采煤工作面智能化建设关键技术的应用研究

李 锐

（华阳集团新景矿煤业有限责任公司， 山西 阳泉 045000）

引言

随着科学技术的不断发展，煤矿领域的技术水平也有了显著提升。传统的煤矿开采过程中人是主要角色，主要是通过人为经验来开展相关工作，比如操作机械设备、制定煤矿开采工艺等[1]。这种粗放式的发展模式，煤矿开采效率相对较低，矿井中容易发生安全事故，不利于煤矿行业的可持续发展[2]。随着人工智能、工业大数据、云计算等先进技术的不断发展与提升，将这些技术应用到煤矿开采中，能显著提升采煤工作面的自动化水平[3-4]。通过利用这些先进的科学技术，可以实现主要采煤装备的自动化操作与控制、采煤工艺的科学制定等，使采煤质量和效率有了质的变化[5-6]。本文以某煤矿工作面为案例，详细阐述了智能化工作面建设过程中涉及到的关键技术及其在实践中的应用情况，对于促进采煤工作面智能化发展具有一定的实践意义。

1 煤矿工作面智能化建设基本现状

某煤矿涉及到的井田面积达到了50 km2，经过前期勘探发现内部存储有煤矿8.6 亿t 左右，其中可以开采的煤矿达到了5.5 亿t，可以开采的煤层大约为8 个。由于煤矿规模相对较大，如果仍然沿用传统的煤矿开采技术，则无法满足煤矿领域现代化发展的实际需要。基于此，煤矿集团紧跟时代发展步伐，拟在矿井中已经建设的各种信息化系统的基础上，充分利用当前先进的云计算技术、工业大数据技术、5G 技术等，在矿井中建设智能化采煤工作面。

智能化采煤工作面的建设不是一蹴而就的，需要结合实际情况稳步推进。煤矿企业计划通过三步走的战略，真正实现煤矿企业的智能化运行。第一步，由采煤机械装备的机械化向自动化过渡；第二步，实现采煤工作面的远程监控运行；第三步，建设全面统一的智能化管控平台，对采煤工作面实施智能化控制。目前该煤矿集团正在大力开展第三步的推进工作，取得了很多的应用效果，以下对其进行详细介绍。

2 采煤工作面智能化建设整体方案设计

建设含括监测、管理及控制于一体的煤矿工作面智能化管控平台，是实现智能化运行的基础和前提。基于该平台可以实现采煤工作面运行数据的统一采集、传输、运算与管理。如图1 所示为设计的采煤工作面智能化管控平台的整体方案框图。

图1 采煤工作面智能化建设管控平台整体框图

由图可知，管控平台共划分为4 个层级：

1）设备感知层，主要作用是对采煤工作面中的采煤装备运行状态信息进行实时采集。

2）基础设施层。该层级主要就是一些基础设施，包括云平台、主机及各种网络线路等，作用是为智能化管控平台的运行提供基本的硬件支持。

3）数据服务层。该层级主要是对采集得到的工作面数据信息进行分析和处理，建立相关的数据库和知识库，为数据的进一步应用奠定坚实的基础。

4）应用层。主要是基于数据分析结果开展相关决策工作，比如可以对采煤工艺进行优化、对设备运行状态进行优化等。

3 工作面智能化建设关键技术分析

3.1 基于5G 技术的传输网络

先进的传输网络是实现采煤工作面智能化建设与运行的基础和前提。由于采煤工作面中很多设备和装置需要在工作过程中不停地移动，传统的有线网络无法满足实际使用要求，需要建设覆盖整个工作面的无线网络。该煤矿企业已经实现了工作面5G+WiFi 无线传输全覆盖，在工作面范围内完全可以实现无线数据传输。目前工作面中的瓦斯检测、通风机风速检测、顶板压力检测、视频监控、煤岩识别等获得的数据信息全部基于5G 技术进行无线传输，有效提升了数据传输的效率和可靠性。基于5G技术的传输网络不需要在工作面中铺设大量的电线电缆，降低了网络设备运行维护的精力和成本。另外，煤矿工作面还将5G 技术和VR 虚拟现实技术进行融合，利用工业机器人对工作面中的变电所及其他相关设备实现智能化巡检，无需再安排专门人员开展相关巡检工作，不仅降低了人工劳动强度，还提升了巡检的效率和质量。如图2 所示为基于5G 技术的工作面传输网络。

