浅析矿山综采自动化工作面建设

吴家乐

（国家能源集团神东煤炭集团设备管理中心，陕西 神木 719315）

1 智能综采工作面建设项目

1.1 精确的三维地质模型

以矿井地质勘探钻孔和切眼、回撤通道及两顺槽巷道等实测地质信息为基础，构建工作面三维初始模型，在工作面起伏较大的区域，从回风顺槽向运输顺槽打定向钻孔或采用物探的方法勘探工作面的顶底板煤岩分界线，用煤岩分界线、每圆班测量人员对工作面的测量数据对三维初始模型进行修正，生成精确的三维地质模型。

1.2 自主智能割煤功能

通过对比工作面精确三维地质模型和实测模型，在综合分析煤层变化趋势、工作面平直度、当前割顶底情况、采煤机运行等大数据基础上，一是通过优化算法制定未来10刀的割煤策略，给出采煤机下一刀滚筒调整曲线，指导采煤机割煤即为自主智能割煤；二是通过在电控系统中记录示范刀摇臂高度及其变化曲线，在每个割煤循环中重复记忆刀轨迹，实现记忆割煤；三是通过分析历史截割数据，识别煤层变化规律，预测下一刀的截割轨迹；先预测，后截割，自学后再预测、再截割，循环往复，实现预测割煤功能。

1.3 跟机自动化

液压支架通过既定程序并根据采煤机在割煤工艺中的位置与牵引方向所实现的与之匹配的自主收打护帮、降柱、移柱、升柱、推溜、喷雾等动作的过程。

1.4 集控中心远程控制系统

包括顺槽集控中心和地面集控中心。顺槽集控中心位于综采工作面顺槽内，具备各类展示、操控及数据交互功能，并可实现对各受控设备的集中监测、控制。地面集控中心位于地面，由各类展示、操控及数据交互设备构成，可实现对综采工作面各受控设备的集中监测、控制。操作人员在顺槽集控中心或地面集控中心对正在运行的采煤机、液压支架及其他工作面设备进行远程操作。

1.5 三维激光巡检扫描机器人

机器人搭载三维激光扫描装置和惯性导航系统，通过其红外及可见光双视摄像仪、拾音器，代替人的“眼耳皮肤”，自动识别工作面设备发热、异响等问题，平时自动巡航，异常情况下可报警由人工远程控制，实现代人巡查。

1.6 电缆自动拖拽装置

铺设在综采工作面刮板运输机电缆槽内，通过获取采煤机运行方向、运行速度与机身位置等数据，对拖缆速度进行自动控制的装置，可避免采煤机电缆出槽或多层叠加。

2 智能综采工作面设备技术要求

2.1 采煤机

应具有感应功能、运动功能及辅助功能。其中，机身倾角传感器、摇臂摆角传感器、位置检测传感器（编码器），实现采煤机姿态检测，滚筒高度测量，精确定位的功能，能够配合智能控制系统达到记忆割煤、自主智能割煤。运动系统包括惯性导航系统、防干涉碰撞功能、远程和就地急停、闭锁控制功能，在远程干预模式下，通讯中断，采煤机可自动停机；辅助系统应有电缆自动拖拽装置、有线和无线通信功能，且数据上传和远程控制功能，远程控制响应时间小于100ms和自动注油功能。

2.2 液压支架

主要起支撑作用，对于压力、位置、姿态等要求敏感，因此，应具有压力传感器、位移传感器、倾角传感器、采高传感器，支架控制器接收到煤机运行状态、传感器数据和动作数据等信息后，上传至集控平台，实时显示支架压力、位移、倾角、采高等信息，可由系统自动判断并自动找直、调伪斜，且要求调直控制误差在500mm以内；也可由人工远程控制就地急停、闭锁控制功能，远程控制响应时间不大于200ms。液压支架跟机自动化率应不小于85%，远程人工干预率应小于20%。

辅助功能应具有工作面中部跟机自动化功能；压力监测、自动补压功能；人员安全保护功能，定位精度在500mm以内；宜具有工作面两端头跟机自动化功能。

2.3 三机和自移机尾

三机应具有顺序启停、连锁、闭锁控制功能；启动语音报警功能；煤量检测功能，实现煤流自适应调速。

2.4 泵站和供电系统

泵站应具有远程控制功能，远程控制响应时间不大于100ms；应具有液压介质质量在线监测功能，远程供液、配液控制功能，单台泵站和多台泵组的启动和停止控制功能。

供电系统应具有供电回路分、合闸远程控制功能；负荷运行参数监测功能；过流、漏电、接地保护功能；电压降监测功能。薄煤层工作面应使用微型灯具，便于降低采高。

2.5 通信网络与视频系统

智能工作面建设依赖于高速网络和清晰视频，因此，对网络和视频系统有更高要求。千兆以太环网是基础；移动语音通讯、人员精确定位、网络视频通话功能是必备；还应具有工控网络安全防护功能；符合《 智慧矿山信息系统通用技术规范》（GBT 34679-2017）中的相关要求。

