采煤工作面智能化建設關鍵技術的應用研究

李 銳

（華陽集團新景礦煤業(yè)有限責任公司， 山西 陽泉 045000）

引言

隨著科學技術的不斷發(fā)展，煤礦領域的技術水平也有了顯著提升。傳統(tǒng)的煤礦開采過程中人是主要角色，主要是通過人為經(jīng)驗來開展相關工作，比如操作機械設備、制定煤礦開采工藝等[1]。這種粗放式的發(fā)展模式，煤礦開采效率相對較低，礦井中容易發(fā)生安全事故，不利于煤礦行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[2]。隨著人工智能、工業(yè)大數(shù)據(jù)、云計算等先進技術的不斷發(fā)展與提升，將這些技術應用到煤礦開采中，能顯著提升采煤工作面的自動化水平[3-4]。通過利用這些先進的科學技術，可以實現(xiàn)主要采煤裝備的自動化操作與控制、采煤工藝的科學制定等，使采煤質量和效率有了質的變化[5-6]。本文以某煤礦工作面為案例，詳細闡述了智能化工作面建設過程中涉及到的關鍵技術及其在實踐中的應用情況，對于促進采煤工作面智能化發(fā)展具有一定的實踐意義。

1 煤礦工作面智能化建設基本現(xiàn)狀

某煤礦涉及到的井田面積達到了50 km2，經(jīng)過前期勘探發(fā)現(xiàn)內部存儲有煤礦8.6 億t 左右，其中可以開采的煤礦達到了5.5 億t，可以開采的煤層大約為8 個。由于煤礦規(guī)模相對較大，如果仍然沿用傳統(tǒng)的煤礦開采技術，則無法滿足煤礦領域現(xiàn)代化發(fā)展的實際需要。基于此，煤礦集團緊跟時代發(fā)展步伐，擬在礦井中已經(jīng)建設的各種信息化系統(tǒng)的基礎上，充分利用當前先進的云計算技術、工業(yè)大數(shù)據(jù)技術、5G 技術等，在礦井中建設智能化采煤工作面。

智能化采煤工作面的建設不是一蹴而就的，需要結合實際情況穩(wěn)步推進。煤礦企業(yè)計劃通過三步走的戰(zhàn)略，真正實現(xiàn)煤礦企業(yè)的智能化運行。第一步，由采煤機械裝備的機械化向自動化過渡；第二步，實現(xiàn)采煤工作面的遠程監(jiān)控運行；第三步，建設全面統(tǒng)一的智能化管控平臺，對采煤工作面實施智能化控制。目前該煤礦集團正在大力開展第三步的推進工作，取得了很多的應用效果，以下對其進行詳細介紹。

2 采煤工作面智能化建設整體方案設計

建設含括監(jiān)測、管理及控制于一體的煤礦工作面智能化管控平臺，是實現(xiàn)智能化運行的基礎和前提。基于該平臺可以實現(xiàn)采煤工作面運行數(shù)據(jù)的統(tǒng)一采集、傳輸、運算與管理。如圖1 所示為設計的采煤工作面智能化管控平臺的整體方案框圖。

圖1 采煤工作面智能化建設管控平臺整體框圖

由圖可知，管控平臺共劃分為4 個層級：

1）設備感知層，主要作用是對采煤工作面中的采煤裝備運行狀態(tài)信息進行實時采集。

2）基礎設施層。該層級主要就是一些基礎設施，包括云平臺、主機及各種網(wǎng)絡線路等，作用是為智能化管控平臺的運行提供基本的硬件支持。

3）數(shù)據(jù)服務層。該層級主要是對采集得到的工作面數(shù)據(jù)信息進行分析和處理，建立相關的數(shù)據(jù)庫和知識庫，為數(shù)據(jù)的進一步應用奠定堅實的基礎。

4）應用層。主要是基于數(shù)據(jù)分析結果開展相關決策工作，比如可以對采煤工藝進行優(yōu)化、對設備運行狀態(tài)進行優(yōu)化等。

3 工作面智能化建設關鍵技術分析

3.1 基于5G 技術的傳輸網(wǎng)絡

先進的傳輸網(wǎng)絡是實現(xiàn)采煤工作面智能化建設與運行的基礎和前提。由于采煤工作面中很多設備和裝置需要在工作過程中不停地移動，傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡無法滿足實際使用要求，需要建設覆蓋整個工作面的無線網(wǎng)絡。該煤礦企業(yè)已經(jīng)實現(xiàn)了工作面5G+WiFi 無線傳輸全覆蓋，在工作面范圍內完全可以實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸。目前工作面中的瓦斯檢測、通風機風速檢測、頂板壓力檢測、視頻監(jiān)控、煤巖識別等獲得的數(shù)據(jù)信息全部基于5G 技術進行無線傳輸，有效提升了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎涂煽啃浴；?G技術的傳輸網(wǎng)絡不需要在工作面中鋪設大量的電線電纜，降低了網(wǎng)絡設備運行維護的精力和成本。另外，煤礦工作面還將5G 技術和VR 虛擬現(xiàn)實技術進行融合，利用工業(yè)機器人對工作面中的變電所及其他相關設備實現(xiàn)智能化巡檢，無需再安排專門人員開展相關巡檢工作，不僅降低了人工勞動強度，還提升了巡檢的效率和質量。如圖2 所示為基于5G 技術的工作面?zhèn)鬏斁W(wǎng)絡。

