矿井智能化无人化建设研究

张 鹏,吝 柏

(陕西陕煤黄陵矿业有限公司一号煤矿,陕西 延安 727307)

随着物联网、云计算、大数据、人工智能、区块链等技术的飞速发展，煤矿工业正从机械化、自动化、数字化，向智能化方向发展。特别是在国家发改委、能源局等八个部门共同发布《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》后，煤矿智能化已经成为了我国煤炭安全高效生产的发展方向，也是我国煤炭安全高效生产的必然趋势。陕西某矿地下工程环境比较复杂，急需对其安全、环保、生产和操作环节进行智能技术的更新和更新。

陕西某矿山在“5G+工业互联网”的基础上，按照“数据统一、模型统一、平台统一、方案统一”的思路，以“云边协同、管控一体化”的智慧矿山建设为研究目标，开展无人矿山的研究和应用示范，建立了云边协同、管控一体化的智慧矿山建设模式。

陕西某矿山作为重点建设矿山，以“5 G+工业互联网”的无人矿山为研究对象，以“无人矿山”为目标，构建安全、高效、智能矿山建设的典范，并在此基础上，探索出一条新的智能化建设途径与管理模式，为我国煤炭资源的开发与利用提供了更加优化的思路。

1 四化融合

1.1 装备智能化

(1)综采智能化。在综采工作面安装了瓦斯安全连锁装置及操作人员接近装置的自动辨识装置；采煤机能适应各种条件下的记忆式切割，能实现工作面的自动矫直及遥控介入；采用液压支架和采煤机的联动和适应性，实现了液压支架的自动上架和下落；介绍了一种新型液压系统的设计方法。在地面上建立一个统一的操作平台，实现对各种设备的集中远程控制，利用云视摄像头实现对施工过程及设备的实时监控。

(2)掘进智能化。建立了掘进队的地面中央控制中心，使掘锚机能够实现自动切割，人工遥控；自控式安全保护；实现了掘进机的主要生产设备的智能化和连通性。该机采用变频控制。智能除尘装置得到了广泛的应用。通过多组网的智能馈电开关来实现电网的集中管理，通过云端平台的摄像头来实现对主要设备的实时监测，用智能化的辅助设备来取代常规的维护。

(3)辅助运输智能化。建立一个智能调度管理系统，利用无线基站提供的无线网络，实现车辆音频调度，语音通话，利用超宽带定位讯号对车辆进行定位及超速预警。在矿井下的车辆上增加一组辅助设备，可以实现矿井下车辆的倒车雷达、倒车影像、事故影像再现等。为井下车辆配备准确定位卡及对讲机，通过智能手机配置车辆管理APP，实现井下车辆语音调度、管理等功能。为保障矿井辅助运输的安全性与高效性，开展了电子化维护、电子档案、无人驾驶等方面的研究。

1.2 生产无人化

(1)通风系统无人化。主要的通风系统和部分通风系统都使用了变频调速，实现了对其进行了远程调整，并与矿山的需求风量和瓦斯的浓度进行了智能联动，实现了对其进行在线的故障诊断；一键式不停风和倒机。实现了对通风装置的远程控制、自动化调试、三维模拟及最优调试。实现了对通风能力的及时审计、评估、报警，以及对风网进行了实时的计算与优化。建立了风速、风阻实时监测与智慧决策平台，并具有在常态下进行最优化的调节，在灾难下进行最优化的控风功能，可以实现对其的远程自动调节。该系统具有自动监控、自动辨识、自动报警等功能。实现了对设备的日常运行、实时监控、失效模拟、预见性维护，达到了“四合一”的整体管控。

(2)主运系统无人化。主运输系统能实时监测煤流的变化情况，系统通过远程集中控制实现变频功能。基于无接触感知装置的应用，结合边缘计算、智能分析等前沿技术，将多条交通路线连成一个有机的整体，实现交通的智能化、安全高效。

