实时传输至控制中心,进行信号处理和反馈,为实现下部动作提供依据,最终实现液压支架动作和采煤机运行位置的动态耦合。

3)已实现远程控制。远程控制是工作面远距离的控制中心通过在工作面布置的监控视频和收集的数据,来调整采煤机、液压支架和刮板输送机的动作,以适应工作面环境的变化。简单来讲,监控界面观察工作面环境变化,远程操作台对三机相适应的控制。目前远程控制基本实现井下远程控制和地面远程控制,远程控制界面如图3所示。

图3 智能开采远程控制界面Fig.3 Remote control interface of intelligent mining

2.2 智能化开采工程实践应用

1)黄陵一号煤矿1001工作面中厚煤层智能化开采工程实践。1001工作面走向长度约2 210 m,倾向长度235 m,采高1.1 m～2.3 m,属于近水平煤层,在 1001工作面配套采用 ZY7800/15/30D型液压支架、MG620/1660-WD型采煤机、SGZ1000/2×855×855型刮板输送机和智能通信系统,解决了制约智能化集中控制的通信壁垒,同时在完善的液压支架电液控制系统基础上,实现了液压支架自动跟机。为实现液压支架在复杂环境下能做出及时响应,大量采集、存储和分析电液控制系统的数据,及时提示支架来压情况,同时结合液压支架高清视频,实时监测工作面矿压情况,必要时人工进行干预,支架自动跟机和监测情况如图4所示。

图4 支架自动跟机和监测情况Fig.4 Automatic follow-up and monitoring of support

2)大同集团塔山煤矿特厚煤层智能放煤实践应用。塔山煤矿煤层15 m左右,煤层倾角小于3°,工作面长度200 m,埋深平均400 m。国家将特厚煤层智能采放协调列为“十三五”国家重点研发项目,对智能放煤和采放协调关键技术进行攻关。目前塔山矿特厚煤层智能开采已实现了一键启停工作面所有设备,实现采煤机自动记忆截割,液压支架的自动跟机,采煤机定位,液压支架的自动放煤,以及缩减人员的阶段目标。但放煤的时间、放煤的支架数量、顶煤厚度探测、支架姿态等关键问题尚未解决,在工程实践应用上仍需要人工干预。

3 智能开采亟待解决的问题

1)智能化开采处于初级阶段,整体水平不高。虽然智能开采基本实现采煤机记忆截割、液压支架自动跟机和远距离辅助控制,但远距离控制是在人通过监控手段发现问题所采取相应的解决措施,并非智能开采系统自主感知、智能识别和自动调整的结果,也就是说,在目前智能开采的初级阶段,仍然离不开人的因素,且人工干预率仍然不小。

2)智能开采的精准性有待提高。智能开采过程中精准性仍有很多提升空间,如割煤过程中,由于煤尘太大,视频监控不清,导致采煤机出现割顶情况,如由于采煤机割煤过程中存在震动,导致安置在采煤机上的传感器收集的数据存在误差,基础数据存在问题,处理后的决策也会存在相应的问题。另外由于井下控制、监控设备受电源功率、机器散热等因素影响,也会影响设备数据采集、融合、分析和处理存在诸多问题,故智能开采的精准性仍需提高。

3)智能综采放顶煤研究欠缺。国内外对薄煤层、中厚煤层的智能开采研究较多,投入实践应用的也不少,但对厚煤层、特厚煤层智能综合机械开采放顶煤的研究较少,特别是对如何实现智能放煤、如何实现智能“采-放”协调等问题的研究少之又少,实现智能综放过程中也需要解决煤矸识别、顶煤厚度探测等关键问题,这些关键问题目前尚未给出科学解决方案。

4 技术解决方案展望

针对智能开采现有水平以及存在的问题,可从以下方向着手研究:1)利用地质勘探写实信息技术,在工作面顺槽掘进过程中,将工作面地质煤层情况进行地质勘察,将勘探数据描绘为三维模型,为采煤机、支架、刮板动作提供准确的三维空间依据。2)进一步发展高精度导航技术。视觉找直、激光找直、惯导找直以及LASA找直技术尚未发展成熟,仍需进一步发展。另外如何在工作面三维模型下支架姿态感知、矫正等都需要高精度的要求。