煤矿智能化开采系统功能及典型模式分析研究

2022-03-04侯刚

中国煤炭 2022年2期

侯刚

(1. 中煤科工开采研究院有限公司，北京市朝阳区，100013；2.天地科技股份有限公司，北京市朝阳区，100013)

随着国内外智能化开采技术的不断推进，我国部分现代化矿井智能化开采水平也在显著提升，为我国煤矿合理、高效、完全、绿色、持续的发展提供了有力保障[1-4]。

由于我国煤层分布广泛且复杂多样，开采方式和开采形态不尽相同，有年产千万吨的中厚煤层大型矿井，也有年产几十万吨的薄煤层中小型矿井，加上各个煤矿人员素质、装备现状、运输方式、地理位置、煤质情况、销售状况和各矿经济效益等各不相同，智能化开采也面临着如何应用和配置合理技术和装备的问题[5-10]。笔者基于目前国内智能化开采的现状和未来的发展，提出智能化开采系统分为3个层级系统，并分析介绍了4种典型的智能开采模式，认为煤矿应根据实际需求，针对性地设计、应用和研究，选择适合煤矿自身特点的智能化开采技术和装备。

1 智能化开采总体架构及现阶段目标

1.1 智能化开采总体架构

智能化开采按照部署空间位置划分为采煤工作面采场布置层、运输巷智能化集控中心层和地面分控中心层3个层级架构，按照系统主要功能架构可分为单机控制系统层、井下工作面智能化集控系统层和地面分控中心3个层级。智能化开采总体功能架构如图1所示。

(1)单机控制系统层。该层主要实现单机子系统的智能监控，主要包含采煤机控制子系统、运输机“小三机”控制子系统、电液控制子系统和其它控制子系统等智能化开采系统。每个子系统主要通过基础传感器的设备感知获取各设备的实时状态，通过子系统的综合判断实现子系统自身的决策分析，然后下发控制指令完成对子系统单机设备的智能控制。

图1 智能化开采总体功能架构

(2)井下工作面智能化集控系统层。该层主要通过工作面网络实现对各单机子系统和其它关联子系统的数据获取，从工作面总体的系统层面实现进一步的智能化联动，从而实现对采煤机、刮板输送机、液压支架、运输巷带式输送机、供电、供液等系统的智能化分析，并将分析结果实时显示告知操作人员，同时将智能化分析操作指令下发给各单子系统实现智能控制。

(3)地面分控中心层。该层主要通过矿井网络将井下工作面智能化集控系统数据上传至地面，在地面进行大数据长时间进一步的智能化分析和判断，并实现和矿井综合管控平台类系统的对接，以实现智能化开采系统和智能化矿山系统的智能联动控制。

1.2 智能化开采现阶段主要目标

(1)智能化开采设计和应用目标。现阶段，智能化开采的设计和应用的总体目标应该从以下4个方面考虑。一是提高智能化开采工作面的智能化程度，在地质和其它条件具备的情况下，实现工作面内无需长时间有人操作、有人巡视、工作面内和集控中心进行人工干预的工作方式；二是降低工人劳动强度，从现场操作工到巡检干预工和远程干预操作工的转变；三是提高工人和设备的安全系数，减少工作面内操作人员数量，转移到安全系数相对较高的运输巷集控中心进行远程操作；四是根据各矿实际情况，智能化开采验收要满足行业标准，按实际需求配置适当的智能化开采研究。

(2)智能化开采功能目标。从智能化开采功能上的总体目标应以先进可靠的电液控系统、通信系统、集成供液系统、采煤机记忆截割控制子系统、智能喷雾降尘系统、智能煤流负荷控制系统、工作面照明等系统为基础，以工作面人员识别系统、顶板压力检测系统、设备故障诊断系统、安全监测监控系统、工作面视频系统、智能移动管理系统、三维模型显示等系统为保障，按需配置研究和试验工作巡检、采煤机电缆自动张紧、三维扫描建模、三维真实驱动、全寿命周期管理等系统，以千兆及无线通信工业网络为通道，以数据分析和处理为依据，以高端集控设备为平台，建设以实现井下集控、地面远控为目标[11-12]，具有智能运行、智能信息获取、智能决策分析的安全、高效、节能的智能化综采工作面。

