煤礦智能化綜采工作面系統設計與應用探討

張飛

（集團神東煤炭集團，陜西 榆林 719315）

隨著經濟的發展和社會的進步，我國的煤炭開采技術不斷發展成熟，煤炭工業逐漸由勞動密集型產業向資本密集和技術密集型產業轉化，煤炭的開采工藝在實現綜合機械化的基礎上，逐漸向智能化和自動化發展轉換，隨著可持續發展觀念的傳播，國內的煤炭企業越來越關注生產上的技術進步和技術換代。實現煤炭生產的智能化綜采能夠有效地提高煤炭生產的質量，同時降低工人的勞動強度，這充分發揮先進設備的效能，總體上提升了煤炭生產的效率。本文從某礦區的煤炭生產現狀出發，研究了綜采工作面自動化系統的功能實現問題，力求為礦區的煤礦生產業作出積極貢獻，實現綜采工作的全面自動化和智能化。

1 智能化綜采工作面系統現狀

1.1 智能化綜采工作面系統技術的發展過程

煤炭開采是一個復雜的過程，煤炭礦井的工作環境十分復雜，相比常見的其他行業，煤炭業的智能化建設相對困難且落后，目前對某礦區的煤炭智能化綜采工作面系統的建設仍然存在許多問題，未來仍需要不斷的進步和發展。該礦區的智能化綜采工作面系統的功能不斷完善，已經具備了基礎的生產能力，基本實現了自動化生產，但在對智能技術的運用如大數據、云計算等方面仍然存在許多不足，礦區的技術人員需要不斷突破現有生產技術的限制，實現從自動化到智能化的完美轉換。目前，在煤炭的開采中，常見的技術設備如采煤機、液壓支架、刮板輸送機，轉載機、泵站及組合開關等設備大多具備了數據通信和遠程控制的功能，同時，在生產實踐中這些設備還能充分利用信息網絡系統和多種接口，進行雙向的數據傳播。而智能化綜采工作面系統的發展歷經了漫長的發展過程并不斷優化成熟。

智能化綜采工作面系統是主要由傳感技術、通信技術、自動化技術和信息技術等高度集成的技術，其是一種具備采煤機自主導航、三機聯動的自動控制和地面設備的實時監控等功能的智能化、自動化和無人化的技術生產模式。這一煤炭生產中的智能化生產模式首先是由王金華等提出的，其較為全面地介紹了智能化工作面系統需要突破的關鍵技術和應用效果和存在的問題。他們對中厚偏薄的煤層智能化開采的生產模式進行了科學性的驗證，其后，宋振騏重點解讀了煤礦開采技術需要突破的難點，未來，煤礦開采的發展方向將會逐漸往安全高效的智能化方向靠攏。在煤礦的具體開采工作中，監控系統和決策系統以實現信息化、智能化和自動化為目標，而在實際的開采過程中，開采系統不斷改進并力求逐步實現遠距離的遙控機械化和自動化，礦區在發生自然災害事故時則需要更為自動化的決策指揮系統和機械控制系統。而葛世榮系統地闡述了采煤裝備在進行智能化轉變時所需要的“三個感知，三個自適”的技術構架。馬洪禮等研究人員主要提出了采用采煤機滾筒以接觸到不同煤層時，截割電動機的負載以及滾筒調高油缸前后腔壓力變化的新型煤巖識別技術、記憶切割技術以及井下數據傳輸技術等，這有利于實現采煤作業的采煤機手動控制、自主控制以及上位機遠程控制等3 種控制工作模式以及對相關工作參數的實時監測;黃曾華提出了綜采工作面自動化控制技術發展平臺，并展望了其技術發展趨勢；王國法剖析了綜采工作面自動化、智能化和無人化開采的主要技術難題、制約因素及目前發展中存在的問題，探討了其發展方向和技術。

