煤矿井下综合机械化采掘设备智能化改造

张 剑

（国能榆林能源有限责任公司，陕西榆林 719000）

0 引言

随着经济转型，煤炭企业也在谋求升级和转型。智能采掘设备能够极大提高煤矿生产的效率和质量，同时还能缩减井下作业人员规模，降低采矿成本。国家对智能化煤矿建设有详细规划，计划在2025 年之前，形成智能化决策、智能化运行、智能化监管的智能化系统；2035 年之前全面完成智慧煤矿建设。当前，煤矿智能化建设仍在试验阶段，人工智能、大数据运算、5G技术还未与煤矿工业达成深度融合。

1 煤矿采掘技术现状

根据地质条件变化，煤矿采掘的难度和需要的机械设备有所不同。但是从实际采掘情况来看，大部分的煤矿施工都十分复杂，要实现采掘设备全智能化有很大难度。在现阶段的技术背景下，智能采掘设备主要集中在部分采掘技术中，已经能够有效提高采掘效率和质量。

1.1 采掘系统发展历程

国内煤炭开采历史较西方发达国家较晚，在20 世纪中期仍然还在采用人工打眼、支护等方式进行煤矿开采，挖掘效率很低。铲斗后卸式装岩机在1960 年代后开始投入使用，虽然运输效率仍然没有得到提高，支护技术手段也十分落后，但大机械替代了部分人力劳作，减少了煤炭行业对人力的需求。1970年代后期，煤炭行业真正走入大机械时代，许多国际先进的挖掘设备引入国内，简化了煤炭采掘流程，有效提高了煤炭采掘效率和质量。

1.2 岩巷施工作业现状

当前岩巷施工主要有2 种方式：一种是传统的钻爆法。钻爆法开采是使用范围最广泛的煤炭开采方式。其优点是机械构造简易、可靠性和可调整性较强，同时还具有维修方便和成本较低等优点。但是这种煤炭开采方式需要用到大量的劳动力，且施工周期较长。另一种是岩石平巷作业法。这种采掘方法机械化程度很高，优点在于采掘效率高、人力成本少，缺点在于由于采掘机械体型较大，在维修和变更采掘计划时缺乏灵活性，且不适用于小型煤矿开采。

1.3 现有的高效掘进方式

当前比较高效的掘进方式主要有3 种：①煤岩巷综合机械化掘进，这种掘进方式是应用最为广泛的掘进方式之一，适用范围很广；②连续采煤机与锚杆钻车配套作业线，适用于较为特殊的煤矿作业；③掘锚一体化掘进，这种掘进方式功能十分完善，不仅可以实现连续切割运输和支护作业，还具有转载、转向除尘等其他功能，适合全硬岩煤巷采掘。

2 智能采掘系统

2.1 系统功能

智能采掘系统主要依靠感知元器件和执行元器件实现掘进机器的智能化操作。在现阶段的技术背景下，通过大数据技术和影像采集技术，掘进机械已经可以实现可视化操作、自动化操作和远程操作。具体功能包括：远程遥控操作、智能定位和安全系统、自动化控制和速度调节操作、远程监控等。

2.2 系统组成

智能采掘系统主要由主控层、网络层和设备层组成，包括主控、感知、防撞、定位、遥控、预警、通信和集控8 个单元。

2.2.1 主控层

主控层是相关操作人员和计算机进行直接交互的窗口，计算机主要负责对采掘系统运行过程中的各种数据进行收集、分析和处理，并将这些信息处理成图表、图像、声音和视频，方便操作人员读取。

2.2.2 设备层

设备层是进行采掘作业和实现智能化操作的各种设备，这个系统中包含各类感知元器件、网络设备、监控设备和各种型号的采掘设备。需要注意的是设备层中的智能监控和导航设备，智能监控和导航设备是智能采掘系统的设备核心，通过有源监控设备和无源导航设备，可以将煤巷的情况清晰的展现出来，并进行精准定位，再加上自主识别设备和多种传感器的配合，能够使采掘操作更加精准和智能。

2.2.3 网络层

网络层是数据传播和汇聚的中心，又被叫做通信层，主要功能就是实现设备和主控层之间的交流，先将监测数据传递到计算机，再将操作人员的指令传达给设备层，是二者沟通的桥梁。

（1）主控单元。主控单元是整个智能化采掘系统的核心。通过对整个掘进工程的数据和进度采集分析，实现对其他单元的调度和控制，具体功能有：采掘进度安排、采掘工艺编排、采掘计划设计等。

（2）感知单元。感知单元如同是整个智能化采掘系统的眼睛，主要负责通过各类影像设备和感知元器件对采掘设备运行和采掘进程的相关数据进行采集和分析，为主控单元提供数据参考。