圖2 基于5G 技術的工作面?zhèn)鬏斁W(wǎng)絡

3.2 采煤工作面三維實景建模技術

利用時空地理信息系統(tǒng)可以對采煤工作面的三維實景進行建模分析，基于該三維模型可以實現(xiàn)自適應割煤。以上技術只適用于采煤工作面比較簡單的情形，如果工作面情況稍微復雜，該技術則難以實踐應用。工作面進一步結合慣性導航技術、激光雷達技術、高清視頻系統(tǒng)，構建了更加準確的工作面三維實景。具體應用時，利用激光雷達技術可以對采煤工作面中的一些關鍵裝備的主要零部件進行掃描，比如液壓支架的立柱、底座，輸送機擋煤板，電纜槽等。基于掃描數(shù)據(jù)建立設備的三維模型，如雷達掃描和高清視頻系統(tǒng)的融合使用，可以對煤壁進行掃描，并對煤巖界面進行高效識別。虛擬液壓支架模型如圖3 所示。

圖3 虛擬液壓支架模型

3.3 綜采智能化控制技術

實現(xiàn)采煤裝備的智能化控制是工作面智能化建設的關鍵環(huán)節(jié)，以下對工作面的調高、調斜的智能化控制進行簡要介紹。

1）調高智能化控制。利用傳感器對采煤機割煤過程中的煤層變化以及頂?shù)装遄兓闆r進行檢測，并將檢測數(shù)據(jù)傳回控制系統(tǒng)進行分析。結合三維實景建模技術提前對煤巖的分界情況進行預判，同時對截割滾筒當前的狀態(tài)進行識別。在此基礎上實現(xiàn)采煤機調高的自動化控制。如圖4 所示為采煤機調高的智能化控制過程。

圖4 采煤機調高的智能化控制過程

2）調斜的智能化控制。利用三維實景建模技術收集工作面中主要采煤裝備的具體空間位置及其姿態(tài)，并將結果傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)。控制系統(tǒng)根據(jù)工作面的推進速度，結合內置的控制策略和算法，計算好工作面的調斜量，下達控制指令對液壓支架和刮板輸送機的姿態(tài)進行控制，實現(xiàn)工作面的智能化調斜。

4 智能化工作面實踐應用效果分析

4.1 應用情況概述

將上述采煤工作面智能化關鍵技術運用到煤礦工程實踐中，并對這些技術進行不斷的調試、磨合，并結合實際情況進行調整，最終各項功能都得以實現(xiàn)。對智能化工作面進行連續(xù)三個月時間的調試，運行測試發(fā)現(xiàn)工作面中的各項采煤設備都能夠正常穩(wěn)定工作，設備運行狀態(tài)指標以及采煤工藝指標都達到了理想狀態(tài)，生產過程連續(xù)穩(wěn)定。標志著采煤工作面智能化建設取得了階段性的成果。

4.2 經(jīng)濟效益分析

相同的采煤工作面，如果沒有采用智能化技術，每個班次通常需要安排25 人。完成采煤工作面的智能化建設工作后，每班次只需安排9 人即可完成所有的工作。每天需要三個班次，則煤礦生產可以節(jié)省48 人次。每名煤礦工作人員的人力成本方面按照15萬元/年進行計算，則工作面每年可以節(jié)省人力成本720 萬元。另外，智能化技術在產煤工作面中的實踐應用，顯著提升了采煤質量和效率，產量得到了大幅度提升。沒有使用智能化技術前，工作面每個月的煤礦產量在7 萬t 左右，建設智能化工作面后，每月采煤量達到了10 萬～11 萬t，采煤效率在原有基礎上提升了42.86%～57.14%左右。最后，工作面智能化建設完成后，設備運行穩(wěn)定性得到顯著提升，故障率有了大幅度降低，節(jié)省了大量的設備維護和保養(yǎng)成本。

5 結語

隨著煤礦領域科學技術水平的不斷提升，建設智能化采煤工作面是未來發(fā)展的必然趨勢。在工作面智能化建設方面，我國很多煤礦企業(yè)已經(jīng)開展了很多實踐，并取得了很好的實踐應用效果。本文主要以某煤礦企業(yè)中的工作面智能化建設過程為案例，詳細闡述了智能化管控平臺的整體框架，以及智能化建設過程中涉及到的一些關鍵技術。通過建設智能化工作面，在降低煤礦企業(yè)人力成本的同時，顯著提升了工作面的開采質量和效率，為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益。