1.2 智能化綜采工作面系統需面對的問題

當前，煤炭開采的智能化綜采工作面系統尚不穩定，還存在許多不得不解決的問題：一是煤炭綜采的工作環境較為惡劣，煤炭開采的工作環境常常是位于幾百米以下的地面深處，環境悶熱潮濕、粉塵多、光線弱，煤炭開采人員難以在如此復雜艱難的環境中工作，而綜采系統的傳感器的反應速度和可靠性都會受環境的制約，難以向地面傳達最真實可靠的數據。二是煤炭開采的地質環境十分復雜，穩定性弱，相關技術難以在復雜環境中實現普遍應用，各礦區的實際情況也并不相同，技術運用難度大。三是設備的制造廠商的控制系統設備在軟件協議、冗余功能等方面標準不一，存在巨大差異，難以實現市場標準的統一，這給設備的集中監控帶來了難度。四是由于實際開采環境復雜，在設計設備時需要充分考慮防爆要求，技術難度大。當前，國內外的智能化綜采技術都實現了飛躍，為煤炭開采進一步指明了發展方向。

1.3 礦區智能化綜采工作面系統面臨的技術問題

未來，礦區的智能化煤炭綜采工作面系統仍需克服許多關鍵技術問題：首先是采煤機的位置檢測和工作面的自動取直技術。在具體的煤炭開采工作中，由于智能化綜采工作面系統是在以往開采數據的基礎上進行自動化、高效化開采。因此，在推進工作進程時，為了保證支架和刮板輸送機的受力處于最佳狀態，需要保證工作面成一條直線并與煤礦巷道處于正交，因此，工作人員需要結合地面的地理信息系統收集相關數據，獲取正確的采煤機位置及其運動參數，以幫助采煤機實現自動導航，并通過截割模型傳輸采煤機的割取數據到液壓支架控制系統以實現三機聯動。

其二，智能化煤炭綜采工作面系統需要更穩定高速、抗電磁干擾能力強的網絡通信傳輸平臺，建設好智能化的信息系統和自動化軟件平臺。煤炭綜采系統把以太網作為主要的傳輸平臺，同時利用光纖、無線WiFi 等多種傳播形式來保證通信持續。目前某煤炭集團主要采用國家電信網絡技術，開發了基于井下小靈通技術的K18 技術系統，此系統能夠大幅縮短對突發事件的反應和處理時間，穩定性強，但其仍需克服光纖安裝難度大、易折斷、修復難度大等問題，同時需要研制更高強度的、速度更快的、安全性更高的礦用光纖技術。在組建軟件平臺方面，應當針對礦區的具體情況研制多型號、多品種、多功能的組件式軟件。其三，礦區需要加大對數據庫技術的開發和建設。智能化綜采工作面系統的井上和井下的傳輸數據量龐大，包括監測數據、圖像、語音和視頻數據等，其需要更復雜更精準的處理手段，以實現對工作面信息的查詢分析和應用，但數據庫的建設分析和維護工作難度巨大。

2 礦業智能化綜采工作面系統設計

2.1 系統架構

綜采工作面信息系統是一個綜采工作面的采煤機、支架電液控制系統、工作面三機通信控制系統等，各系統有機結合，為煤礦的井下和地面生產、管理人員服務，構建起安全高效生產的現代化信息系統，綜采工作面系統包括單個工作面系統集成及數據上傳和多個工作面系統集成及數據上傳網絡體系。當前，礦區智能化綜采工作面系統架構主要是多個工作面集成及數據上傳網絡體系。其是由生產檢測系統、數據分析、專家分析、報表分析和具體的運行管理等部分組成的一個復雜系統。處于第一階梯的檢測系統是基于煤炭開采生產狀況而開展的工作面檢測集成系統，其主要包括綜采工作面的數據檢測、順槽層的膠帶機檢測和煤炭主運輸系統檢測、主通風機檢測和生產執行系統的檢測等幾大部分。在對其進行數據采集和檢測后再進行下一步的數據收集同步，將數據收集后充實數據庫并對其進行深層次的分析，最終直接作用于煤炭開采的報表分析、運行管理、設備維修、功能分析等環節（圖1）。

圖1 系統架構

2.2 集成方案

智能化綜采工作面系統的集成主要是以綜采工作面智能控制系統為核心，同時將采煤機控制系統，支架電液控制系統、工作面”三機”通信控制系統、運輸控制系統、泵站控制系統和供電系統進行集成，最終實現對綜合機械化采煤工作面設備的協調管理與集中控制。集成系統在地面的調度中心建立綜采工作面檢測控制平臺，以實現工作面的設備檢測、診斷和數據分析、數據發布等功能。

