煤矿智能化掘进工作面应用分析

2024-04-13唐铵

科学与信息化 2024年1期

唐铵

贵州盘江精煤股份有限公司山脚树矿贵州六盘水 553533

引言

煤炭在中国的能源结构中占比最大，是中国经济快速发展的重要保障。巷道掘进工作是工作面布置的重要基础工程，很容易受到陷落柱、断层、采空区等地质环境的影响，如果操作不当，就可能需要大量的后期维护费用，给煤矿生产带来无法估计的损失。随着智能化技术的诞生，煤矿掘进技术有了进一步提升，使煤矿掘进效率大幅度提高，同时降低了安全事故的发生率，保障了煤矿产业绿色、稳定发展。

1 掘进工作面智能化控制系统功能特征

1.1 掘进工作面智能化控制系统特征

掘进工作面智能化控制系统在处理中可以对各个系统进行集中式的串联处理[1]。①通过PLC控制系统利用抗干扰设备进行处理，保障了装置的稳定性，增强了可靠性；②可以通过PLC技术集中处理多台设备，在一次停运后整个输送线会停止运转；③通过集中管理的方式实现对多个系统的视频控制处理。随着人们对资源需求的日益增长，传统的工作模式无法满足实际需求，通过现代化的方式进行处理可以提高工作效率与质量；④综合实际状况做好技术创新优化，提高工作效率与质量，优化设备的整体结构，推动智能化、自动化、机械化的发展。

1.2 掘进工作面智能化控制系统功能

1.2.1 智能感知系统。在掘进工作面智能化控制系统的支持下，通过人工智能、大数据以及物联网等现代技术手段，实现掘进设备的智能化升级优化。在多种技术的支持下了解掘进作业中瓦斯变化状态、截割对象的动态变化，了解风筒风速以及风量环境等异常信息、状态等，只有配合信息数据，才能支持掘进作用的有效优化[2]。在智能系统的支持下了解掘进机械、皮带机械的运行状态，分析探放水以及瓦斯抽采钻孔的质量数据，为生产过程中产生的人机环数据的分析处理提供了平台与技术手段。

1.2.2 智能决策系统。掘进工作面智能化控制系统利用智能决策系统可以实现对工程设计数据信息、作业过程中产生的人机环智能感知数据的分析与融合，根据矿井作业的各项规程要求，实现对系统异常状态的智能化识别，具有自动报警以及设备联动控制的智能化决策功能。

1.2.3 自动报警系统。掘进工作面智能化控制系统可以根据各项信息数据，了解工作人员、岗位职责以及实际的信息数据，根据具体的信息数据通过智能决策系统形成报警信息，将各项信息及时上报给各级管理人员。

1.2.4 联动控制系统。在AI+IOT技术的支持下，掘进工作面智能化控制系统与设备充分融合，下发各项指令信息，通过掘进工作面设备进行处理，实现了多种设备的联动处理，在处理中也可以与工作人员进行连接，实现远程辅助操作。

1.2.5 维修、维检修人员智能调度。基于智能决策系统以及不同工作岗位的责任，及时上报各项信息数据，实现智能化调度管理。在掘进工作面智能化控制系统通过自动化控制模式实现对综采工作面、联采自动化以及供电、通风、排水系统的智能化控制，真正实现“井下作业少人化、生产过程透明化、数据分析智能化”的目标[3]。

2 智能化掘进技术的关键

2.1 远程智能截割

远程智能截割控制系统是智能化掘进技术的核心，主要由惯性导航系统、光纤通信环网、中央控制单元、远程视频监控分站和井下各种设备组成，如图1所示。惯性导航系统主要是由高精度陀螺仪和加速度计组成，主要用于对掘进机车身位置参数的测量；光纤通信环网是由光纤和交换机组成，用于对采集信息和控制信号的高效传输；中央控制单元主要是由工业计算机组成，用于对采集的信息进行处理并发出相应的控制信号；远程视频监控分站主要是由安装在掘进机上的摄像头组成，用于采集现场实时画面，便于进行控制。

2.2 掘进机本体完全遥控

掘进机本体完全遥控就是通过巷道内的遥控装置对掘进机的作业状态进行完全控制。进行控制时，需要参考远程传输回来的实时画面。为了实现对掘进机本体的完全遥控，一方面要实现控制信号的低延时传输，保证控制的实时性；另一方面要采用微机和伺服电机对掘进机的操控杆进行控制。总的来说，完全遥控本质上还是一种初级的智能化，还需要人的干预完成。

2.3 远程可视化

在目前情况下，智能化掘进还要依赖于人工干预来完成，很多情况下需要操作员对现场的情况进行判断。但是操作人员不在工作面，而是在巷道集控中心内或地面上，这就需要采用视频技术来查看现场的实际情况。通过远程可视化技术，可以查看真实的设备运行情况[4]。为了实现可视化，必须准确地采集现场的实时画面。这就要求在掘进机上安装足够数量的摄像机。

2.4 掘进机截割轨迹和机身参数实时监控

在对掘进机进行实时智能控制时，需要用到掘进机的位置信息和状态参数信息。为此，需要对掘进机运行轨迹进行监控。通过对掘进机的轨迹参数进行实时处理，形成相应的控制信号，进而实现对掘进机位置状态的实时调节。

