煤礦智能化開采現狀及展望

杜艷軍

(山西煤炭進出口集團有限公司 蒲縣萬家莊煤業有限公司,山西 臨汾 041000)

截止2018年,煤炭在全國能源消費結構中仍占主導地位,約占59%,可見煤炭仍然是國家經濟發展的重要能源保證[1-2]。隨著科技進步發展,各行各業都在發展智能化,煤炭開采也不例外,主要表現為煤炭開采的數字化和智能化。黃陵煤礦2014年率先在一號煤礦嘗試中厚煤層的智能開采,2016年在二號煤礦的厚煤層也使用智能采礦,2018年在雙龍和瑞能煤業試驗的薄煤層智能開采,均取得很好的效果。基于澳大利亞聯邦科學與工業組織提出的三維激光掃描技術及設備,北京天地瑪珂電液控制系統有限公司與該公司聯合研究三維激光掃描技術在井下環境建模與定位測量如何更好服務智能開采,取得了實質性的進展。不難看出,煤炭開采智能硬件設備和軟件系統是實現工作面生產智能化、信息化和集成化的關鍵,本文將闡述智能開采裝備發展的現有水平及存在問題[3-4]。

1 智能化開采技術的基本原理

智能開采是在原有傳統綜采工藝及裝備的基礎上,增加具有感知能力、記憶能力、學習能力以及決策能力相關的硬件和軟件,自動協調采煤機、液壓支架、刮板輸送機相互配合、自動生成,并配合可視化遠程監控,基本實現工作面無人或者少人跟機作業的高效生產的目的[5]。

1)技術原理及路徑。智能開采技術原理是利用現有先進的通信技術、自動化控制技術、計算機技術以及視頻技術,通過硬件、軟件平臺,將這些技術融合,相互配合,形成監、控一體化,最終實現采煤的自動化作業及遠程監視和控制。

技術路徑中在未解決“煤矸識別”等世界難題前,以網絡通信為基礎,采用煤機記憶截割技術,實現液壓支架自動跟機,以遠程操作輔助實現階段性的智能化開采水平。

2)智能開采系統主要組成部分。智能開采系統主要包括采面設備、集控中心以及井上監控等。采面設備主要由煤機、液壓支架、刮板輸送機、破碎機及乳化液泵站、電液控制系統、采煤機系統、運輸及供電監控系統、供液系統等組成。該部分是智能開采的核心裝備,該部分滿足在人的控制下實現單機設備機械式自動作業,能夠實現機械采煤、自動支護和運輸。以采煤機為中心的智能化綜采系統和控制系統如圖1和2所示。集控中心包括視頻、數據等在內的主機,以及各客戶端和綜合接入器等,其中視頻可包括側向視頻、跟機視頻、搭接點視頻、支架監測畫面、綜合監測畫面、采煤機監測畫面等,該部分是整個系統控制的中心,所有數據、信息以及系統控制均有該主機控制;井上監控主要包括有服務器、云平臺服務器、客戶端、移動客戶端等在內的,能建立數據倉庫、故障庫、分析檢測和互聯網傳輸的監控系統,該系統主要通過光纖采集井下數據,建立數據庫,根據需要傳至客戶端、云平臺數據庫在線監測和查詢,并對數據自動分析,對故障實時自動報警,分析設備使用情況,與客戶溝通,找出最佳方案。

圖1 以采煤機為中心的智能化綜采系統Fig.1 Shearer-centered intelligent fully mechanized mining system

圖2 綜采成套裝備智能控制系統架構Fig.2 Intelligent control system architecture of fully mechanized mining equipment

王國法等[6]在煤礦智能化(初級階段)研究與實踐提到,智能化煤礦頂層設計應從感知層、傳輸層、平臺層和應用層4個層次考慮,智能開采系統應包括智能化綜合管控平臺和云數據中心在內的8個部分。楊俊哲等[7]以神東礦區智能開采為例,闡述了神東自動化4.0階段中建設“一網一站”煤礦自動化系統,為井下實現記憶截割、自動跟機、自動找直等提供了軟件支撐。

2 智能化開采現階段發展水平

2.1 國內智能化開采水平

1)采煤機已實現記憶截割。采煤機記憶截割是指采煤機在科學合理割煤過程中,對采煤機滾筒截割高度、采煤機傾角、仰俯角度、割煤速度以及方向等信息進行采集,完成一個循環,對采集的數據傳輸到控制器的數據存儲區,數據處理生成截割曲線,該截割曲線為采煤機接下來的割煤進行自動導航,使采煤機自動完成割煤、自動清浮煤、自動斜切進刀等工序。當割煤過程中遇到斷層等不同情況時,需要人工干預進行調整。