视频系统应具有全工作面视频监控及采煤机全景动态监控功能，视频可跟机切换；宜具有对工作面设备与人员识别功能、对工作面设备异常情况的抓拍功能、对工作面大块煤的识别功能、对大采高支架护帮板的动作识别功能。

2.6 惯性导航系统

实时精确定位采煤机运行轨迹，监测煤机机身姿态并在主控计算机上显示检测误差不超过50mm。

2.7 三维扫描巡检机器人

主要负责工作面状态实时扫描传输，因此，应具有生成点云数据功能，自动建立工作面数字化模型且扫描误差应不超过200mm。还应具有高清视频采集功能、红外热成像功能，声音采集功能和无线控制功能。

2.8 顺槽集控中心

是智能工作面的核心之一，应具有对综采工作面设备运行状况监控、数据集成、故障诊断、人员位置显示、全方位对讲和快捷键功能，达到集中控制、自动化控制目的；其数据传输以工业以太网、无线网为基础，实现数据的高速传输功能。

3 智能综采工作面建设的技术改进

3.1 视频监测信号的捕捉、传输和显示

可在胶带机机头安装防爆摄像头，将摄像头IP修改为预定的地址，将摄像头通过网线和胶带机控制器内放的交换机连接，并经光电转换，将电信号转换成光信号后，通过顺槽铺设的光缆传输至工作面的光电转换，再将信号转换成电信号后，经交换机和网线传输至电脑，电脑内部预装的视频监测软件IVMS4200将视频信号捕捉，经显示控件将画面在电脑显示器上进行显示。

3.2 控制指令的输入、传输和执行

在工作面办公电脑上安装一款自行设计的胶带机控制软件（结合顺槽胶带机实际情况进行设计的软件），该软件有一个人机交互界面，界面中给每一部胶带机设置一个启动按钮和停止按钮，当工作面需要启动某一部胶带机时，点击相应胶带机的启动按钮，软件将启动信号通过与电脑相连接的交换机和光电转换传输出去，经光纤传输到胶带机控制器中安装的光电转换和交换机，交换机接收到信号后将信号传送给网络控制器，网络控制器相应的输出口的常开节点闭合，即胶带机的远控点闭合，胶带机开始预警启动。同理，当工作面需要停止某一部胶带机时，点击人机交互界面的停止按钮，网络控制器的相应的输出口节点（已经闭合的常开接点）断开，胶带机停止运行。

3.3 掘进智能局部通风

矿井智能局部通风系统是为煤矿的安全生产需要提供的一种一机多用、高效节能的自动控制装置，它实现了矿井局部通风控制系统与局部通风机的融合，同时，系统配套局部通风机通过特殊设计，配套相应的监测传感器，和其他监测信号一起接入PLC自动控制系统，进行闭环控制，改变了国内局部通风机运行没有有效监测监控的现状，把矿井有效管理和设备安全高效运行有机地结合起来，从而改变了矿井掘进工作面受瓦斯造成的危害，在提高了设备的安全运行的同时，也保证了矿井安全高效地生产。

3.4 智能集中控制系统

在智能集中控制中心，对井下供电系统、供排水系统、主通风系统、运输系统实现远程控制。实现值班人员在集控室值班。第一步实现机电队远程监控各自责任区水泵、增压泵等泵类设备运转情况并可实现远程启停，逐步实现主运胶带机、顺槽胶带机调度控制转移到集控中心控制。安装智能分析系统，对危险区域人员入侵、皮带跑偏、堆煤、烟雾、初期火灾等状态进行实时监测、弹窗报警并联动停机。

（1）搭建部署安全生产巡检平台，将生产巡检监控资源进行统一接入和集中管理，并自下而上地打通煤矿至调度中心，安全生产巡检视频、数据信息壁垒。

（2）借助AI技术，通过视频检测分析的技术手段，实现跑偏检测、堆煤检测、张紧轮位移检测、煤矸检测、异物检测、大块煤识别、煤量分析以及电气设备温度检测等功能，将胶带机司机从高噪、粉尘环境中解放出来，提升“安全生产、减员增效”业务层级；还可以对人员岗位行为分析、安全行为分析、人脸分析等。

（3）在安全生产巡检平台和视频AI技术的基础上，完成安全生产数据汇总；采集素材进行复杂严苛条件下的工艺流程检测。

（4）轻量级数据分析功能，针对无人巡检过程中采集的结构化数据进行比对、关联、统计等轻量级分析功能，为煤矿生产数据融合分析提供分析模型。

（5）应用热成像检测技术，对机电设备运行异常易造成皮带抱死、损坏，严重的导致机组非计划停运，人员与财产损失。电气设备故障在发展和形成过程中绝大多数与发热温升紧密相连。红外热成像诊断技术通过非接触方式检测运行中的设备温度和运行状态，可以简捷、安全、直观、准确地查找、判断电气设备过热故障，迅速采取措施解决防止电气事故的发生。结合红外热像仪在电气设备故障诊断中的一些实际应用，红外热成像检测诊断技术为发电厂电气设备精细化点检和维修提供有力依据，及时将电气事故消灭在萌芽状态，有效避免了电气异常事件或事故的发生。

