智能化采煤工作面建设关键技术应用

杨万海YANG Wan-hai

（国家能源集团宁夏煤业有限责任公司枣泉煤矿，银川 751400）

0 引言

智能化采煤工作面建设是煤炭工业发展的必然趋势，也是提高煤矿安全生产水平、降低劳动强度、提高效率的重要手段。在科技不断发展的今天，智能化采煤工作面建设已成为煤炭企业转型升级、提高核心竞争力的重要途径，对煤炭产业的可持续发展具有深远的影响。

1 项目概况

枣泉矿区位于中国宁夏回族自治区灵武市的东南侧，靠近中国著名的毛乌素沙漠。矿区距离灵武市西南62 公里，总面积达到50.8 平方公里。公司目前拥有9.65 亿吨煤炭储备，其中可开采量为5 亿2600 万吨。矿井内气体流速为每分钟0.387 立方米，绝对流速为5.375 立方米/分，并且煤尘具有爆炸性。矿井内有8 个煤层，主要为2、3 层，平均厚度分别为7.88 米和3.43 米。

枣泉煤矿采用了先进的机器人化采煤技术，包括无人操作采煤机、液压支架以及刮板输送机等设备。这些设备具备自主感知、自主决策和自主执行能力，能够实现远程监控和自动采煤。

2 智能化采煤工作面建设所面临的挑战和问题

2.1 无线网传输技术缺少合理性

现阶段在进行煤矿生产管理的过程中，有一些技术人员在搭建通信传输的无线网络设备的时候并未结合实际的工作面情况进行细致考虑和全面把控其细节。因此，在部署无人值守开关时，不能依据矿井的实际发展与需要，对其进行规划与管理，使其工程技术价值不能得到充分发挥，不能为其提供全方位的服务支撑。另外，很多无线网络传输技术人员在进行无线网络交换装置的技术方案时，对于网络信道的构建并未给予足够的关注，未对其所需要的参数信息进行合理分类，造成了数据传输的不稳定、不可靠，这就制约了无线网络传输技术的成熟程度。部分矿井对无线数字化网络布置方面的研究也未受到重视，缺少能够为采煤机智能化提供基础的研究领域。另外，在采煤工作面监控系统中，缺少监控摄像头和液压支架等监控设备，监控手段的设定也不尽如人意。

2.2 自适应牵引控制方案设计不全面

本文介绍了一种高效利用采煤机设备的方法，并对它进行了优化。然而，目前从事采煤机自动调整和牵引控制的研究和开发人员对矿山采矿环境的分析和研究还不够深入，尤其是对于采煤机在回采过程中遇到的切割阻力问题，缺乏科学的分析研究。因此，在生产实践中，不能通过自适应调节器实现对采煤设备的精确控制。当前采煤机牵引控制方法未充分考虑其工作稳定性，未充分考虑滚筒等加工设备的高度，难以满足实际需要，难以有效定义截割需求、改善截割环境。另外，现有的局部自适应牵引控制方法缺乏对牵引电流的深入研究，尤其是对输送电流与装备设计的影响，很难对其进行有效的控制，进而影响其高效能。对于切割条件的研究，至今尚未形成完整的经验。

2.3 采煤机截割路径的规划有着明显不足

采煤机设备的截割轨迹规划是确保采煤机与矿井开采环境相适应、实现高质量采煤作业的关键步骤，也是实现采煤机智能化的重要组成部分。在实际应用中，专家需要准确分析采煤机的割辊特性以及煤层的厚度等信息。然而，目前一些煤矿企业在采煤机的截割轨迹规划方面存在很大的缺陷，无法满足特定需求并进行合理的设计。因此，重视内存截取技术对数据资源处理方式的重视，确保完整收集和分析采煤设备在开采过程中的智能化进展，以保障采煤设备的正常运行。