(3)智能化开采工作面人员配置目标。智能化开采工作面人员配置目标可以按照6～8人考虑。主要是实现工作面内有1～2人巡视，完成对采煤机采煤过程的必要人工干预，完成工作面液压支架动作质量、调直、补架等工作。工作面机尾回风巷位置配置1人，主要完成回风巷超前支架、端头支架等干预调整；工作面机头和运输运输巷配置1～2人，主要完成转载破碎机、带式输送机自移机尾、端头支架、超前支架等干预动作；运输巷集控中心配置1～2人，主要负责工作面所有设备的远程实时干预。

2 智能化开采系统组成及功能

基于技术和装备成熟的程度，将智能化开采系统分为智能化开采基本系统、成熟可应用系统、研发试验阶段系统3个层级，各系统具体组成如图2所示。

图2 智能化开采3层系统组成

2.1 智能化开采基本系统主要功能

智能化开采基本系统是智能化开采的必要系统，主要包括电液控制系统、采煤机智能控制系统、智能煤流负荷控制系统、集成供液控制系统、设备列车系统、工作面供电系统、工作面遥控干预系统、工作面视频系统、工作面语音通讯系统、矿压分析系统、千兆及无线网络系统等组成。

(1)电液控制系统。该系统主要在每台液压支架配置控制器、电磁阀，按需配置红外接收、立柱压力、推移和伸缩梁行程、采高、主要结构和护帮倾角等传感器，实现液压支架的动作控制、显示、急停、闭锁、报警、跟随采煤机控制液压支架动作、自动找直、防碰撞、自动找直执行等系列化动作。

(2)采煤机智能控制系统。该系统通过配置必要的电器类、压力、角度等传感器，实现对采煤机数据的采集、上传、分析和动作执行，通过记忆截割、路径规划、实时调整等方式完成自动调高、卧底、加速、减速、割三角煤、斜切进刀等采煤机工艺。

(3)智能煤流负荷三机控制系统。该系统通过配置必要的煤流扫描传感器、变频器、伸缩机尾等设备，实现根据煤流量、有功功率、煤机综合参数等分析判断，实现对“小三机”的智能调速、智能启动、停机松链、自动张紧运输机等功能。

(4)集成供液控制系统。该系统通过配置必要的液位、压力、配比浓度等传感器，主泵配置变频器来实现乳化液供液系统和供水系统的智能控制，实现自动按需供液供水、自动配液、防爆管、多级过滤、反渗透、恒压供液等智能化功能。

(5)设备列车系统。该系统目前主要有轨道式、单轨吊式和自移式设备列车3种方式，主要负责安放工作面供电、供液、集控中心、工具、备件等。但个别巷道变形严重和其它有条件的矿井也可采用远距离供电供液的方式。

(6)工作面供电系统。该系统主要由移动变电站、组合开关、变频器、电机、照明综保等设备组成，为智能化开采工作面提供电力保障。随着技术的不断进步，变频一体机、永磁电机等供电设备应用也越来越多。

(7)工作面遥控干预系统。该系统通过配置遥控器实现对采煤机、液压支架、设备列车等远程遥控操作。

(8)工作面视频系统。该系统主要完成对工作面设备工况、人员情况的实时监测、实现跟机视频自动切换、高清彩色图像、特定事件和人员跟踪等功能，目前大多数新配置的摄像头一般不低于1 080 p。

(9)工作面语音通讯系统。该系统主要通过配置闭锁和喊话装置，实现对工作面刮板输送机等设备进行紧急情况闭锁和全工作面语音通话。

(10)矿压分析系统。该系统主要实现对工作面压力趋势、矿压分步、周期来压等相关压力状况进行统计分析。

(11)千兆及无线网络系统。该系统主要实现对工作面数据、视频等通过有线环网和无线辅助通信的方式进行传输。

2.2 智能化开采成熟可应用系统主要功能

成熟可应用的智能化开采工作面系统主要是指根据各矿井实际需求可按需进行配置的部分系统，主要包括惯导找直及精准推溜系统、人员安全感知系统、智能终端APP系统、综采故障诊断与维护系统、远程运维系统、工作面三维显示系统、环境参数联动系统、煤流运输联动系统、电力联动系统以及通信调度电话系统等。

(1)惯导找直及精准推溜系统。该系统在采煤机配置惯性导航系统、液压支架推移行程控制执行结构上配置精准推溜阀组，实现工作面控制精度在50 cm的自动找直，从而实现工作面连续推采。

(2)人员安全感知系统。该系统通过在工作面人员携带的人员定位识别卡实现人员所在区域的感知，如人员在危险区可实现智能闭锁的相关设备，一般安全感知精度不大于20 cm。