2)液壓支架已實現自動跟機。液壓支架自動跟機技術是指采煤機完成割煤動作后,液壓支架能根據采煤機的位置、方向,通過電液控技術將液壓支架和刮板輸送機自動、及時移到相應位置,實現支架及時支護作用,割煤過程中也能自動完成噴霧除塵的動作。該技術關鍵點之一在于采煤機位置和方向的確定,主要解決方法是通過在采煤機安裝紅外線發送器發射數字信號,在每個液壓支架上安裝紅外接收信號,通過接收數字信號實時傳輸至控制中心,進行信號處理和反饋,為實現下部動作提供依據,最終實現液壓支架動作和采煤機運行位置的動態耦合。

3)已實現遠程控制。遠程控制是工作面遠距離的控制中心通過在工作面布置的監控視頻和收集的數據,來調整采煤機、液壓支架和刮板輸送機的動作,以適應工作面環境的變化。簡單來講,監控界面觀察工作面環境變化,遠程操作臺對三機相適應的控制。目前遠程控制基本實現井下遠程控制和地面遠程控制,遠程控制界面如圖3所示。

圖3 智能開采遠程控制界面Fig.3 Remote control interface of intelligent mining

2.2 智能化開采工程實踐應用

1)黃陵一號煤礦1001工作面中厚煤層智能化開采工程實踐。1001工作面走向長度約2 210 m,傾向長度235 m,采高1.1 m～2.3 m,屬于近水平煤層,在 1001工作面配套采用 ZY7800/15/30D型液壓支架、MG620/1660-WD型采煤機、SGZ1000/2×855×855型刮板輸送機和智能通信系統,解決了制約智能化集中控制的通信壁壘,同時在完善的液壓支架電液控制系統基礎上,實現了液壓支架自動跟機。為實現液壓支架在復雜環境下能做出及時響應,大量采集、存儲和分析電液控制系統的數據,及時提示支架來壓情況,同時結合液壓支架高清視頻,實時監測工作面礦壓情況,必要時人工進行干預,支架自動跟機和監測情況如圖4所示。

圖4 支架自動跟機和監測情況Fig.4 Automatic follow-up and monitoring of support

2)大同集團塔山煤礦特厚煤層智能放煤實踐應用。塔山煤礦煤層15 m左右,煤層傾角小于3°,工作面長度200 m,埋深平均400 m。國家將特厚煤層智能采放協調列為“十三五”國家重點研發項目,對智能放煤和采放協調關鍵技術進行攻關。目前塔山礦特厚煤層智能開采已實現了一鍵啟停工作面所有設備,實現采煤機自動記憶截割,液壓支架的自動跟機,采煤機定位,液壓支架的自動放煤,以及縮減人員的階段目標。但放煤的時間、放煤的支架數量、頂煤厚度探測、支架姿態等關鍵問題尚未解決,在工程實踐應用上仍需要人工干預。

3 智能開采亟待解決的問題

1)智能化開采處于初級階段,整體水平不高。雖然智能開采基本實現采煤機記憶截割、液壓支架自動跟機和遠距離輔助控制,但遠距離控制是在人通過監控手段發現問題所采取相應的解決措施,并非智能開采系統自主感知、智能識別和自動調整的結果,也就是說,在目前智能開采的初級階段,仍然離不開人的因素,且人工干預率仍然不小。

2)智能開采的精準性有待提高。智能開采過程中精準性仍有很多提升空間,如割煤過程中,由于煤塵太大,視頻監控不清,導致采煤機出現割頂情況,如由于采煤機割煤過程中存在震動,導致安置在采煤機上的傳感器收集的數據存在誤差,基礎數據存在問題,處理后的決策也會存在相應的問題。另外由于井下控制、監控設備受電源功率、機器散熱等因素影響,也會影響設備數據采集、融合、分析和處理存在諸多問題,故智能開采的精準性仍需提高。

3)智能綜采放頂煤研究欠缺。國內外對薄煤層、中厚煤層的智能開采研究較多,投入實踐應用的也不少,但對厚煤層、特厚煤層智能綜合機械開采放頂煤的研究較少,特別是對如何實現智能放煤、如何實現智能“采-放”協調等問題的研究少之又少,實現智能綜放過程中也需要解決煤矸識別、頂煤厚度探測等關鍵問題,這些關鍵問題目前尚未給出科學解決方案。

4 技術解決方案展望

針對智能開采現有水平以及存在的問題,可從以下方向著手研究:1)利用地質勘探寫實信息技術,在工作面順槽掘進過程中,將工作面地質煤層情況進行地質勘察,將勘探數據描繪為三維模型,為采煤機、支架、刮板動作提供準確的三維空間依據。2)進一步發展高精度導航技術。視覺找直、激光找直、慣導找直以及LASA找直技術尚未發展成熟,仍需進一步發展。另外如何在工作面三維模型下支架姿態感知、矯正等都需要高精度的要求。

5 結束語

煤炭智能開采發展初有成效,目前已基本解決采煤機記憶截割、液壓支架自動跟架和人工遠程控制,基本實現工作面少人、無人開采,但由于處于初級發展階段,存在智能化水平不高、數據采集精度較低、一些關鍵技術尚未解決等問題,針對智能開采現有水平及問題應進行更多的實踐探索。