3 关键技术分析

3.1 机器人化采煤技术

随着煤炭工业朝着智能化方向发展，机器人已经成为不可或缺的重要力量。在煤矿生产中采用机器人，不仅可以提高煤炭资源的利用率，还可以减轻矿工的劳动强度。此外，该系统还可以使煤矿开采过程实现自动化、智能化，降低人为错误。在采煤作业中，机器人可以进行钻孔、爆破、采煤、运输等作业，大大减少人力投入，提高工作效率。此外，该技术能够在极端条件下工作，如高温、高湿和多尘，为矿工的安全提供了保障。在煤炭开采领域，它能够有效地减少环境污染、提高能源利用效率和减少碳排放，为煤炭工业的绿色发展提供动力。

3.2 高精度导航定位技术

在机采过程中，为了保证工作面与巷道在一条直线上，且与巷道垂直，从而达到最佳接收状态，需要对其进行准确的姿态引导与控制。煤矿高效回采的主要限制因素在于工作面的地质条件。为了更准确地预测煤层的地质条件，可以通过地面三维地震勘探、井下物探等方法对煤层的赋存和构造进行预测。根据预测结果，将工作面划分为多个地质单元，并结合工作面地质情况以及工程经验，综合应用多种技术手段进行精确预测。

3.3 人工智能技术

目前，国内综掘机技术已经达到国际先进水平，但仍然面临企业设备互联互通性差、多系统协调控制不足等问题。针对以上问题，对当前的综掘机进行智能化改造，采用CAN 总线技术和工业以太网技术相结合的方法，建立智能综掘机网络平台，使其能够实现多个设备的互联，为实现各个子系统的协调控制奠定基础。本项目将采用多个传感装置和远程监测终端，对综掘装置的运行状况进行实时监测，并将信息反馈到智能截割部，为截割部的控制提供支持，从而实现闭环切割稳定性。使用煤岩体分界面识别与追踪控制技术，来实现截割的稳定闭环控制；同时利用煤岩体分层界面识别与追踪控制技术，来维持截割的稳定性。本计划将利用计算机视觉技术，精确确定错杆式钻机的位置，并规划其轨迹，以提供精确的位置信息给错杆支护。

3.4 增强现实技术

智能采煤工作面生产系统的决策主要通过工作面设备运行状态智能感知、设备故障智能诊断与警报、利用专家知识库和远程专家系统等功能来实现。目前，采煤机械化主要依靠记忆式采煤法，即采煤机驾驶员使用“示范刀”进行采煤，并通过自动控制系统记录被采面高度，并通过编码器和倾角传感器精确收集数据。为了实现最大的开采速度并减少能量的浪费，必须确保切割面位于顶板的范围内，并尽可能保持底板的平整。目前，基于GIS 的自动化导航技术可以实现工作面的三维定位。然而，GIS 无法准确获取煤层的动态倾角和煤岩体分界面等信息。因此，通过实时监测煤岩体分界面的识别，确保滚筒高度自动调整，可使切煤区域与煤层分布一致。煤矿智能化采煤装备研究中的难点问题之一是煤岩智能识别。为解决该难题，国内外学者提出了图像分析、截断数据分析、电磁测量和太赫兹谱分析等多种研究手段，以代表性方法进行研究。（图1）

图1 地质模型基准点绝对坐标定位

3.5 网络通信技术

目前，该矿已经基本实现了5G+WiFi 的全面覆盖，实现了工作面区域的无线数据传输。目前，煤矿井下进行瓦斯探测、通风风机风速监测、顶板压力监测、视频监测、煤岩识别等数据采集时都采用5G 无线通信方式，有效提高了数据传输的效率和可靠性。5G 无线通信系统可以不需要在工作区域内铺设大量线缆，从而减少了网络设备的运营和维护费用。此外，在采煤工作面上，将5G 与虚拟现实技术相结合，通过工业机器人对工作面内的变电站等相关设备进行智能巡检，而不需要指派专业的人员来完成巡检工作。这样可以减少劳动强度，提高巡检效率和质量。图2展示了基于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