(3)智能终端App系统。在该系统中工作人员在有网络的地方通过PAD类和手机类终端可实时掌握工作面设备和环境等实时工况。

(4)综采故障诊断与维护系统。该系统通过设备自身监测参数结合必要的振动等传感器实现对设备故障的基本感知并提出维护维修建议。

(5)远程运维系统。该系统在地面配置单独的服务器，在矿方授权范围内各系统厂家可远程实时了解井下系统和设备状况，提供远程维修、维护和保养等技术支持。

(6)工作面三维显示系统。该系统主要通过三维方式对智能化开采的设备和总体情况进行展示。

(7)环境参数联动系统。该系统主要实现与其它工作面相关类系统实现数据联动，实现与通风、瓦斯、粉尘、两巷压力等传感器和数据联动，当发生报警和不具备开采条件时，智能化系统按照逻辑关系停止工作面设备操作。

(8)煤流运输联动系统。该系统主要实现工作面设备与运输巷带式输送机、主运带式输送机、选煤厂等煤流运输系统联动，根据煤流运输系统实时工况对工作面设备进行智能启停和调试控制。

(9)电力联动系统。该系统主要是实现工作供电系统与盘区变电所和中央变电所供电系统联动，根据关联供电系统工况控制工作面供电系统实时动作。

(10)通信调度电话系统。该系统主要实现工作面语音通信系统与地面调度电话系统联通，实现工作面语音通信和地面调度电话语音实时互联和通话。

2.3 智能化开采研发试验系统主要功能

研发试验阶段的系统主要指在个别具备条件的煤矿和场景所应用，但暂且不具备大面积推广应用的相关系统。该系统主要包括工作面巡检系统、采煤机电缆自动张紧系统、超前支架与自移机尾协同推进系统、三维扫描建模系统、三维真实驱动系统、透明地质系统、图像识别系统、AR/MR系统、单兵装备系统、设备精准维护与全生命周期系统等。

(1)采煤机电缆自动张紧系统。该系统主要通过配置拉力传感器、牵引装置、张紧油缸、缓冲装置、变频控制等设备，实现采煤机在行走过程中电缆始终处于合理的张紧状态，防止出现电缆掉落电缆槽外和电缆多层重叠的情况。

(2)超前支架与自移机尾协同推进系统。该系统主要通过在超前支架与自移机尾配置姿态、压力、行程、测距等传感器来实现与工作面设备协同自主移动。

(3)三维激光扫描系统。该系统通过在工作面及巷道合理布置激光扫描传感器实现对工作面设备状况、地质环境变化、各系统运行情况的实时建模和比对，通过比对分析出设备和环境的变化情况。

(4)三维真实驱动系统。三维真实驱动比三维可视化显示更进一步，实现三维模型和井上设备数据的实时关联和真实动作，应具备通过模型反向控制井下设备的能力。

(5)透明地质系统。透明地质是在勘察结果的基础上通过电磁、雷达、微震、煤岩识别等多方式多手段，动态修正和形成工作面地质动态模型，为智能化开采的规划截割提供技术支撑。

(6)图像识别系统。该系统主要通过图像识别技术和AI类视频算法、实现对工作面设备动作、煤流变化、人员行为等综合分析和监测。

(7)AR/MR系统。AR/MR技术是通过佩戴对应的AR/MR眼镜类装备，实现对设备状态、维修指导、设备巡检、实时视频和语音通信等功能。

(8)单兵装备系统。该系统主要指通过佩戴的单兵AR、手机、PAD、点检仪等智能终端设备，来方便相关人员及时掌握了解和获取设备工况、辅助分析决策的目的。

(9)设备精准维护与全生命周期系统。该系统比故障诊断和维护系统更深入一步，可实现对个别设备具体的故障诊断与维护。例如某故障传动齿轮的精准定位，并能和上位机软件配合实现对设备从采购、使用、报废全过程的智能化管控。

2.4 智能化开采井下集控和地面分控系统主要功能

(1)井下分控中心主要由配置必要的工控主机、显示器、操作按键和有效防护空间构成，主要完成对采煤机、液压支架、运输机“小三机”、集中供液、供电及其他关联系统的数据获取、分析、处理、管理、支架人工干预提醒等智能控制功能。多数会配置6台显示器、系统对子系统控制响应时间一般要求小于120 ms。

(2)地面分控中心在功能上与井下集控中心具有的分析和控制功能一样，在既有井下集控中心功能的基础上，更注重数据的长时间分析、统计和查询，同时也负责完成与综合管控平台类系统的对接和数据交互等功能。

