淺析礦山綜采自動化工作面建設

吳家樂

（國家能源集團神東煤炭集團設備管理中心，陜西 神木 719315）

1 智能綜采工作面建設項目

1.1 精確的三維地質模型

以礦井地質勘探鉆孔和切眼、回撤通道及兩順槽巷道等實測地質信息為基礎，構建工作面三維初始模型，在工作面起伏較大的區域，從回風順槽向運輸順槽打定向鉆孔或采用物探的方法勘探工作面的頂底板煤巖分界線，用煤巖分界線、每圓班測量人員對工作面的測量數據對三維初始模型進行修正，生成精確的三維地質模型。

1.2 自主智能割煤功能

通過對比工作面精確三維地質模型和實測模型，在綜合分析煤層變化趨勢、工作面平直度、當前割頂底情況、采煤機運行等大數據基礎上，一是通過優化算法制定未來10刀的割煤策略，給出采煤機下一刀滾筒調整曲線，指導采煤機割煤即為自主智能割煤；二是通過在電控系統中記錄示范刀搖臂高度及其變化曲線，在每個割煤循環中重復記憶刀軌跡，實現記憶割煤；三是通過分析歷史截割數據，識別煤層變化規律，預測下一刀的截割軌跡；先預測，后截割，自學后再預測、再截割，循環往復，實現預測割煤功能。

1.3 跟機自動化

液壓支架通過既定程序并根據采煤機在割煤工藝中的位置與牽引方向所實現的與之匹配的自主收打護幫、降柱、移柱、升柱、推溜、噴霧等動作的過程。

1.4 集控中心遠程控制系統

包括順槽集控中心和地面集控中心。順槽集控中心位于綜采工作面順槽內，具備各類展示、操控及數據交互功能，并可實現對各受控設備的集中監測、控制。地面集控中心位于地面，由各類展示、操控及數據交互設備構成，可實現對綜采工作面各受控設備的集中監測、控制。操作人員在順槽集控中心或地面集控中心對正在運行的采煤機、液壓支架及其他工作面設備進行遠程操作。

1.5 三維激光巡檢掃描機器人

機器人搭載三維激光掃描裝置和慣性導航系統，通過其紅外及可見光雙視攝像儀、拾音器，代替人的“眼耳皮膚”，自動識別工作面設備發熱、異響等問題，平時自動巡航，異常情況下可報警由人工遠程控制，實現代人巡查。

1.6 電纜自動拖拽裝置

鋪設在綜采工作面刮板運輸機電纜槽內，通過獲取采煤機運行方向、運行速度與機身位置等數據，對拖纜速度進行自動控制的裝置，可避免采煤機電纜出槽或多層疊加。

2 智能綜采工作面設備技術要求

2.1 采煤機

應具有感應功能、運動功能及輔助功能。其中，機身傾角傳感器、搖臂擺角傳感器、位置檢測傳感器（編碼器），實現采煤機姿態檢測，滾筒高度測量，精確定位的功能，能夠配合智能控制系統達到記憶割煤、自主智能割煤。運動系統包括慣性導航系統、防干涉碰撞功能、遠程和就地急停、閉鎖控制功能，在遠程干預模式下，通訊中斷，采煤機可自動停機；輔助系統應有電纜自動拖拽裝置、有線和無線通信功能，且數據上傳和遠程控制功能，遠程控制響應時間小于100ms和自動注油功能。

2.2 液壓支架

主要起支撐作用，對于壓力、位置、姿態等要求敏感，因此，應具有壓力傳感器、位移傳感器、傾角傳感器、采高傳感器，支架控制器接收到煤機運行狀態、傳感器數據和動作數據等信息后，上傳至集控平臺，實時顯示支架壓力、位移、傾角、采高等信息，可由系統自動判斷并自動找直、調偽斜，且要求調直控制誤差在500mm以內；也可由人工遠程控制就地急停、閉鎖控制功能，遠程控制響應時間不大于200ms。液壓支架跟機自動化率應不小于85%，遠程人工干預率應小于20%。

