煤矿智能化工作面的建设与成果分析

郭勤勤，张 浩，连 政

（山西高河能源有限公司，山西 长治 046000）

我国煤矿智能化的建设经历了从机械化、自动化、智能化到无人化的发展历程[1]。目前针对于综采工作面的智能化工作仍处于起步阶段，但由于其是智慧矿山建设的重点环节，现代化矿井的建设必须要积极面对[3]。目前智能化工作面建设的主要技术难点包括工作面的调斜、调直与调平工作，还有设备的人值守、系统远程控制中的抗干扰性和传输效率等问题。这些问题都严重地影响了智能化矿山建设的进步空间及推广覆盖。因此如何提高工作面智能化程度、降低企业劳动成本是实现智能化开采的重要基础，笔者在此将对智能化工作面的建设进行详细阐述[3]。

1 综采工作面智能化发展现状及关键技术

1.1 综采工作面智能化发展现状

王金华对国外智能化开采技术进行细致的总结，并对国内智能化开采理念进行了框架化的设计，并将智能探测、智能导航和智能控制视为矿山智能化的重点发展方向[4]；张良[5]等通过对比综采工作面自动化、智能化、无人化的区别，阐明了工作面智能化得到重要性和关键技术。黄曾华[6]详细分析了综采工作面智能化的发展阶段和未来趋势，并给出了相关技术建议和策略。

根据我国煤炭工业的发展进程，煤矿智能化建设大约可以分为四个阶段：即机械化、自动化、数字化和智能化，如图1 所示：第1 阶段以机械化生产代替人工劳动为标志，例如液压支架实现自动跟机、采煤机可以记忆割煤；第2阶段以矿井主要设备实现自动化运作、工作面实现远程遥控为特征；第3阶段以工作面引入数字化技术为特征，包括工作面自动化生产、矿井自动规划等方面；第4阶段为最终的智能矿山阶段，综采设备实现自适应开采并可以深度学校，井下无人机等设备可以完全代替人工采煤，实现无人值守。

图1 智能化矿山的发展阶段图

1.2 综采工作面智能化开采的关键技术

开采装备的可靠性。开采装备的可靠性作为智能化开采的首要问题，主要由两方面系统组成，包括装备的原生可靠性和系统传感器零部件的可靠性。装备的原生可靠性主要通过初始设计、制造组装、系统测试等多位一体的方法进行保障。但更重要的是如何保障智能化传感器零部件的精准运作。由于井下工作环境复杂多变，为更快地适应该环境，需要不断地对环境进行模拟测试，对数据进行的实时的记录、传输和反馈，最大程度上降低传感器的故障率。

设备自身状态的检查及对环境的适应。井下工作面环境恶劣，设备之间的安置与连接错综复杂。在目前的使用中,仅有推移、红外、压力、倾角、采高等通用传感器可以保持较高的灵敏度，而新型的煤层物探技术、探测精度、激光雷达等先进技术还难以满足需求，智能化程度更深的工作面巡检的机器人大范围推广还有待提升。

工作面的直线度控制。工作面的直线度对煤炭的正常开采有着重要的影响。就目前所掌握的技术而言，对支架在自动跟机过程中的精准移动缺乏有效控制。在复杂条件下，如大倾角工作面、薄煤层开采等问题还需对其智能控制技术进一步的完善。除此之外，机械设备间的连接情况、工作面围岩稳定性情况、执行系统的响应特性等都会影响工作面的自动调直。在进行系统研发时，不仅要提升工作面自动调直的精确度，还要注意使用成本的控制。

2 综采工作面智能化开采技术创新实践

根据资料判断，现高河煤矿E2308 工作面具备智能化实施条件，通过大量新设备的投入使用（电液控制系统、变频控制开关、集中控制系统、乳化液泵站自动远距离配液、反渗透水处理设备等，具有较高的科技含量），可以显著提高井下设备的自动化程度，对安全生产有很强的促进了作用。

2.1 工作面总体架构设计思路

高河煤矿智能矿井建设是以“1+3+N”的建设理念为基础，分别代表以1个集团为中心，创建3个IT基础设施平台，即：1张网融合通信平台，1个云数据分中心和1套智能管控平台，并配有“N”个智能系统。通过一系列智能化的建设，最终达到安全经济、降本增效的目的。

2.2 主运输皮带的无人值守

E2308 工作面将依托高河煤矿的工业环网进行建设，并在主皮带机头安装有网络监控摄像头，通过集控系统进行远程监控。在主运输机的无人值守方面，高河煤矿优先对西胶皮带、南胶皮带、北胶皮带、南胶二部皮带、北胶二部皮带、东胶皮带、配仓皮带共计七部皮带完成了升级改造。

2.3 专业信息化系统建设

智能化工作面所涉及的信息化系统主要包括安全监测监控系统、移动目标精准定位系统、工业电视、IP应急广播、调度通信、水文监测、瓦斯抽采监测、矿压监测、洗煤厂集控、装车站集控、主井提升监测、主通风机监测等23 个建设方向。高河煤矿的MOS智能矿山管控平台目前在实现矿井综合自动化管理平台升级改造的基础上，提升了煤矿智能化水平。具体来看实现了安全监测、人员定位、主井提升、主通风机、瓦斯泵站等系统的综合集成和系统融合，未来智能工作面建设无需再投入用于数据统一集成、数据融合展示等方面的成本，有效实现降本增效，并通过二三维可视化的方式展示进行统一集成与融合联动，无需调取和切换其它子系统即可获取数据。

3 预期效果

在未来，高河煤矿的智能矿山建设将基于统一的数据输入与输出进行规范的优化，校对数据编码和数据接口，实现所有参与矿井智能化建设的子系统厂家、集成商等单位都必须按照统一的一个标准参与建设和相互对接，有效降低维护和管理成本。在此过程中，预期将收获以下三方面的成果。

3.1 可以培养专业的智能化矿山的管理运维团队

在E2308 智能工作面的建设中，可以为企业培养一支包括运维、研发、业务应用推广在内的专业技术队伍。以信息化带动工业化，工业化促进信息化，全面提升高河煤矿工业结构整体的优化升级，对本行业起到示范引领作用。同时，也响应了国家“两化”融合的号召，使信息化成为能源企业经营管理的常规手段。

3.2 机电设备的故障率大幅下降

随着智能化工作面的建设，煤矿的设备故障率、停机率、网络故障率、日常待办任务处理延期率将大大降低，煤矿的生产效率也得到相应提高。

3.3 工作优化程度加深，人员减少，安全生产提升

在矿山智能化建设中，无人值守自动系统每建成一个，相应的岗位减少一个。只要具备无人值守的条件，矿井相应地就应该按照无人值守的要求调整岗位、配置人员，下达用工计划，实现井下逐步优化减员、地面有序转岗分流。见表1。

表1 工作面建设完成前后人员配备表

4 结束语

智能化工作面的建设是一项综合性较强的跨学科、跨专业的前沿采矿技术,涉及精准勘探、高效传感、大数据融合、设备信息物联等集成。高河煤矿依托工业环网，终端查询系统高度集成以太网、视频、音频、通信、无线、监测、控制等多种技术，实现在顺槽监控中心对液压支架、采煤机、刮板输送机、转载机、破碎机、顺槽胶带机、泵站、开关等综采设备集中管理与控制。新设备新技术的应用，有效提高了智能综采工作面集约高效生产水平，机电事故率平均降低了25%，设备运行电费节约10%；人员数量减少50%，将原来生产班每班24人，减低至每班12人。