（3）定位单元。定位单元主要通过收集采掘设备的走位、对比预设掘进参数，为掘进设备行走调节提供参考。

（4）防撞单元。防撞单元又被称为设备安全单元，主要负责采集采掘设备机身周围数据，通过分析周边地理环境，防止采掘设备和周围岩石发生碰撞。

（5）遥控单元。遥控单元是采掘系统实现智能化的关键单元，遥控单元包含两个部分，一部分是利用互联网实现采掘设备的可视化控制。另一部分是利用计算机实现司机与采掘机械的远程采掘操作。

（6）预警保护单元。预警保护单元是通过对比预设数据和实时采集数据之间的差别，及时发现采掘设备或采掘过程中可能存在的问题，并针对这些问题发出预警，实现故障告警停机，故障预警牵停等功能。

（7）通信单元。通信单元的实时性和准确性影响着整个采掘系统效率跟安全。通信单元主要包括两个内容：①机械设备各部件之间的通信；②主控层和设备层之间的数据传输。

（8）集控单元。集控单元属于联合控制单元，通过对采掘设备机身数据采集，实现对皮带机、局扇风机预计掘进工艺的联动闭锁。司机可以在集控室中通过视频实时监控实现对采掘机械的远程可视化采掘操作。

3 智能采掘系统加强和升级

3.1 加强人机交互界面

标准的可视化系统都具有图显功能，庞大的监控系统具有多画面切换、画面导航等功能，便于管理人员读识监测数据和画面情况。在较新的智能监控系统当中，画面不仅具备平面画面和线路示意图，还能进行三维建模，还原空间地理画面。这种建模功能不同于实时监控画面，是以采掘线路为主要显示内容的建模画面，更具有直观性和参考性。在画面内容的基础上，画面显示也十分全面，除了能够显示采掘设备运行状态之外，还能对采掘线路进行显著着色，能够帮助管理人员发现采掘中的问题。这样的人机交互界面方便读识，对操作人员十分友好。

3.2 加强用户管理设计

通过站控层可以实现对不同用户开放不同权限，这个功能能够将专业人员、管理人员以及普通工作人员区分开来，限制非专业人员的实用权限，例如，在某一采掘设备上设置权限，只允许具有操作口令的专业人员对其进行操作，就能有效防止非操作人员的误操作，能够有效保障采掘系统的安全性和可靠性，减少非专业因素对采掘安全的影响。

3.3 加强数据采集处理设计

采掘监控系统对采掘施工数据采集是实时的，这里的数据采集处理设计主要包括3 个层次：①对数据的采集和收集；②将收集到的数据进行分析，处理成可供管理人员读取的数据；③对重要数据进行存储和加强显示。

3.4 加强记录和故障报警设计

智能采掘监控系统最为强大的功能，除了能够实现对采掘系统的监控之外，还有其强大的数据存储和处理能力。这种能力主要体现在其能够将所有采掘情况、方向变化以及人员操作等因素全部记录下来，生成运行记录，在故障发生时，能够将故障时间、位置和工作人员操作信息一一记录，同时还具备声音报警功能。这项强大的设计不仅能够帮助工作人员第一时间发现故障，还能为维修人员溯源故障原因和追究岗位责任提供准确的数据参考。

3.5 加强信息保护功能设计

这个功能可以说是一项定制功能。可以通过设置保护定制和保护动作，对煤矿的采掘运行状况信息进行保护，并实时生成运行报告、故障报告、处理报告以及报警报告等。

4 智能采掘系统未来展望

现阶段人工智能和大数据运算在掘进技术中的应用还停留在较为浅层的阶段，数据的采集效率、数据全面性和精准性以及数据传输的效率尚不能支撑起智慧采掘系统，无法实现包括自动截割、智能挖掘在内的自动化操作。但远程遥控系统的实现充分说明了数据通信链路通畅能够实现掘进动作控制，可以畅想当5G 技术成熟，数据传播加速后，对设备控制精度和控制范围的影响。相信在不久的将来，可以实现由井下掘锚机、多臂锚杆钻车、破碎转载机、可弯曲胶带转载机组成，配备通风除尘、控制通信等设备的一体化高效快速掘进系统，甚至实现掘进设计和掘进施工的全自动化、全机械化，大幅度减少人力使用。

5 结束语

煤炭行业是主要的能源行业之一，和人们的生活、城市的发展息息相关。随着互联网云计算和大数据等信息化技术产生和发展，煤矿行业正在不断进步，完成从劳动密集型向技术密集型行业的转变。而感知识别、数据进度、掘进参数和采掘决策以及多系统协调仍然是现阶段的智能采掘系统面临的主要问题。人工智能和煤矿采掘设备的融合探索才刚刚开展，通过信息技术实现智能化采掘策划、智能化采掘施工和智能化采掘监管的前景无限广阔。