輔助功能應具有工作面中部跟機自動化功能；壓力監測、自動補壓功能；人員安全保護功能，定位精度在500mm以內；宜具有工作面兩端頭跟機自動化功能。

2.3 三機和自移機尾

三機應具有順序啟停、連鎖、閉鎖控制功能；啟動語音報警功能；煤量檢測功能，實現煤流自適應調速。

2.4 泵站和供電系統

泵站應具有遠程控制功能，遠程控制響應時間不大于100ms；應具有液壓介質質量在線監測功能，遠程供液、配液控制功能，單臺泵站和多臺泵組的啟動和停止控制功能。

供電系統應具有供電回路分、合閘遠程控制功能；負荷運行參數監測功能；過流、漏電、接地保護功能；電壓降監測功能。薄煤層工作面應使用微型燈具，便于降低采高。

2.5 通信網絡與視頻系統

智能工作面建設依賴于高速網絡和清晰視頻，因此，對網絡和視頻系統有更高要求。千兆以太環網是基礎；移動語音通訊、人員精確定位、網絡視頻通話功能是必備；還應具有工控網絡安全防護功能；符合《 智慧礦山信息系統通用技術規范》（GBT 34679-2017）中的相關要求。

視頻系統應具有全工作面視頻監控及采煤機全景動態監控功能，視頻可跟機切換；宜具有對工作面設備與人員識別功能、對工作面設備異常情況的抓拍功能、對工作面大塊煤的識別功能、對大采高支架護幫板的動作識別功能。

2.6 慣性導航系統

實時精確定位采煤機運行軌跡，監測煤機機身姿態并在主控計算機上顯示檢測誤差不超過50mm。

2.7 三維掃描巡檢機器人

主要負責工作面狀態實時掃描傳輸，因此，應具有生成點云數據功能，自動建立工作面數字化模型且掃描誤差應不超過200mm。還應具有高清視頻采集功能、紅外熱成像功能，聲音采集功能和無線控制功能。

2.8 順槽集控中心

是智能工作面的核心之一，應具有對綜采工作面設備運行狀況監控、數據集成、故障診斷、人員位置顯示、全方位對講和快捷鍵功能，達到集中控制、自動化控制目的；其數據傳輸以工業以太網、無線網為基礎，實現數據的高速傳輸功能。

3 智能綜采工作面建設的技術改進

3.1 視頻監測信號的捕捉、傳輸和顯示

可在膠帶機機頭安裝防爆攝像頭，將攝像頭IP修改為預定的地址，將攝像頭通過網線和膠帶機控制器內放的交換機連接，并經光電轉換，將電信號轉換成光信號后，通過順槽鋪設的光纜傳輸至工作面的光電轉換，再將信號轉換成電信號后，經交換機和網線傳輸至電腦，電腦內部預裝的視頻監測軟件IVMS4200將視頻信號捕捉，經顯示控件將畫面在電腦顯示器上進行顯示。

3.2 控制指令的輸入、傳輸和執行

在工作面辦公電腦上安裝一款自行設計的膠帶機控制軟件（結合順槽膠帶機實際情況進行設計的軟件），該軟件有一個人機交互界面，界面中給每一部膠帶機設置一個啟動按鈕和停止按鈕，當工作面需要啟動某一部膠帶機時，點擊相應膠帶機的啟動按鈕，軟件將啟動信號通過與電腦相連接的交換機和光電轉換傳輸出去，經光纖傳輸到膠帶機控制器中安裝的光電轉換和交換機，交換機接收到信號后將信號傳送給網絡控制器，網絡控制器相應的輸出口的常開節點閉合，即膠帶機的遠控點閉合，膠帶機開始預警啟動。同理，當工作面需要停止某一部膠帶機時，點擊人機交互界面的停止按鈕，網絡控制器的相應的輸出口節點（已經閉合的常開接點）斷開，膠帶機停止運行。

