煤礦智能化系統在復雜地質條件下的應用探討

李彥輝，張有為，胡玉龍

(遼寧能源煤電產業股份有限公司，遼寧 沈陽 110122)

0 引言

我國目前正處于轉型、現代化和結構調整的關鍵時期，在網絡新技術與傳統產業深度融合的新形勢下，各產業正引領著產業的重大變革。其中將智能技術納入傳統設備、工業改造和現代化已成為解決能源供應、能源安全和工業安全等國家問題的關鍵手段[1-2]。煤炭的開采需要面對極為復雜的作業環境，傳統的煤炭開采方式面臨著巨大的潛在風險[3-4]，對于安全生產產生不利的影響，對生產效益的提高形成了制約，智能技術與裝備的應用，尤其是在復雜地質條件下的應用和實踐對我國煤炭開采產業的發展具有重要意義[5-8]。

根據國家發展改革委、國家能源局、應急部、國家煤礦安監局、工業和信息化部、財政部、科技部、教育部關于印發《關于加快煤礦智能化發展指導意見》的通知(發改能源〔2020〕283號)，為全面加快智能化工作面建設步伐，推動高產、高效煤炭開采，急需發展以實現無人化開采為目標的智能技術與裝備。為此，對智能化采煤技術在遼寧能源煤電產業股份有限公司西馬煤礦的應用進行探討。

1 工程背景

1.1 礦井概況

遼寧能源煤電產業股份有限公司西馬煤礦位于遼寧省燈塔市西馬峰鎮南，屬紅陽煤田南部的獨立井田，行政區劃屬燈塔市西馬峰鎮管轄。井田處于下遼河平原東側，地處遼東山區與下遼河平原的接壤部位，海拔標高為15.6～21.4 m，形成東北部高，西南部低的平緩地勢。西馬煤礦北距沈陽市56 km，燈塔市13 km，南距遼陽市10 km，東距長大鐵路張臺子車站8 km。長大鐵路位于井田的東側，沈海高速公路和202國道從井田中部穿過，交通便利。井田北起后葛針泡，南止太子河北岸防洪堤，長7.5 km，東自東馬峰村，西至前葛針泡、烏大哈堡，寬4 km，面積24.162 km2。采礦權標高為-170～-700 m 。生產規模為160萬t/a，西馬煤礦現采礦許可證范圍由12個拐點圈定。

1.2 工作面地質構造概況

1309工作面原地質儲量10.8萬t，核實后地質儲量15.8萬t，可采儲量15.3萬t，儲量增加5.0萬t，儲量增加的原因為實際上煤厚度增加及下煤計量。煤層生產能力1.58 t/m3，工作面回采率97%。

西馬煤礦1309工作面范圍由北二區1309運順、回順、切眼、設計停采線所圈定，工作面長550.7 m，寬175.5 m，面積96 648 m2。工作面南起北二區回風下山，北至北二區北翼13號煤層回風巷，工作面東鄰北二區1308采空區，西臨北二區西翼皮帶上山。工作面上部除空區間留有6 m間隔煤柱外12號煤層均已采動，工作面西部13號煤層未采動。工作面地表為前葛村水田，地表平均標高+19.3 m。12號煤層與13號煤層層間距為23～25 m，一般24 m。煤層埋深377～456 m。工作面整體為傾伏向斜構造，向斜軸位于工作面中部，軸向223°～247°，向西南傾伏，傾伏角3°～11°。向斜軸北翼煤層產狀127°～143°∠8°～19°；向斜軸南翼煤層產狀287°～296°∠6°～8°。范圍內煤、巖層層理、節理、裂隙、斷層、寬緩褶皺發育。根據北二區1309運順、回順、切眼、亮面切眼及上部12號煤層回采實見，工作面范圍內落差大于2/3采高的斷層有6條，其中F4斷層處于工作面以外，對回采無影響。F6斷層處于工作面中部，對回采有較大影響。F1、F8斷層處于采面邊緣，對回采有一定影響。構造發育附近，煤巖層產狀有突變現象。

2 智能化開采系統組成

智能化開采是不斷發展和進步的過程，主要指通過環境的智能感知、設備的智能控制，在不需要人工直接干預下，由設備獨立完成回采過程[9-12]。為實現1309工作面智能化開采及智慧礦山建設，提出了“遠程一鍵式啟停、自動開采、遠程人工干預，無人值守”為目標的方案，以達到減人、提效開采模式，融合采煤機自動截割、液壓支架及端頭支架的自動移架、運輸系統智能運行、遠程視頻監控、工作面遠程集控的目的。