(3)固定岗位无人化。在变电所的日常值守、配电室控制、低压开关状态控制、电缆线路绝缘状态检测、自动降尘喷雾、自动灭火等功能上实现自动化，实现无人作业。系统能够对各区域的电能使用数据进行采集，并形成数据运行报表，分析数据变化的趋势，同时能够及时地监测到异常的信号变化，一旦出现故障，能够及时地进行报警，并及时定位异常情况出现的位置。同时还会将故障信息存储起来，形成数据档案，便于后续的分析与研究。

1.3 管控一体化

(1)智能一体化管控平台。随着工业互联网的快速发展，越来越多的企业开始使用工业互联网技术来管理和控制生产过程。工业互联网是建立在物联网和云计算技术之上的，它将物理世界和数字世界紧密联系在了一起。在这个新的生产模式中，数据融合集成和业务高效协同是非常重要的。通过数据融合集成，企业可以将不同部门的数据整合在一起，以便更好地进行业务分析和决策。这对于企业的生产效率和质量管理至关重要。此外，在工业互联网的环境下，不同业务之间的高效协同也是必不可少的。企业可以通过集成不同的业务系统，将各个业务之间的信息共享和交流变得更加流畅和高效。

(2)灾害预警系统管控平台。以瓦斯、水、火、顶板、粉尘等五大灾害作为主要研究内容，从矿井的自然状况与生产状况出发，对与矿井实际状况相吻合的单一灾种进行分析，并以其为基础，通过本项目的研究，将形成一套基于多灾种融合的灾害预警系统与模型，并在此基础上研究应急装备的智能化配置技术，为灾害后的应急保障工作提供有力支撑。

1.4 建设标准化

(1)标准规范。以智慧矿井的建造为中心，制定出一套标准和规范，其中包括设计规范、建设规范、运行规范。标准规范中需要设计智能矿山在建设和运行中的一些关键技术，如基础信息技术、运行监控技术、智能化控制技术等等。

(2)管控模式及效益规范。在先进的信息技术的支持下，结合先进的管理思想，创新矿井无人化管理模式。集中矿井中的各个模块，如感知系统、决策系统、传输系统能，实现实现数据的大融合，并逐渐强化矿井的自动化管理功能，使之具有自动采集、分析、决策执行的能力。

2 81309综放工作面智能化建设

本文重点对陕西某矿81309 综采工作面进行了阶段性的总结，对影响其开采水平的若干主要技术问题进行了分析，归纳出了一条实现综采工作面智能化的途径与管理方式。

2.1 建设目标

初等智能化综采工作面，形成“联合操作+人工监控+远程介入”的开采模式，达到中等智能化程度，回采工作面采用无人开采方式。

2.2 建设成果

(1)智联。在81309 的智能综采工作面上，已完成了对采煤机、刮板输送机、转载机、破碎机、皮带输送机等的单动和联动控制；已完成了与机移架、成组推溜、成组放煤、成组拉后溜的自动化；已在工作中完成了前后方的视频覆盖；目前，综采装备已完成综合控制与信息交互、联动控制和遥控器的一体化控制，并通过矿井监测系统的“一键启停”，大幅度降低了工人的劳动强度，使工人人数比原来降低了10%。

(2)智控。目前，81309综采工作面的采煤设备全部采用了记忆截割，2个工作面的掘进机和转载机的运转都与前面的支架配合，工作面的4 G/5 G/WiFi 信号全覆盖，并设立了“一键启停”的地面远程控制中心，使作业人员的数量下降了30%。

2.3 需进一步突破的关键技术

目前，在81309煤矿机械化采煤技术方面已有一些科研进展，但还没有实现“无人化”。

(1)要想在综采工作面上进行少人甚至无人操作，目前的视频监控系统缺乏一定的空间尺度（也就是3D空间坐标），迫切需要可以对工作面3D 空间信息进行精确感知的技术进行深入的探索，为最终实现综采工作面的无人操作打下坚实的基础。同时，通过采场的3D 信息，实现了对地质模型的局部精细化，为煤层的精确切割提供了技术支持。针对这一问题，本课题提出了一种激光雷达的高精度实时定位与地图构建、多传感器信息融合、激光雷达的防护与校准方法，对空间坐标系的整合技术进行了探讨。