3.3 掘進智能局部通風

礦井智能局部通風系統是為煤礦的安全生產需要提供的一種一機多用、高效節能的自動控制裝置，它實現了礦井局部通風控制系統與局部通風機的融合，同時，系統配套局部通風機通過特殊設計，配套相應的監測傳感器，和其他監測信號一起接入PLC自動控制系統，進行閉環控制，改變了國內局部通風機運行沒有有效監測監控的現狀，把礦井有效管理和設備安全高效運行有機地結合起來，從而改變了礦井掘進工作面受瓦斯造成的危害，在提高了設備的安全運行的同時，也保證了礦井安全高效地生產。

3.4 智能集中控制系統

在智能集中控制中心，對井下供電系統、供排水系統、主通風系統、運輸系統實現遠程控制。實現值班人員在集控室值班。第一步實現機電隊遠程監控各自責任區水泵、增壓泵等泵類設備運轉情況并可實現遠程啟停，逐步實現主運膠帶機、順槽膠帶機調度控制轉移到集控中心控制。安裝智能分析系統，對危險區域人員入侵、皮帶跑偏、堆煤、煙霧、初期火災等狀態進行實時監測、彈窗報警并聯動停機。

（1）搭建部署安全生產巡檢平臺，將生產巡檢監控資源進行統一接入和集中管理，并自下而上地打通煤礦至調度中心，安全生產巡檢視頻、數據信息壁壘。

（2）借助AI技術，通過視頻檢測分析的技術手段，實現跑偏檢測、堆煤檢測、張緊輪位移檢測、煤矸檢測、異物檢測、大塊煤識別、煤量分析以及電氣設備溫度檢測等功能，將膠帶機司機從高噪、粉塵環境中解放出來，提升“安全生產、減員增效”業務層級；還可以對人員崗位行為分析、安全行為分析、人臉分析等。

（3）在安全生產巡檢平臺和視頻AI技術的基礎上，完成安全生產數據匯總；采集素材進行復雜嚴苛條件下的工藝流程檢測。

（4）輕量級數據分析功能，針對無人巡檢過程中采集的結構化數據進行比對、關聯、統計等輕量級分析功能，為煤礦生產數據融合分析提供分析模型。

（5）應用熱成像檢測技術，對機電設備運行異常易造成皮帶抱死、損壞，嚴重的導致機組非計劃停運，人員與財產損失。電氣設備故障在發展和形成過程中絕大多數與發熱溫升緊密相連。紅外熱成像診斷技術通過非接觸方式檢測運行中的設備溫度和運行狀態，可以簡捷、安全、直觀、準確地查找、判斷電氣設備過熱故障，迅速采取措施解決防止電氣事故的發生。結合紅外熱像儀在電氣設備故障診斷中的一些實際應用，紅外熱成像檢測診斷技術為發電廠電氣設備精細化點檢和維修提供有力依據，及時將電氣事故消滅在萌芽狀態，有效避免了電氣異常事件或事故的發生。

3.5 輔助自動化系統

（1）車輛智能管理系統。本方案主要針掘進順槽進行設計，由車輛管理平臺、車輛管理服務器，人員定位分站、人員定位服務器、紅綠燈LED屏組成。

車輛管理平臺和人員定位系統服務器通訊，人員定位系統自動將車輛數據推送給車輛管理服務器。車輛管理服務器將巷道中車輛數據下發給井下LED屏和紅綠燈。

系統原理：第一步：通過在巷道內安裝兩臺人員定位分站，利用人員定位分站判斷巷道中的柴油車數量，并將數據提供給車輛管理服務器。第二步：根據人員定位提供的數據，車輛管理服務器自動將柴油車數量下發給井下LED屏和紅綠燈，管控進出車輛。

（2）供電自動化系統。智能供電自動化系統擴大了對井下系統和設備的監視范圍，使系統和設備運行可視化，同時，通過對井下設備的遠程控制和遠程維護更好地支持變電站的無人值班和無人值守。

