無人化綜采工作面實施方案探討

王 飛

(神東煤炭集團大柳塔煤礦，陜西神木 719315)

0 引言

煤礦事故常常帶來巨大的人員傷亡及財產損失，影響煤礦的安全生產一直為人詬病。多年來經過數代煤礦人的不懈努力，雖然在安全理念、設備改進、管理機制上有了長足進展，可是煤礦事故特別是煤礦運輸事故仍然時有發生，究其原因是人的不安全因素。神東煤炭集團倡導“無人則安”的安全生產理念，努力實現“機械化換人，自動化減人”的目標，期望煤礦井下實現無人化生產，徹底根除人的不安全因素，實現真正意義上的“零傷害”。

1 煤礦安全生產現狀及其理念

1．1 煤礦安全生產現狀

2003年全世界產煤約50億t，死亡人數8 000人左右。中國煤炭產量16．6億t占33．2%，而死亡人數6 434人占80．4%;2009年全國煤礦共發生事故1 616起，死亡2 631人，同比分別下降17．3%、18．2%。其中，較大事故起數和死亡人數同比分別下降10．2%和11．2%，重大事故起數和死亡人數同比分別下降51．5%和59．3%，全國煤炭百萬噸死亡率下降到0．892，下降24．5%。目前我國煤炭百萬噸死亡率控制在0．044，已經達到或接近發達國家水平。

1．2 煤礦安全生產理念

英國煤礦為何多年“零死亡”，因其有一整套嚴密的管理機制。歸納起來主要為:一是實行嚴格的煤礦經理管理責任制;二是嚴密的監管制度;三是充分發揮公眾監督職能。

日本煤礦在安全的認識上，提出了煤礦“零災害”理念，改變了人們對煤礦的傳統看法。他們把人放在首位，以人為本，在安全上投入最多，以確保安全生產。日本人在安全管理上倡導:變“要我怎樣做”為“我要怎樣做”，形成自我安全管理體系。

德國煤礦安裝所有必要的安全生產設施，引進每一種新出現的重要安全生產技術，確保事故發生時，通訊系統會立即把情況報告給監控中心，相關人員都會迅速趕到現場。

南非制訂了控制煤礦事故發生的措施:一是對煤礦安全管理立法;二是建立煤礦瓦斯治理實驗室;三是強化煤礦礦工的培訓，提高素質;四是推廣先進的管理方法和開采技術，盡量減少井下從業人員;五是提高死亡人員的補償標準。

神東煤炭集團安全生產理念是以實現安全生產為目標，以安全文化為載體，以風險預控為手段，推進安全質量標準化建設，構建安全生產長效機制，確保人、機、物、環境和制度的高度統一，實現系統無缺陷、管理無漏洞、設備無故障、安全無事故，百萬噸死亡率控制在0．03以下。

2 煤礦信息技術發展及VR技術的應用

2．1 現代煤礦信息技術發展

煤礦信息化是指對礦井地理、生產、安全、設備、管理和市場等方面的信息進行采集、傳輸處理、應用和集成等等，從而完成自動化目標。目前，我國煤礦已廣泛將信息技術用于生產、安全、管理、市場等各個領域。隨著計算機技術、網絡技術、數據庫技術、自動化技術、傳感器技術、數字視頻技術和現代管理技術的發展，煤礦信息化正向信息擴展、高度集成、綜合應用、自動控制、預測預報、智能決策的方向發展。

國內外都在進行無人工作面研究和實驗，由于實現了全礦井自動化，不但可以大大減少井下生產人員，提高礦井的安全水平，而且生產系統可以得到優化，進一步提高煤礦的生產效率，節約能源;信息化的另一個發展趨勢是利用所采集到的信息，實現生產設備故障預測預報、礦井生產安全狀況的預測預報、瓦斯、水、火等災害突出的預測預報;隨著能采集到的信息種類的增加，各種信息可以實時、連續采集，預測準確率得到提高。

神東大柳塔煤礦基于萬兆工業環網實現了4G無線通信、人員定位、應急廣播、視頻監控、調度通訊、監測監控、數據交換;實現了主運膠帶機的遠程集中控制;實現了變電所、配電點、供排水泵房的無人值守;實現了綜采工作面馬蒂爾司機、控制臺司機、機頭崗位工的三崗合一;實現了井下工業視頻的實時上傳;實現了井下設備的遠程集中監控并形成數據庫。