3 如何提高煤矿综掘智能化开采技术的运用效率

3.1 注重视频监控智能化技术方案的完善

煤矿企业在对综掘面智能化开采技术进行方案创新设计的过程中，一定要注重对视频监控智能化技术进行更加全面的分析，要重点对智能化技术在提高综掘面开采工作质量与效率提高的方面进行分析总结，从而使综掘面智能化开采技术的运用效果能够充分满足煤矿生产工作的精准开采要求。同时要对综掘面的具体环境进行更加精准的研究。并在视频监控技术的运用过程中对监控设备的晃动情况，监控场景的粉尘量以及远程视频的实际效果进行全面分析，为智能化综掘面开采技术的科学运用提供较强的数据支持。

3.2 提高综掘面运输系统的质量

在完善综掘面的运输系统时，往往需要相关人员综合智能化技术的详细特点设计出更加符合综掘面规模的运输策略，并确保设计出的运输系统可以有效满足综掘面智能化开采技术的运用需求，从而确保煤矿综掘面智能化开采技术运用过程中的物资需求得到满足[5]。在对综掘面运输系统进行完善的过程中，要注重对煤矿智能化开采技术运用特点的全面分析，充分结合煤矿的原煤运输工作中所需要满足的一些要求，并对综掘面的空间环境进行更加全面的观察分析，为综掘面智能化开采技术的运用进行更好的辅助。此外，对综掘面运输系统进行完善时，还要注重对相关智能化设备特点的全面分析，结合其特点设计出更加创新完善且高质量的综掘面运输方案。

3.3 加强掘进机的实际运用效果

掘进机作为综掘面开采工作中的重要设备，在对综掘面智能化开采技术的运用方案进行设计时，往往需要更加重视对掘进机等设备的实际运用效果。在实际的设计环节中，必须根据煤炭开采工作中煤矿断面的具体特征，把智能开发技术和掘进机的有关技术加以有机融合，确保煤矿开采过程中的智能成型控制技术可以和掘进机的姿态调节技术在需求上保持一致，以便适应煤炭开采工作在使用智能开发技术后所产生的新的开采生产需求。此外，相关工作人员要注重实际测量工作准确性的提升，并充分结合各种智能化技术，如惯性导航技术与激光制导技术，结合这些技术的创新特征，设计制定出更加科学合理的巷道掘进方案，以此为掘进机自主导航系统的构建提供更加高质量的保障。

3.4 完善综掘面的智能化开采工序

在运用了综掘面智能化开采技术后，传统的煤矿开采工序已经不再适用，因此其也要积极结合自身的开采情况，设计更加科学且创新的开采工序。在完善的过程中，工作人员要将煤矿的煤壁作为重点关注对象，结合所运用的智能化开采技术对煤矿巷道的实际情况加以分析，使开采工序的实际设计情况与煤矿综掘面各项开采技术实际运用需求相符，尽可能满足综掘面开采技术的运用要求[6]。同时，在智能化开采技术的实际运用过程中，一定要对其各功能模块的特点进行全面的分析，尤其是一些重要的参数以及数据资源，这样才能确保掘进面的具体开采需求得到充分满足。此外，掘进面的地质条件也是智能化技术运用过程中需要重点勘探的内容，综掘面的水源与瓦斯情况往往是影响智能化开采工序的重要因素。

3.5 加强数据的多源传输与存储

为了解决矿井智能化综掘开采工作中矿井地质模型与围岩特征等数据的变化对其造成的影响，数据的多元传输与存储作为一种运用通讯互联网实现数据的传输、处理，储存与决策，并将相应操作反馈给具体设备的技术，相关工作人员就可运用其在对煤矿地质模型与围岩特征等数据进行采集与传输后，通过服务器对其实际的波动情况进行处理分析，并根据分析结果发布更加科学的指令，以此实现煤矿综掘智能化开采工作的正常开展。

4 智能化掘进技术的发展趋势

4.1 更加全面的智能化

总体来看，目前的智能化是不全面的，只是初步的，主要体现在掘进机并不能实现完全自动化运行，在很多情况下还需要工人在井下集控中心内进行操控[7]。造成这种现象的主要原因是工作面情况比较复杂，而现有的智能学习算法难以对这种复杂的情况做出最优判断。鉴于这方面原因，掘进机的运行并未实现完全的自动化，这使得巷道的掘进速度与传统的掘进方式相比提升并不是太大。因此，在未来应该加大智能算法的研发力度，使掘进机在没有人干预的情况下能正常高速运转。一方面，应该加快对现场复杂情况的收集与建模；另一方面，要采用智能算法对复杂情况下的掘进进行学习，以提高智能化水平。

4.2 更加标准的智能化

由于目前煤矿智能化还处于发展的初级阶段，各个煤矿的智能化建设方案存在较大的差别。这些差别不仅体现在硬件方面，还体现在软件方面。造成这种现象的原因主要包括两方面，一方面是煤矿地质条件不同，另一方面是资金投入不同。虽然这种方案能满足当前矿井智能化的需要，但是不利于煤炭行业智能化水平的提升。换句话说，有的煤矿智能化方案并不能为其他煤矿的智能化提供相应的参考。因此，未来应该加快煤矿智能化、标准化建设，增强技术的通用性，这样可以加快整个行业的智能化进步。

4.3 更加可靠的智能化

煤矿智能化掘进的实现依赖于掘进设备上安装的一些智能芯片、摄像头和传感器。然而由于煤矿掘进工作面内环境恶劣，智能设备上安装的各种设备很容易损坏。例如：当工作面粉尘浓度较高时，安装的可视化摄像头很容易被磨损；煤尘附着在精密传感器芯片的表面很容易损坏芯片。一旦智能设备发生损坏，不但维修成本较高，而且排查故障所消耗的时间也较长。因此，未来应该采取措施提高智能设备的性能，使得智能设备具有较高的开机率，这样才能发挥智能化开采的优势。