智能化采煤工作面监控系统建设研究

吴忠健

（山西焦煤集团西山煤电股份有限公司镇城底矿，山西 古交 030203）

目前，我国正处于转型升级和结构调整的关键时期，随着网络技术与传统工业的深度融合，各行业正迎来一场深刻、巨大的结构化变革，其中，以智能化产业推动传统成套装备的融合、实现产业的转型升级成为时代热潮，煤矿开采行业在提高安全、保护环境的大趋势下，对智能化开采技术与装备的需求尤为迫切。因此，发展以实现无人化开采为目标的智能技术与装备发展、提高智能化采煤工作面建设水平，对我国煤矿开采产业具有深远的意义[1-2]。

镇城底矿拟建设智能化工作面，为提高智能化工作面监控系统建设管理水平，拟对视频控制、矿压监测、工作面三机控制、人员定位以及环境检测五大系统进行研究实践，以在整体上构建高效智能的监测监控体系，实现整个工作面的远程集控智能化运营。

1 工作面视频控制系统

工作面视频控制系统是实现工作面智能化生产的“眼睛”，承担着对整个工作面的监控与记录工作。工作面视频控制系统利用工控平台对视频图像数据进行分析识别，获取工作面煤壁、巷道围岩、顶板的赋存状况，同时实现对工作面液压支架内护帮板、刮板输送机以及支架底座前端的位置的实时追踪，基于分析结果，对三机的位置进行适当调整，有效确保设备的平直度，提高工作面与巷道的支护质量与强度。

镇城底矿22603 工作面采用pm32/vc/eb 型工作面云台摄像仪，可实现330°旋转，工作面每5台支架配备一台云台摄像仪，摄像仪安装于支架的顶梁上。工作面及超前支架摄像仪与控制器直接相连，通过控制器供电和视频传输，利用2pm32/ze/dxm5 型节点交换机、pm32/ze/c3s 型自动化上位机、pm32/ze/x3 视频主机顺槽监控与alz/pc/i40c15d-1 型地面视频储存器进行视频识别与读取。

工作面视频控制系统主要由云台摄像头与工控平台两大系统构成。云台摄像头一般安装在液压支架顶梁处，摄像头朝向煤壁，间距一般以四台支架的距离为宜。云台摄像头与提供电能和控制功能的控制器相连，工作面录摄视频数据可通过数据传输平台传递至工控平台，实现视频数据的分析与显示。工作面视频控制系统结构示意如图1。

图1 工作面视频控制系统结构示意图

工作面视频控制系统主要实现监测工作面设备运行状况、视频跟机自动切换、追踪井下定位人员、通过红外补光生成高清晰度矿井生产现场视频资料，并通过对视频数据的有效分析，生成对工作面的智能化控制指令等功能[3]。工作面视频控制系统图像识别功能示意如图2。

图2 工作面视频控制系统图像识别功能示意图

2 工作面矿压监测控制系统

工作面矿压监测系统是实现工作面智能化生产安全的重要环节，该系统以工控平台为数据处理中心，通过对工作面支架立柱压力监测数据、巷道超前支架立柱压力监测数据和工作面顺槽顶板位移传感器的数据进行综合统计分析，进而生成矿压分布曲线，根据历史矿压数据，预测工作面顶板初次来压的周期与强度，实时制定液压支架支护规划，实现支护设计的超前性、预见性。

智能工作面矿压监测控制系统主要由工作面支架压力传感器、超前支架压力传感器以及巷道顶板位移传感器三部分构成，系统连接示意如图3。

图3 工作面矿压监测控制系统连接示意图

工作面矿压监测控制系统主要实现采集、显示工作面顶板、超前支护区域巷道顶板压力情况，设定预警值，对工作面顶板来压进行预警，以及通过整理分析工作面顶板历史来压数据，分析生成对工作面顶板初次来压与周期来压的实时预警等功能。

3 工作面环境监测控制系统

工作面环境监测系统是实现智能工作面标准化、安全化生产的“监督员”，通过在工作面安装各类环境监测仪器，利用数据传输平台将监测数据传输至工控平台，实时反馈各工作面生产环境情况，针对环境异常数据，及时调整设备运行状态以及开采工艺，确保各指标正常。工作面环境监测系统是实现“数据化管理”、“智能化管理”的重要手段。