2．2 VR技術在煤礦的應用

VR技術即虛擬現實技術，是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統，它利用計算機生成一種模擬環境，是一種多源信息融合的、交互式的三維動態視景和實體行為的系統仿真使用戶沉浸到該環境中。煤礦井下生產檢修過程中存在諸多危險源，例如高壓供配電區域、瓦斯易積聚區域、頂板易垮落區域、出現水災區域、出現火情區域等，在此類區域完成一些特殊工作的風險極高，規避這些危險源的最佳方式就是遠程操控，使操作人員在遠離危險源的地方利用現場視頻畫面及一些遠控操作設備完成工作任務，如此便可大大降低人員勞動強度，降低人員安全風險。VR的沉浸式用戶體驗提供了一種新手段，操作人員通過VR設備以一種身臨其境的感覺可以更高效更準確更安全地完成工作任務。綜采工作面無人化生產關鍵在于遠程操控人員對工作面生產及設備運行情況的精確監控，VR技術提供了一種可靠的技術支持。通過萬兆以太網絡將安裝在采煤機上的全景攝影機畫面傳至生產控制指揮中心，通過VR顯示設備將畫面呈現給操作人員，使其可以身臨其境地監測到工作面生產及設備運行情況，以便對設備運行實施更精準的人工干預。

2．3 自動化綜采工作面發展現狀

隨著現代信息技術的發展，機械電氣自動化在工業中的深入應用，人們認識自動化技術對于規避機電設備的風險，提高相關設備的可靠程度，減少人員數量，提高煤礦生產效率有著重要作用。

國內外對于綜采工作面自動化的研究取得了很大進展。目前，采煤機在原有記憶割煤、數據上傳、自動調高等功能的基礎上，新增加了紅外攝像功能、雷達探測防機械碰撞功能和煤層分層檢測功能。紅外攝像功能解決了綜采工作面采煤機周圍低照度工況下視頻辨別的問題;雷達探測防機械碰撞功能主要是利用雷達探測技術感知采煤機滾筒周圍的障礙物，只要發現采煤機運行前方有不明障礙物，控制系統就會停止采煤機的行走，等待有關人員進行處理;通過采煤機滾筒對煤壁和巖石進行截割時發出的不同聲音頻譜進行識別，從而實現煤巖界面的判別功能;液壓支架電液控制系統實現了單機自動化、成組自動化、跟機自動化、智能調斜、支架姿態監測、高壓快速卸載、遠程控制等功能;“三機”控制系統、泵站智能控制系統、多級清潔過濾保障體系等系統實現了自動化;通過建立井下萬兆工業環網、綜采工作面萬兆以太網，利用數據耦合器和交換機，使綜采工作面數據快速傳至控制臺及地面網絡，實現綜采工作面設備和綜采工作面自動化控制系統使用同一個網絡平臺傳輸信息，從而實現綜采工作面通信、視頻和數據的三網合一及遠程監控。

神東錦界煤礦在綜采工作面控制臺處裝設集控中心，將工作面三機、泵站等設備集中控制，利用采煤機自身定位及位置修正、采煤機雙向數據記憶、采高臥底數據存儲、支架聯動隨動等功能，在采煤機司機及支架工的干預下一定程度上實現了綜采工作面的自動化，大大減少了操作人員數量，減輕了操作人員勞動強度，降低了事故風險。

3 無人化綜采工作面實施方案

3．1 無人化綜采工作面網絡搭建

綜采工作面建立萬兆以太網，通過無線基站、屏蔽電纜、網線、光纜等以適當的通訊協議及井下萬兆工業環網將工作面通信、視頻、設備數據傳至地面生產控制指揮中心實現集中監控，如圖1所示。工作面數據通過井下工業環網傳至地面服務器形成數據庫并提供監控畫面，為生產調度指揮提供決策依據，為設備隱患排查及故障檢修提供數據支持。

圖1 綜采工作面網絡拓撲圖

3．2 無人化綜采工作面技術改進

監控畫面:在生產控制指揮中心安設集控計算機及工業視頻投射大屏，通過組態軟件將順槽膠帶機、三機、泵站、馬蒂爾、移變、組合開關進行集中監測與控制，對液壓支架壓力、采煤機數據及故障信息實時監測，工作面視頻畫面實時顯示，如圖2所示。監控畫面仍具有改進的余地—信息更豐富、分割更細致、預警更直接、操作更方便。

聯動隨動更準確:液壓支架通過技術改進確保聯動隨動的準確性，支架工在生產控制指揮中心遠程適當給出補架調整，通過調取數據庫歷史壓力值生成曲面圖預測工作面來壓情況(圖3)，為生產速度設定提供決策依據。

定位智能化、更準確:采煤機增加自身定位及位置修正功能確保采煤機司機及監測人員準確監測煤機位置;增加雙向割煤數據記憶功能確保采煤機在不同割煤方向上都有歷史數據可依;增加采煤機采高臥底數據存儲功能確保采煤工程質量達標;增加紅外攝像功能確保監測畫面清晰可見;增加雷達探測功能防止發生機械碰撞;增加煤層分層檢測功能提高煤巖識別精度;采煤機機身加裝全景攝像頭，通過VR技術顯示，采煤機司機身處地面生產控制指揮中心佩戴VR設備能夠身臨其境地實時監測煤機 割煤運行狀態，以便更精準地實施人工干預。