4 枣泉煤矿项目实践效果

面域中心遥控是通过遥控方式将千兆交换机的地面调度中心设置在地面上并与地面调度中心相连接，以形成地面和地面广域网络之间的通讯联系。该方式可以实现对各个区域的监测图象和视频的实时传送、管理和查询，同时还能与综采工作面运输顺槽的集中监测中心和地面调度中心进行视频通话，以实现通讯和控制的统一。通过在地面调度中心配置操作平台、主控计算机和监控接口，可以实现对采煤工作面的远程监控，从而实现智能化的目的。

采煤机记忆截割技术：根据采煤机的布局结构，它可以被分为地上部分、切削轨迹参数平台、3D 虚拟现实监测平台、工作面视频监控平台和Wincc 数据库服务器这五个主要部分。其中，地上部分包括Wincc 监测平台、切削轨迹参数平台和3D 虚拟现实监测平台，用于监测采煤机的状况；工作面部分则由采煤机的机载控制设备和各种传感器构成。目的是通过无线交换网将采煤机的工作状态信息传输到现场调度中心，然后由调度中心将其传输到目标位置，实现路径记忆、轨迹跟踪和控制策略的适应性，以构建一个具有强大适应能力的截割控制系统。

工作面上窜下滑控制技术：随着采煤机的不断推进，前面的刮板输送机被逐渐推回到煤壁上。在循环采矿中，由于受到重力的影响，刮板输送机很容易产生滑动，这是新的采煤方式。为了解决这个问题，提出了一种可调节带式滑动/上窜间距的伪斜排列方案，以适应各种大倾角工作面。与工作面成直角时，带材的滑动是不可避免的。采用伪斜排方式，在工作面的上、下两端都有一定间距，从而能够有效控制综采工作面架和传送带的滑移。

枣泉矿220704 工作面位于22 号采区+1180 米采动区，面向东北和西北，该工作面的采掘工作已经结束，工作面的长度可以达到1590 米，工作面的倾斜角度为284.6度，工作面的总面积为452514 平方米，厚度为2.85 米~4.6米，平均厚度为3.85 米。工作面的顶部是12.83 米厚的细粒砂岩和泥岩，而工作面的底部是5.66 米厚的细粒沙、细粒沙和泥岩。在综合机械化采煤中，建立了智能化采煤体系，其中主要的研究结果如下：

①工作面开采效率显著提高。智能综采工作面的应用显著提升了工作效率，减少了工作时间，每天节省了83 分钟到134 分钟。此外，该工作面的工作内回采效率也得到了明显提高，平均开机率可达到40%以上，明显超越了同类工作面。②煤炭采出率提高。相较于未有利用智慧采矿的技术而言，此方案的成果为新增产出达54.8 万吨并提高了6.4%的回收效率，且其所采取的技术能够有效避免产生八十七万的消耗量、将矿物的浓缩程度降低了8.7%，因此实现了所谓的“绿色采矿”的目标。③运用智能采煤系统后能提高煤炭挖掘设备及运输设备的协同作用，从而加速将煤炭运送至工作面的过程并优化整个采矿区的倾倒效率。④工作面作业人员数量降低。在一般的机械化开采作业面上，每个作业班组必须配备4 至6 名操作人员和巡视员。在智能采矿的基础上，提出了一种基于无人追踪和无人值守的煤矿开采方法。只需2 至4 人即可监控这个系统的运行。这样可以大大降低劳动费用，将工作面移动到工作面终端和巷道区段，同时确保安全，大大提高工作面的生产效率。⑤智能化开采系统能够多个角度、多个方面地显示综采工作面设备运行情况和工作过程，并提供了遥控操作的功能。此外，通过监测机器人巡视信号和视频影像，可以实时监控工作面的各个部位，实现快速、准确的目标检测，从而降低事故的发生，如片帮、冒顶等。