（1）液壓支架智能化控制系統是在支架電液控制系統的標配基礎上通過增加多種傳感器的方式來實現支架的智能化控制功能。其配置有支架控制器、驅動器、傳感器和各種信號轉換器、地面監控中心服務器等各種儀器。（2）采煤機的智能控制系統通過工作面的視頻系統來實現對采煤機的定位和視頻跟蹤，其能通過工作面的巷道遠程操作臺來控制采煤機的速度，能使采煤機依據特定的速率和程序來自動運行，同時工人根據采煤機的具體運行情況在需要進行人工干預時及時采取措施。這種智能化操作系統要求采煤機具有更成熟和強大的功能，如參數檢測功能、感知和控制功能、定位功能、主動式采煤機與運輸系統的狀態自動協調的功能，緊急閉鎖功能等。（3）刮板輸送的智能控制系統是以工作面刮板輸送機、轉載機和破碎機等機器綜合利用為基礎的在線監測集中控制系統，其具備檢測減速器和電動機溫度、降壓啟動雙速電動機、“三機”啟停和軟啟動集成控制等多種復雜功能。第四，泵站智能控制系統是配置有各種傳感器來對泵站進行狀態預警與保護，具備電控液壓等功能，能夠實現乳化液泵站的空載啟停、系統壓力波動的最小化及系統瞬間供液最大化的智能控制系統。

3 實現功能與效果

隨著技術的發展和進步，我國多數礦區已經實現了綜采工作面的機械化生產，其中國產綜采成套技術和裝備的研發成功更促進了綜采機械化的發展，為智能化綜采系統的發展成熟提供了條件。2000 年天地科技股份有限公司北京開采所與外企合作開展了薄煤層的自動化無人工作面研究并開展了實踐操作。2005 年大同煤業集團引進了國外技術并實現了綜采工作面的無人操作，2008 年中國已經達到了國際領先水平，打破外企的技術封鎖。而在某礦區進行的智能化煤炭綜采工作面系統的運用效果明顯，采煤機、液壓支架、運輸設備等都實現了PLC 或嵌入式控制，礦區工人的勞動強度大幅降低，未來礦區將以無人化和自動化操作為最終目標，同時礦區對工作面總控制網絡技術、圍巖的支架耦合控制技術、高清可視化技術、快速移架控制技術和設備三維虛擬技術進行了煤礦開采的現場實踐應用。礦區已經初步搭建了自動化網絡和區域自動化控制系統，未來，礦區將會持續利用云計算、大數據進行技術創新換代，不斷提高煤炭綜采工作的效率。

4 實際應用

在礦區智能化煤炭綜采工作面系統運用中，通過技術革新和數據監控分析，礦區煤炭開采工作取得了十分明顯的成效：2016 年采煤機的平均開機率為57.1%，2017 年前三季度的采煤機平均開機率為61.4%，而在生產效率方面也取得了顯著成效，2016 年采煤機平均生產效率為37.1%，而2017 年前三季度的采煤機平均生產效率為45.2%。目前礦區的綜采工作開機率和綜采工作面的生產效率不斷提高，這為提高煤炭開采的經濟效率做出了重要貢獻，預計大采高開機率每提高1%，單個綜采工作面每年就將增產10 萬噸，而中厚煤層開機率每提高1%，單個綜采工作面每年將會增產7 萬噸，這大大提高了煤炭開產的效率，經濟效益持續增加，預計在生產效率全面提高的同時，相關開采設備的大修率將會不斷降低，大修費用將會不斷減少，礦區已經逐漸實現其減少設備故障率、提高設備利用率、降低設備營運成本等目標，開采工作已不斷實現智能化、自動化、高效化和安全化，未來，礦區將會持續成長為開采效率更高、設備智能化水平更高、操作安全性更高更穩定、經濟效益更佳的成熟性煤炭開采礦區，為我國煤炭開采的現代化做出更多貢獻。

5 結語

智能化的煤炭綜采工作面系統是條件適宜的煤層高效開采技術的發展方向，智能化、自動化、安全高效的煤炭開采理念是時代發展的需要。目前神東礦區進行了智能化綜采工作面生產的應用探索，其智能化綜采工作面系統已經得到了巨大發展，取得更好的經濟效益和科學效率，但距完全自動化、排除人工干預的全智能化還有一定差異。未來，神東礦區將致力于構建更成熟更全面的專家數據庫，建立起專業的機電專家支持機制，不斷研發煤炭開采的核心技術，將煤炭工人從人工生產中解放出來。