2.1 順槽控制中心與地面調度室

順槽控制中心是復雜地質條件下開采智能工作面的核心組成。工作面所有數據通過數據傳輸平臺，接入到順槽控制中心。順槽控制中心采用高效工控平臺，具備數據顯示、設備控制、數據分析和生產管理的功能。工控平臺通過數據信息進行分析，對圖像進行識別，采用預警報警機制生成運行規劃，依據所確定刮板運輸機的實時位置曲線，制定采煤機路徑規劃，以及液壓支架自適應規劃來實現智能化。順槽控制中心定期生成設備運行狀態的分析報告，采用關鍵指標的方式來反映生產進度、分析故障原因、指導日常維修，將更換式維護轉變成預防式服務。工作面數據信息經礦井環網上傳到地面調度室，實現對綜采設備、環境狀態和人員狀態監測。地面調度室和順槽控制中心采用工控平臺進行遠程控制、智能控制和數據分析等工作。

2.2 液壓支架及超前支架電液控制系統

電液控制系統在復雜地質條件下智能工作面中協調控制液壓支架，同時承擔著工作面數據傳輸平臺的功能。電液控制系統采用現最先進的以太網現場總線控制方式，常規的電液控系統使用CAN總線的控制方式，通過傳感器來確定液壓支架的狀態，如油缸行程、油缸壓力以及支架高度，通過控制液壓主閥來執行單架動作或成組動作。在智能工作面中，電液控制系統在工控平臺的控制之下可以在局部工作面范圍內對液壓支架等做進一步調整和修正，實現自適應控制。電液控制系統包含上位機、控制器、傳感器、液壓主閥和供電系統。系統布置情況主要由液壓主閥、傳感器和控制器相連。控制器之間通過電纜連接組成電液控制系統。電液控制系統經交換機接入到工控平臺，LED燈、視頻攝像頭直接與控制器相連。

2.3 采煤機控制與精確定位系統

采煤機控制系統是復雜地質條件下智能工作面系統的另一重要組成部分，其中包含采煤機就地控制和工控平臺控制。工控平臺控制由采煤機路徑規劃、防碰撞、安全防護、環境聯動等功能組成。采煤機數據傳輸可以通過采煤機自身的數據線進行傳輸，同時也可以通過工作面數據傳輸平臺進行傳輸。采煤機上位機、工控平臺和數據交換機安裝在順槽控制室內。采煤機上位機通過交換機和工控平臺相連，與此同時采煤機的數據也通過工作面數據傳輸平臺接入到工控平臺，實現數據雙向通信。

目前采用的采煤機記憶割煤方式無法適應工作面變換，只適用于頂底板沒有變化的理想情況下的采煤。在實際生產中，工控平臺需要生成采煤機下6刀的路徑規劃，保證工作面的正確平穩推進。在液壓支架控制器上輸入工作面高度修正值，或在順槽控制室上位機上輸入工作面高度修正值，即可得到工作面對應的采割曲線。在綜采工作面內，因為無法確定地理基準點，所以工作面自動推進時，無法保證工作面平直，這是制約智能化工作面的一個重要因素。如圖1所示，采用陀螺儀、行程傳感器和圖像識別技術，工控平臺可以計算出刮板運輸機的位置曲線。依據已確定的運輸機位置曲線，可以推導出采煤機位置。基于液壓支架、采煤機和刮板運輸機的實時位置，工控平臺可以生成采煤機6次循環的路徑規劃。采煤機、刮板運輸機和液壓支架系統執行此路徑規劃，實現工作面平直控制和智能推進。

圖1 慣性導航系統工作面布置Fig.1 Layout of inertial navigation system

2.4 三機、順槽皮帶機、泵站控制系統

刮板運輸機的平直是采煤工作面中實現“三直兩平”的關鍵。如圖2所示，通過采用采煤機精確定位系統技術、行程傳感器、圖像識別技術、工控平臺生成刮板運輸機的位置曲線?；诠伟暹\輸機位置，通過工作面液壓支架進行調整，實現刮板運輸機平直，工作面液壓支架平直。通過分析安裝在工作面端頭的視頻攝像頭圖像，工控平臺對大塊煤進行識別，對轉載機進行保護。泵站控制作為智能工作面的組成部分，包含就地控制、邏輯控制和智能控制功能。

圖2 三機/順槽運輸機控制布置Fig.2 Control layout of main machines / conveyor

2.5 工作面視頻系統

工作面視頻系統是由安裝在工作面內的云臺攝像頭組成的視頻系統通過數據傳輸平臺將視頻圖像傳輸到工控平臺。工控平臺通過圖像識別和圖像比對來確認工作面內護幫板、刮板運輸機、支架底座前端的位置，煤壁頂板的狀態?；诜治鼋Y果，對采煤機、液壓支架進行調整，保證工作面平直，提高對煤壁和頂板的支撐精度，防止煤機和支架間干涉。視頻系統如同操作人員眼睛的延伸，此外還可以通過視頻攝像調整可能出現漏架的情況。按照工作面設計要求安裝攝像頭，通常每4架安裝一臺云臺攝像頭，一般安裝在支架頂梁處，如圖3所示。對于大采高工作面，可以通過設計攝像頭的安裝方式來滿足對頂底板觀察的要求。視頻攝像頭由控制器供電和控制。安裝在工作面端頭的攝像頭(超前支架、轉載、破碎、順槽皮帶、泵站)經過節點交換機將視頻圖像傳輸到工控平臺。