图2 基于5G 技术的工作面传输网络

3.2 采煤工作面三维实景建模技术

利用时空地理信息系统可以对采煤工作面的三维实景进行建模分析，基于该三维模型可以实现自适应割煤。以上技术只适用于采煤工作面比较简单的情形，如果工作面情况稍微复杂，该技术则难以实践应用。工作面进一步结合惯性导航技术、激光雷达技术、高清视频系统，构建了更加准确的工作面三维实景。具体应用时，利用激光雷达技术可以对采煤工作面中的一些关键装备的主要零部件进行扫描，比如液压支架的立柱、底座，输送机挡煤板，电缆槽等。基于扫描数据建立设备的三维模型，如雷达扫描和高清视频系统的融合使用，可以对煤壁进行扫描，并对煤岩界面进行高效识别。虚拟液压支架模型如图3 所示。

图3 虚拟液压支架模型

3.3 综采智能化控制技术

实现采煤装备的智能化控制是工作面智能化建设的关键环节，以下对工作面的调高、调斜的智能化控制进行简要介绍。

1）调高智能化控制。利用传感器对采煤机割煤过程中的煤层变化以及顶底板变化情况进行检测，并将检测数据传回控制系统进行分析。结合三维实景建模技术提前对煤岩的分界情况进行预判，同时对截割滚筒当前的状态进行识别。在此基础上实现采煤机调高的自动化控制。如图4 所示为采煤机调高的智能化控制过程。

图4 采煤机调高的智能化控制过程

2）调斜的智能化控制。利用三维实景建模技术收集工作面中主要采煤装备的具体空间位置及其姿态，并将结果传输到控制系统。控制系统根据工作面的推进速度，结合内置的控制策略和算法，计算好工作面的调斜量，下达控制指令对液压支架和刮板输送机的姿态进行控制，实现工作面的智能化调斜。

4 智能化工作面实践应用效果分析

4.1 应用情况概述

将上述采煤工作面智能化关键技术运用到煤矿工程实践中，并对这些技术进行不断的调试、磨合，并结合实际情况进行调整，最终各项功能都得以实现。对智能化工作面进行连续三个月时间的调试，运行测试发现工作面中的各项采煤设备都能够正常稳定工作，设备运行状态指标以及采煤工艺指标都达到了理想状态，生产过程连续稳定。标志着采煤工作面智能化建设取得了阶段性的成果。

4.2 经济效益分析

相同的采煤工作面，如果没有采用智能化技术，每个班次通常需要安排25 人。完成采煤工作面的智能化建设工作后，每班次只需安排9 人即可完成所有的工作。每天需要三个班次，则煤矿生产可以节省48 人次。每名煤矿工作人员的人力成本方面按照15万元/年进行计算，则工作面每年可以节省人力成本720 万元。另外，智能化技术在产煤工作面中的实践应用，显著提升了采煤质量和效率，产量得到了大幅度提升。没有使用智能化技术前，工作面每个月的煤矿产量在7 万t 左右，建设智能化工作面后，每月采煤量达到了10 万～11 万t，采煤效率在原有基础上提升了42.86%～57.14%左右。最后，工作面智能化建设完成后，设备运行稳定性得到显著提升，故障率有了大幅度降低，节省了大量的设备维护和保养成本。

5 结语

随着煤矿领域科学技术水平的不断提升，建设智能化采煤工作面是未来发展的必然趋势。在工作面智能化建设方面，我国很多煤矿企业已经开展了很多实践，并取得了很好的实践应用效果。本文主要以某煤矿企业中的工作面智能化建设过程为案例，详细阐述了智能化管控平台的整体框架，以及智能化建设过程中涉及到的一些关键技术。通过建设智能化工作面，在降低煤矿企业人力成本的同时，显著提升了工作面的开采质量和效率，为煤矿企业创造了良好的经济效益。