工作面环境监测控制系统主要由环境监测传感器与工控平台两大结构组成，其中，环境监测传感器包括粉尘传感器、温度传感器、CO 传感器、瓦斯传感器、风速传感器等。传感器安装在液压支架上，由控制器直接供电，监测数据由交换机连接传输至工控平台，实现对数据的分析与处理[4]。

工作面环境监测控制系统主要实现监测、显示烟雾、CO、瓦斯浓度、风速变化、温度波动等环境参数，通过对超限数据的分析，实现设备的故障闭锁以及环境与综采系统的联动功能。

4 工作面人员定位控制系统

工作面人员定位系统是提高矿井管理水平，确保工作人员施工安全的重要保障，镇城底矿22603工作面对工作人员配备pm32/rc/id 型人员定位识别卡，采用RFID 射频技术配合集成器内无线射频接收装置使用。人员定位卡配备ntz/acn/lad/b 型人员定位充电器，采用无线的方式进行充电。

矿井工作人员利用RFID 射频发射器，可与工作面电液控制系统控制器形成双向通讯，RFID 数据由数据传输平台接入至工控上位机，通过工控平台对数据进行处理，以此制定出相应的保护措施，确保工作面人员施工作业的安全性。

工作面人员定位控制系统主要由人员无线定位卡、以太网控制器与工控平台三部分构成。人员定位卡获取的定位数据通过采用千兆网传输速率的交换机连接传输至顺槽控制室，经由工控平台进行数据处理，显示出人员精确的定位情况。工作面人员定位控制系统结构示意如图4。

图4 工作面人员定位控制系统结构示意图

工作面人员定位控制系统主要实现实时监测当前井下人员动态、精确定位工作面、工作面顺槽以及超前支架区域范围工作人员的位置等功能。其中，精确定位工作面与超前支架范围内人员位置的精度在±20 cm 之间，精确定位工作面两顺槽人员位置的精度在±30 cm 之间。

5 三机控制系统

三机控制系统主要实现就地控制、逻辑控制与智能化控制等功能。工控平台能够显示三机运行状态、电流大小、皮带启停状态、烟雾报警、减速机油温油位以及语音闭锁情况等设备运行状态，进而实现刮板输送机、顺槽转载机、破碎机的集成控制功能。其控制模式主要有自动化模式、单机模式和维修保护模式三种。其中，自动化模式主要实现设备的一键启停机功能，设备启动顺序为：语音报警→顺槽皮带→破碎机→顺槽转载机→刮板输送机；设备停机顺序为：语音报警→刮板输送机→顺槽转载机→破碎机→顺槽皮带。单机模式主要实现设备联锁时，工控平台对刮板输送机、顺槽转载机以及顺槽皮带的直接控制。维修保护模式主要实现设备无联锁时，工控平台对刮板输送机、顺槽转载机以及顺槽皮带的直接控制[5]。

此外，工控平台能够实时监测刮板机电机的电流，实现实时预警，确保三机的运行安全。当工作面煤岩体出现大面积冒落、片帮时，煤岩体会在瞬间堆积在输送机上，造成输送机功率骤增，易引起运输机的过载损坏。而通过工控平台监测功能，能够有效防止设备损坏事故，当监测到输送机功率过载时，系统能够自动降低采煤机的推进速度，停止输送机的运行状态，并通过语音预警，提醒维护工作人员对故障进行处理，降低设备故障率。

6 实践效果

通过在镇城底矿22603 工作面构建以智能化监测监控的智慧矿山运营体系，利用视频控制系统、矿压监测系统、人员定位系统、环境监测系统以及工作面三机控制系统五大板块进行现场实践，实现了综采工作面自行感知、决策及生产设备自动协调联动等智能化监控、生产模式。工作面回采期间，五大系统紧密配合，信息反馈及时，工作面日割煤效率提高了20%左右，生产效率大大提高，各类安全隐患、事故发生的频率大大降低。

7 结语

为全面加快智能化工作面建设步伐，推动高产、高效煤炭开采，基于我国当前推广应用的可视化远程干预智能化采煤模式，提出智能化采煤工作面监测监控系统建设方案，通过建设工作面视频控制系统、工作面矿压监测系统、工作面环境监测系统、工作面人员定位系统以及三机控制系统，力求构建高效智能的开采生产体系，实现整个工作面的远程集控智能化运营。