主要包括：①系統運行狀態可視化，不僅可以監視電壓、電流、功率和開關位置等，還可以監視系統的諧波、電能質量、電度計量等；②一次設備運行狀態可視化，主要包括防爆開關的溫度、分閘動作時間等；③二次設備和網絡設備的狀態可視化，主要包括保護裝置的自檢情況、網絡通訊狀態、交換機和交換機電源的狀態等；④系統故障的可視化，即在系統發生短路故障尤其是跳閘后提供清晰完整的記錄和數據，如故障類型、故障時間、故障值、故障錄波波形等，從而便于檢修人員盡快確定并排除故障；⑤強化設備的遠程控制與維護，即在地面監控中心實現井下開關遙控操作、保護功能投退、定值的遠方調閱和修改、參數的遠程配置等。實現全面可視化是提高供電系統安全性的前提和基礎。

（3）采煤自動化系統。智能供電系統把全供電網絡作為一個整體，自動協調工作，準確應對系統發生的各種問題：①利用通訊技術采用“先定位后跳閘”策略實現短路故障的防越級和系統操作防越級；②利用注入式信號源技術實現單相接地/漏電的準確選線，減少不必要的拉閘停電。準確及時的自動化功能是提高系統供電可靠性的主要手段。

智能供電系統的設備采用標準以太網接口并遵循國際通用的IEC61850標準，在該標準的前提下，實現智能拓撲分析和自動著色、操作的聯閉鎖、潮流分析與設備檢測、定值的合理性校驗、參數的自動化配置、智能綜合告警等高級智能化功能。智能化標準化可以提高系統運行效率，進而改善系統的經濟性。

（4）供排水自動化系統。要實現沿線水倉全部自動化排水。各水倉實行自動控制及運行參數自動檢測、遠程控制，動態就地顯示，并將數據信息傳送到地面生產調度中心和生產設備控制中心，進行實時監測監控及報警顯示、故障歷史查詢和報表打印。

①系統通過檢測電機電流、電機電壓等參數，監視水泵工作狀態，直觀、形象、實時地反映系統工作狀態并能進行控制。

②實現水倉水位、水泵溫度、排水管流量等參數接口接入及電動閘閥的控制接口輸出，實現不同地點排水設置不同的控制方式。

③通過以太網通訊接口與地面網關實現數據交換。該系統具有運行可靠、操作方便、自動化程度高等特點。

3.6 井下工業環網覆蓋延伸聯網功能

基于4G無線通信技術的“一網一站”系統可實現對定位、通信、監測監控、廣播、調度、自動化等系統的統一接入、統一承載、統一管理。

采用先進的工業以太網標準通信協議，系統可實現遠程、跨網通信，系統實現了良好的擴展能力，可為井下工業以太環網、視頻監控、井下傳感器數據傳輸提供網絡數據接口，可連接井下數字廣播系統、數字攝像機、可編程數據采集控制設備等。

借助工業環網，在不需要重復建設通信線路的情況下，實現井下無線手機移動通訊。該系統可方便實現井上與井下、井下與井上的移動手機通話，可接入煤礦調度網絡，實現手機與固定電話（網）的相互通訊。并可以對礦井入井人員、車輛進行實時跟蹤監測和較高精度定位，隨時清楚掌握每個人員、車輛在井下的準確位置及活動軌跡。利用系統的日常考勤管理功能，對下井人員進行考勤管理。

3.7 應急救援

如果發生井下災害，調度可以立即從監控計算機上查詢事故現場的人員具體位置分布情況、被困人員數量和他們的姓名、調用入井人員撤退線路預案等信息，為事故搶險提供科學依據。此系統能夠承擔起應急救援的通信任務。井下設備在斷電情況下可連續工作2個多小時，工業以太環網結構可以提供極高的可靠性和網絡生存能力，使網絡在任何災害發生時盡可能通暢。