(2)在此基础上，深入开展基于双目立体视觉的照明非接触检测和精确控制技术，实现综采工作面环境的智能感知和控制；在此基础上，研制了一套以图像为基础的智能化煤层开采试验系统，并对其进行了图像获取试验，建立了煤层开采过程中的图像库，并对其进行了预处理；最后，通过室内与现场采集到的煤粉图像数据，对模型进行学习与检验，从而达到对煤粉图像的准确、智能识别。通过对放煤过程的数值模拟，研究放煤过程中煤粒粒度等因素对卸载和堆垛的作用机理，揭示放煤和堆垛的空间分布规律。通过对不同粒径的煤颗粒在不同粒径下的堆积体中的混合程度进行研究，并对其进行定量化求解。

3 智能化建设面临的问题

通过建设该矿井的智能综采工作面，作者深切感受到智能开采完全改变了过去的煤矿生产模式，并逐步实现了矿井的无人化；与此同时，煤炭企业肯定也将从劳力密集向技术密集的方向发展。但是，我们也应该认识到，当前，我国煤矿智能开采的发展仍处于初级阶段，离真正意义上的智能生产和运营仍有相当大的距离。

(1)技术转换率较低。新一代信息技术难以迅速地转变为生产力，所以，在当前的煤矿生产设备中，大多设备仍具有质量大、功能单一的特点，远远达不到智能化生产的要求，在一定程度上阻碍了工作面智能化的发展。所以，厂商应该积极研发适合5G及矿山作业的智能装备，以适应矿山作业的需求。

(2)系统可靠性不高。在矿井下，大多数设备中的传感器都有寿命短、精度低、布线困难等缺点，尤其是安装在液压支架上的压力传感器、测高传感器、行程传感器以及各类阀芯的更换频率较高，给日常维护带来了很大的困难。为此，必须加强对高可靠性、高性能的传感器和设备的研究和开发，使其能够更好地适应矿井的严酷工作环境。

(3)缺乏统一标准。当前，煤矿开采中的作业数据大多是由万兆环形网络上传、收集的，但尚未做到“无缝”互联，各个系统之间的信息不能完全共享，也没有充分发挥其作用。虽然该公司已搭建了一套完整的生产数据监控系统，并已着手执行EIP的最新标准，所有的装备厂商均使用统一的接口，但由于相关的协议的开放性以及监控软件的版本不同，因此，在具体的集成工作中存在一定的困难，经常会发生一些不流畅的情况。

(4)智能化人才匮乏。煤炭行业属于典型的劳动密集型行业，其工作强度高、工作条件差、社会地位低；很多劳动者的职业与他们的专业有很大的差距，他们对信息、智能的认识也很少。近年来，煤矿智能化进程不断加速，现有技术人员的素质与能力已不能适应煤矿智能化建设、生产与经营的要求。因此，在今后的工作中，应当加大对人工智能人才的培养力度，扩大人工智能从业者的成长通道，并对其进行了工资福利方面的调整，从而能够吸引更多的IT人员到煤矿工作。

(5)管理人员对智能化认识不足。大部分的煤炭公司都秉承着“以生产为中心”的经营思想，在智能化的发展过程中，许多管理者只想着能够达到自己的目标，而没有意识到智能化能够给生产带来的重大变化，这就造成了煤炭行业的智能化发展速度非常慢。其次，在进行智能施工时，许多管理者没有积极地指导下级职工进行与智能有关的技术和知识的培训，还停留在原有的管理方式上，造成了许多工作人员在施工结束后不会操作、不会维护，造成了“人—机两张皮”的问题，给矿井的智能化施工造成了很大的障碍。所以，各级组织应该构建起一套完备的智能训练和人才培养系统，培育出一支拥有熟练操作技能的专业运维队伍，只有如此，才可以让智能的发展成为一支真正意义上的智能发展。