煤礦智能化工作面的建設與成果分析

郭勤勤，張 浩，連 政

（山西高河能源有限公司，山西 長治 046000）

我國煤礦智能化的建設經歷了從機械化、自動化、智能化到無人化的發展歷程[1]。目前針對于綜采工作面的智能化工作仍處于起步階段，但由于其是智慧礦山建設的重點環節，現代化礦井的建設必須要積極面對[3]。目前智能化工作面建設的主要技術難點包括工作面的調斜、調直與調平工作，還有設備的人值守、系統遠程控制中的抗干擾性和傳輸效率等問題。這些問題都嚴重地影響了智能化礦山建設的進步空間及推廣覆蓋。因此如何提高工作面智能化程度、降低企業勞動成本是實現智能化開采的重要基礎，筆者在此將對智能化工作面的建設進行詳細闡述[3]。

1 綜采工作面智能化發展現狀及關鍵技術

1.1 綜采工作面智能化發展現狀

王金華對國外智能化開采技術進行細致的總結，并對國內智能化開采理念進行了框架化的設計，并將智能探測、智能導航和智能控制視為礦山智能化的重點發展方向[4]；張良[5]等通過對比綜采工作面自動化、智能化、無人化的區別，闡明了工作面智能化得到重要性和關鍵技術。黃曾華[6]詳細分析了綜采工作面智能化的發展階段和未來趨勢，并給出了相關技術建議和策略。

根據我國煤炭工業的發展進程，煤礦智能化建設大約可以分為四個階段：即機械化、自動化、數字化和智能化，如圖1 所示：第1 階段以機械化生產代替人工勞動為標志，例如液壓支架實現自動跟機、采煤機可以記憶割煤；第2階段以礦井主要設備實現自動化運作、工作面實現遠程遙控為特征；第3階段以工作面引入數字化技術為特征，包括工作面自動化生產、礦井自動規劃等方面；第4階段為最終的智能礦山階段，綜采設備實現自適應開采并可以深度學校，井下無人機等設備可以完全代替人工采煤，實現無人值守。

圖1 智能化礦山的發展階段圖

1.2 綜采工作面智能化開采的關鍵技術

開采裝備的可靠性。開采裝備的可靠性作為智能化開采的首要問題，主要由兩方面系統組成，包括裝備的原生可靠性和系統傳感器零部件的可靠性。裝備的原生可靠性主要通過初始設計、制造組裝、系統測試等多位一體的方法進行保障。但更重要的是如何保障智能化傳感器零部件的精準運作。由于井下工作環境復雜多變，為更快地適應該環境，需要不斷地對環境進行模擬測試，對數據進行的實時的記錄、傳輸和反饋，最大程度上降低傳感器的故障率。

設備自身狀態的檢查及對環境的適應。井下工作面環境惡劣，設備之間的安置與連接錯綜復雜。在目前的使用中,僅有推移、紅外、壓力、傾角、采高等通用傳感器可以保持較高的靈敏度，而新型的煤層物探技術、探測精度、激光雷達等先進技術還難以滿足需求，智能化程度更深的工作面巡檢的機器人大范圍推廣還有待提升。

工作面的直線度控制。工作面的直線度對煤炭的正常開采有著重要的影響。就目前所掌握的技術而言，對支架在自動跟機過程中的精準移動缺乏有效控制。在復雜條件下，如大傾角工作面、薄煤層開采等問題還需對其智能控制技術進一步的完善。除此之外，機械設備間的連接情況、工作面圍巖穩定性情況、執行系統的響應特性等都會影響工作面的自動調直。在進行系統研發時，不僅要提升工作面自動調直的精確度，還要注意使用成本的控制。

2 綜采工作面智能化開采技術創新實踐

根據資料判斷，現高河煤礦E2308 工作面具備智能化實施條件，通過大量新設備的投入使用（電液控制系統、變頻控制開關、集中控制系統、乳化液泵站自動遠距離配液、反滲透水處理設備等，具有較高的科技含量），可以顯著提高井下設備的自動化程度，對安全生產有很強的促進了作用。