圖3 工作面攝像頭連接Fig.3 Connection of working face camera

3 智能化開采安全監控系統

3.1 工作面礦壓、地質信息監測系統

工作面礦壓監測系統作為復雜地質條件智能化開采安全監控系統的組成部分。工控平臺對來自工作面立柱壓力數據、巷道超前支架立柱壓力數據以及順槽頂板位移傳感器的數據進行分析，生成工作面礦壓分布曲線以及液壓支架支護規劃。如圖4所示，系統由工作面支架壓力傳感器、超前支架壓力傳感器和巷道頂板位移傳感器組成。通過地質雷達(Ground Penetrating Radar，簡稱GPR)的無線電波或其它技術檢測回采走向上的介質分布和對不可見目標體或地下界面進行掃描，以確定井下工作面煤層地質條件，建立真實、精確、動態的工作面煤層地質模型。

圖4 工作面礦壓分析連接Fig.4 Connection of ground pressure analysis in working face

3.2 工作面人員定位功能

工作面人員定位功能通過工作面施工人員攜帶RFID射頻發射器和工作面電液控制系統控制器進行雙向通信。RFID數據經過數據傳輸平臺進入到工控上位機，工控平臺依據人員位置、權限以及設備運行狀態等制定相應保護措施。如圖5所示，系統由工作面人員無線定位卡、以太網控制器、工控平臺組成。

3.3 工作面環境監測系統

工作面環境檢測系統包括安裝在工作面上環境監測儀器，通過數據傳輸平臺進入到工控平臺，礦井環境檢測數據可以通過交換機進入到工控平臺，工控平臺接收文本格式數據。如圖6所示，系統由環境檢測傳感器(粉塵傳感器、瓦斯傳感器、二氧化碳傳感器)和工控平臺組成。

圖6 環境監測系統布置Fig.6 Layout of environmental monitoring system

3.4 在線故障診斷系統

工作面在線故障診斷系統由安裝在采煤工作面設備上的振動傳感器、溫度傳感器和油脂傳感器等監測傳感器組成。通過數據傳輸進入到順槽控制中心，通過上位機上監測診斷系統軟件進行數學建模，利用振動參數、溫度參數、供電參數、流量參數等故障診斷算法(故障頻率計算、故障特征提取、故障部位與嚴重程度智能判斷)，對設備運行狀況進一步分析診斷，實現機電設備運行狀態實時診斷。系統能夠對設備故障在線智能定量診斷，實現故障準確定位與維修指導。設備運行狀態集中監測實現大型機電設備運行狀態信息全面實時監測。故障預警預報功能，實現大型機電設備異常狀態聲光報警。設備使用過程對壽命運行周期進行跟蹤，保證設備長期使用壽命。

4 應用預期成果

對西馬煤礦1309工作面已經完成設備井下單機調試及聯合試運轉監測設備運行狀況、工作面視頻跟機自動切換、監測工作面運行狀態等工作。智能化設備監測結果表明在復雜地質條件下工作面智能化系統能夠較好地滿足生產和安全要求。后期將分步對遼寧能源煤電產業股份有限公司西馬煤礦從回采工藝、技術裝備等方面入手，查找智能化割煤的影響因素，并提出解決方案。本著政策先行，技術裝備逐步跟進的原則，將影響智能化割煤的問題逐一解決，使現有的有人監護智能化割煤成為常態，到年底基本實現工作面智能化割煤產量達到月度計劃煤量的80%。根據技術裝備水平和人員素質情況，逐步精簡智能化工作面崗位設置及人員數量，達到智能化開采。

5 結語

煤礦智能化在復雜地質條件下系統應用主要包括電液控系統、三機控制通信系統、智能刮板控制系統等。以煤礦智能化開采及智慧礦山建設為框架，構建“遠程一鍵式啟停、自動開采為主、遠程人工干預為輔，特別是在復雜地質條件下，在滿足井下人員安全與生產高效的前提下，最終實現“無人值守”為目標的減人、提效開采模式，融合采煤機自動截割、液壓支架及端頭支架的自動移架、運輸系統智能運行、遠程視頻監控、工作面遠程集控等關鍵技術。實現在復雜地質工作條件下整個采煤工作面的“有人巡視、無人操作、遠程干預、安全高效、綠色節能”的智慧運營。