3.5 辅助自动化系统

（1）车辆智能管理系统。本方案主要针掘进顺槽进行设计，由车辆管理平台、车辆管理服务器，人员定位分站、人员定位服务器、红绿灯LED屏组成。

车辆管理平台和人员定位系统服务器通讯，人员定位系统自动将车辆数据推送给车辆管理服务器。车辆管理服务器将巷道中车辆数据下发给井下LED屏和红绿灯。

系统原理：第一步：通过在巷道内安装两台人员定位分站，利用人员定位分站判断巷道中的柴油车数量，并将数据提供给车辆管理服务器。第二步：根据人员定位提供的数据，车辆管理服务器自动将柴油车数量下发给井下LED屏和红绿灯，管控进出车辆。

（2）供电自动化系统。智能供电自动化系统扩大了对井下系统和设备的监视范围，使系统和设备运行可视化，同时，通过对井下设备的远程控制和远程维护更好地支持变电站的无人值班和无人值守。

主要包括：①系统运行状态可视化，不仅可以监视电压、电流、功率和开关位置等，还可以监视系统的谐波、电能质量、电度计量等；②一次设备运行状态可视化，主要包括防爆开关的温度、分闸动作时间等；③二次设备和网络设备的状态可视化，主要包括保护装置的自检情况、网络通讯状态、交换机和交换机电源的状态等；④系统故障的可视化，即在系统发生短路故障尤其是跳闸后提供清晰完整的记录和数据，如故障类型、故障时间、故障值、故障录波波形等，从而便于检修人员尽快确定并排除故障；⑤强化设备的远程控制与维护，即在地面监控中心实现井下开关遥控操作、保护功能投退、定值的远方调阅和修改、参数的远程配置等。实现全面可视化是提高供电系统安全性的前提和基础。

（3）采煤自动化系统。智能供电系统把全供电网络作为一个整体，自动协调工作，准确应对系统发生的各种问题：①利用通讯技术采用“先定位后跳闸”策略实现短路故障的防越级和系统操作防越级；②利用注入式信号源技术实现单相接地/漏电的准确选线，减少不必要的拉闸停电。准确及时的自动化功能是提高系统供电可靠性的主要手段。

智能供电系统的设备采用标准以太网接口并遵循国际通用的IEC61850标准，在该标准的前提下，实现智能拓扑分析和自动着色、操作的联闭锁、潮流分析与设备检测、定值的合理性校验、参数的自动化配置、智能综合告警等高级智能化功能。智能化标准化可以提高系统运行效率，进而改善系统的经济性。

（4）供排水自动化系统。要实现沿线水仓全部自动化排水。各水仓实行自动控制及运行参数自动检测、远程控制，动态就地显示，并将数据信息传送到地面生产调度中心和生产设备控制中心，进行实时监测监控及报警显示、故障历史查询和报表打印。

①系统通过检测电机电流、电机电压等参数，监视水泵工作状态，直观、形象、实时地反映系统工作状态并能进行控制。

②实现水仓水位、水泵温度、排水管流量等参数接口接入及电动闸阀的控制接口输出，实现不同地点排水设置不同的控制方式。

③通过以太网通讯接口与地面网关实现数据交换。该系统具有运行可靠、操作方便、自动化程度高等特点。

3.6 井下工业环网覆盖延伸联网功能

基于4G无线通信技术的“一网一站”系统可实现对定位、通信、监测监控、广播、调度、自动化等系统的统一接入、统一承载、统一管理。

采用先进的工业以太网标准通信协议，系统可实现远程、跨网通信，系统实现了良好的扩展能力，可为井下工业以太环网、视频监控、井下传感器数据传输提供网络数据接口，可连接井下数字广播系统、数字摄像机、可编程数据采集控制设备等。

借助工业环网，在不需要重复建设通信线路的情况下，实现井下无线手机移动通讯。该系统可方便实现井上与井下、井下与井上的移动手机通话，可接入煤矿调度网络，实现手机与固定电话（网）的相互通讯。并可以对矿井入井人员、车辆进行实时跟踪监测和较高精度定位，随时清楚掌握每个人员、车辆在井下的准确位置及活动轨迹。利用系统的日常考勤管理功能，对下井人员进行考勤管理。

3.7 应急救援

如果发生井下灾害，调度可以立即从监控计算机上查询事故现场的人员具体位置分布情况、被困人员数量和他们的姓名、调用入井人员撤退线路预案等信息，为事故抢险提供科学依据。此系统能够承担起应急救援的通信任务。井下设备在断电情况下可连续工作2个多小时，工业以太环网结构可以提供极高的可靠性和网络生存能力，使网络在任何灾害发生时尽可能通畅。