2.1 工作面總體架構設計思路

高河煤礦智能礦井建設是以“1+3+N”的建設理念為基礎，分別代表以1個集團為中心，創建3個IT基礎設施平臺，即：1張網融合通信平臺，1個云數據分中心和1套智能管控平臺，并配有“N”個智能系統。通過一系列智能化的建設，最終達到安全經濟、降本增效的目的。

2.2 主運輸皮帶的無人值守

E2308 工作面將依托高河煤礦的工業環網進行建設，并在主皮帶機頭安裝有網絡監控攝像頭，通過集控系統進行遠程監控。在主運輸機的無人值守方面，高河煤礦優先對西膠皮帶、南膠皮帶、北膠皮帶、南膠二部皮帶、北膠二部皮帶、東膠皮帶、配倉皮帶共計七部皮帶完成了升級改造。

2.3 專業信息化系統建設

智能化工作面所涉及的信息化系統主要包括安全監測監控系統、移動目標精準定位系統、工業電視、IP應急廣播、調度通信、水文監測、瓦斯抽采監測、礦壓監測、洗煤廠集控、裝車站集控、主井提升監測、主通風機監測等23 個建設方向。高河煤礦的MOS智能礦山管控平臺目前在實現礦井綜合自動化管理平臺升級改造的基礎上，提升了煤礦智能化水平。具體來看實現了安全監測、人員定位、主井提升、主通風機、瓦斯泵站等系統的綜合集成和系統融合，未來智能工作面建設無需再投入用于數據統一集成、數據融合展示等方面的成本，有效實現降本增效，并通過二三維可視化的方式展示進行統一集成與融合聯動，無需調取和切換其它子系統即可獲取數據。

3 預期效果

在未來，高河煤礦的智能礦山建設將基于統一的數據輸入與輸出進行規范的優化，校對數據編碼和數據接口，實現所有參與礦井智能化建設的子系統廠家、集成商等單位都必須按照統一的一個標準參與建設和相互對接，有效降低維護和管理成本。在此過程中，預期將收獲以下三方面的成果。

3.1 可以培養專業的智能化礦山的管理運維團隊

在E2308 智能工作面的建設中，可以為企業培養一支包括運維、研發、業務應用推廣在內的專業技術隊伍。以信息化帶動工業化，工業化促進信息化，全面提升高河煤礦工業結構整體的優化升級，對本行業起到示范引領作用。同時，也響應了國家“兩化”融合的號召，使信息化成為能源企業經營管理的常規手段。

3.2 機電設備的故障率大幅下降

隨著智能化工作面的建設，煤礦的設備故障率、停機率、網絡故障率、日常待辦任務處理延期率將大大降低，煤礦的生產效率也得到相應提高。

3.3 工作優化程度加深，人員減少，安全生產提升

在礦山智能化建設中，無人值守自動系統每建成一個，相應的崗位減少一個。只要具備無人值守的條件，礦井相應地就應該按照無人值守的要求調整崗位、配置人員，下達用工計劃，實現井下逐步優化減員、地面有序轉崗分流。見表1。

表1 工作面建設完成前后人員配備表

4 結束語

智能化工作面的建設是一項綜合性較強的跨學科、跨專業的前沿采礦技術,涉及精準勘探、高效傳感、大數據融合、設備信息物聯等集成。高河煤礦依托工業環網，終端查詢系統高度集成以太網、視頻、音頻、通信、無線、監測、控制等多種技術，實現在順槽監控中心對液壓支架、采煤機、刮板輸送機、轉載機、破碎機、順槽膠帶機、泵站、開關等綜采設備集中管理與控制。新設備新技術的應用，有效提高了智能綜采工作面集約高效生產水平，機電事故率平均降低了25%，設備運行電費節約10%；人員數量減少50%，將原來生產班每班24人，減低至每班12人。