3 智能化典型开采模式分析

(1)中厚煤层智能化开采模式。该模式需具备较好地质条件，因此在这类开采模式下更容易取得相关技术和装备研究上的突破。例如在黄陵矿区中厚煤层进行了无人操作有人巡视干预的智能化开采模式，该模式在陕北地区大型矿井薄及中厚煤层也取得较好的应用效果，特别是在陕北侏罗纪4-3煤层1.1 m薄煤层开采方面，凉水井煤矿、张家峁煤矿在薄煤层上进行了大胆尝试和创新，在设备精小化、电缆自动张紧、设备可靠性等方面取得了较好的应用效果。

(2)大采高工作面人机环高效开采的模式。大采高工作智能化在大空间强矿压的条件下，在开采过程中容易造成围岩失稳、形成片帮、冒顶等问题，在大采高智能化开采过程中对煤壁片帮预测监测、压力综合分析等方面要求更高。目前在曹家滩煤矿正在开展10 m超大采高智能化开采的相关研究工作，属于国内外最大的一次采全高项目。

(3)综放工作面智能化控制与人工干预辅助放煤模式。放顶煤工作面在一次采全高的的基础上应注重采放协同高效连续开采，在放煤机构实时监测，通过声音和图像等方式判断放煤过程方面都在进行研究。但目前综放工作面主要还是以时序控制放煤加人工干预放煤，优化智能调整放煤时间的方式为主。

(4)复杂地质条件下“机械化+智能化开采”模式。该模式最为复杂，因地质条件复杂，在如何解决液压支架自支撑、邻架拉架、底推、顶梁支挤等控制方式上还需进一步研究。对复杂难采煤层应从装备及系统稳定性如何提高，如何最大程度降低现场操作人员的工作强度，如何提高复杂煤层总体的安全水平上进行重点突破，不宜配置过多和过于复杂的智能化系统和装备，可适当配置处于研发试验阶段的智能技术和装备。

4 智能化开采的相关思考

4.1 智能化开采工作面验收上相关注意事项

考虑到我国煤炭资源分布广泛、煤层赋存情况复杂多样等实际情况，近期国家和行业相继出台了《智能化采煤工作面分类、分级技术条件与评价》和验收办法等文件，鼓励有条件和基础的矿井进行相关的研究和攻关工作，绝大部分矿井可以等待部分试验矿井对相关的技术和装备成熟后直接应用相关成果。

对相关文件和要求中涉及到的几个子系统功能应合理考虑，例如对工作面巡检机器人应根据实际需要和布置空间的合理考虑，在个别具备条件的情况下开展试验。工作面不间断电源应重点考虑运输巷集控中心主机和各系统的主机在断电时的应急供电，主要是为了解决系统重新上电需要配置相关参数和重新登录系统等问题。多倍变焦摄像头应根据实际实施单位情况不需要全部配置该类摄像头，可选择性的在超前支架、端头支架、设备列车等处适量选用。对抑尘点智能联动可通过对抑尘点增加相应的电磁阀组实现和系统联动，在设备开机前电磁阀打开抑尘管路，设备停机后延时关闭电磁阀，关闭抑尘装置的方式实现。对煤流量非接触式感知设备可根据实际情况合理配置，实现主要监测功能即可。

4.2 智能化开采工作面传感器配置及相关设备系统投入与效能发挥方面的思考

智能化开采工作面作为煤矿保障产能的核心板块，随着智能化开采的进步，工作面系统配置的各类传感器也逐渐增多，智能化程度越高对传感器完好性要求就越高，传感器出现故障直接影响智能化开采效率。因此综采工作面传感器在生产加工、设备安装、使用、保养、维护维修等环节受多种因素影响，应对影响智能化系统及传感器等整体寿命的主要原因进行综合分析和研究。

当前一个配置较高的智能化工作面单纯在智能化相关设备和系统的投资大多数都在2～4千万元之间，较大的经济投资如何提高智能化相关系统的可靠性和充分发挥各系统和设备的效能显得尤为重要。应考虑从智能化相关系统和设备的生产源头开始抓起，在生产、组装、调试、使用、维护到管理等全过程管控，找出各薄弱环节，并针对性地提出解决和提升方案，建立生命周期模型，来保证智能化系统及装备的可靠性，充分发挥综采智能化的作用和智能化的经济价值，保证智能化系统可靠、稳定、长时间运行，保障综采工作面高效、稳定、低成本运营。同时应考虑和建立智能化系统相关传感器完好率对智能化开采的影响关系等关系模型。