圖2 綜采工作面檢測畫面

3．3 無人化綜采工作面人員配置

5～6名員工便可完成無人化綜采工作面的生產工作，大幅降低了入井人員配備數量，降低了人員勞動強度，降低了人員安全風險。①一名集控員在地面生產控制指揮中心通過集控計算機遠程操控順槽膠帶機、三機、泵站、馬蒂爾、移變、組合開關的啟停，并通過監測各設備的運行數據、報警情況以及工業視頻中設備運行狀態的實時畫面判斷工作面各設備是否正常運行;②一名采煤機司機在地面生產控制指揮中心通過VR設備及采煤機遙控裝置干預采煤機割煤狀態;③一名支架工在地面生產控制指揮中心通過遠控終端監測工作面支架的隨動情況，并適當給出干預，確保支架動作準確可靠;④一至兩名巡視工負責現場巡查及應急處置;⑤一名管理人員負責生產指揮及安全管理。隨著人工智能、機器人技術的發展，人員還有少配的余地。

4 數字礦山發展及智能礦井展望

4．1 LCS 系統簡介

LCS系統即區域煤礦集中控制系統，是將礦井各子系統高度集成在同一個平臺上，實現煤炭生產從采掘、運輸到洗選加工等一體化管理模式，形成了專業的調度體系，優化了生產控制指揮流程，實現了設備的集中控制，數據的集中管理和信息的高度集成與共享，創新現代煤炭生產體系。綜采工作面實現了采煤機、供電系統、泵站、礦壓系統、三機系統遠程監控，通過實時視頻監控將運輸機機頭崗位工、馬蒂爾司機、控制臺司機“三崗合一”;連采自動化系統實現了膠帶機、局部通風機、配電點等的區域集中遠程監控，局部通風機實現遠程自動切換，減少了工作面停風時間，保障了作業人員安全;主運系統實現了從井下順槽膠帶機到地面上倉配倉膠帶機、井下給煤機到倉上液壓插板、井下中轉煤倉到地面原煤倉等全系統遠程集中監控，可實現一鍵式逆煤流啟動和順煤流停車的功能，并根據采面生產情況智能調速，保證安全生產的同時最大化節約電能損耗;供電系統實現了從地面到井下設備的全部供電網絡監控，不同的顏色代表不同的電壓等級，并且可以模擬故障出現后影響的供電范圍，方便指導故障搶修人員準確查找故障點，節省故障排除時間;供排水系統實現了泵房及主要中轉水倉數據的集中監控，實現遠程一鍵啟停無人值守;通風自動化系統實現了主要通風機、壓風機、井口暖風機、井下自動風門等設備的遠程監測。工作人員可以實時監測每臺設備的參數，結合智能報警功能，調取歷史數據，對設備參數進行跨系統多維度對比分析，能夠及時發現故障隱患，使故障消滅在萌芽狀態。通過應用區域煤礦自動化控制系統，按綜采、連采、主運、機電、安全監測等不同職能，設置專業調度。負責生產指揮、集中控制、智能分析、應急救援等主要工作，區域煤礦自動化控制系統的應用減少了井下工人，節省人工成本，提高了直接工效，真正達到“減員提效、智能化生產”的目的，同時也解決了神東煤炭集團區域煤炭生產的組織協調、運營管理和安全管控等重大問題。

圖3 綜采工作面礦壓分析曲面圖

4．2 智能礦井展望

未來礦井，在收到客戶訂單后通過大數據平臺可以迅速選定生產礦井、確定洗選要求、制定運輸路線，完成最優的生產洗選運輸方案;生產礦井接收生產任務，確定主采工作面及配采工作面，并遠程開機生產;智能煤礦集中控制系統監測全礦井各子系統數據，給出最優生產指揮命令，發現故障及隱患給出最優解決方案;綜采工作面各設備按照智能煤礦集中控制系統給出的命令運行;整個生產洗選運輸網絡完全實現無人化，由人工智能決策并發布命令，高度解放人的生產力，人在整個過程中僅擔負最高命令干預及決策、全系統設備維護、產品銷售策劃。

5 結語

工業革命不斷沖擊著人們的生產生活，也不斷改變著人們的工作方式。隨著人工智能的發展、工業物聯網的建設、機器人技術的不斷提高，在傳統制造業中以高性能機器人替代人工作業成為趨勢，在高危行業中以人工智能取代人的生產可以從根本上實現零傷亡和零傷害。