我國(guó)煤炭綜采工作面智能化開(kāi)采探討

李 斌

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)馬道頭煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 大同 037101）

引言

目前，在國(guó)家宏觀政策調(diào)控下，煤炭業(yè)正處在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型、升級(jí)的關(guān)鍵時(shí)期。面對(duì)傳統(tǒng)工業(yè)和新型技術(shù)有效融合的大趨勢(shì)，煤礦產(chǎn)業(yè)勢(shì)必要做出新的調(diào)整，煤炭綜采工作面智能化是第一選擇。然而在實(shí)際操作中，由于環(huán)境、安全等因素的限制，煤礦產(chǎn)業(yè)很難順利完成智能化升級(jí)，其先進(jìn)的智能理念、日趨完善的技術(shù)、相匹配的智能開(kāi)采設(shè)備需要逐步升級(jí)，早日代替?zhèn)鹘y(tǒng)的煤炭開(kāi)采技術(shù)。基于此，對(duì)煤礦綜采工作面進(jìn)行研究，并深入探索其智能化進(jìn)程，有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 我國(guó)煤炭綜采工作面智能化開(kāi)采技術(shù)發(fā)展規(guī)劃

與世界發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)在煤炭綜采工作面智能開(kāi)采技術(shù)發(fā)展上有些滯后。隨著我國(guó)將煤炭綠色智能采掘裝備列入能源裝備發(fā)展任務(wù)之一，明確指出要加快研發(fā)煤炭智能化開(kāi)采技術(shù)，力爭(zhēng)做到機(jī)械化與自動(dòng)化相結(jié)合并成功替代人工操作，避免將人置于危險(xiǎn)工作環(huán)境中，鼓勵(lì)煤炭工業(yè)也不斷深入探索“互聯(lián)網(wǎng)＋人工智能＋自動(dòng)開(kāi)采”的綠色開(kāi)采新模式。如今我國(guó)很多煤炭企業(yè)已陸續(xù)開(kāi)始采用煤炭綜采工作面智能開(kāi)采技術(shù)，有效提高了煤炭開(kāi)采量和開(kāi)采效率。

按照我國(guó)煤炭綜采工作面智能化開(kāi)采的規(guī)劃，未來(lái)大致會(huì)經(jīng)過(guò)四個(gè)階段，第一階段主要以設(shè)備單機(jī)自動(dòng)化為主，包括液壓支架自動(dòng)跟機(jī)、采煤機(jī)記憶割煤；第二階段主要以設(shè)備工作自動(dòng)化為主要特征，其中包含了工作面設(shè)備的協(xié)同控制、視頻輔助；第三階段以工作面數(shù)字化技術(shù)引入為主要特征，包含透明工作面＋自動(dòng)規(guī)劃采煤，最終達(dá)到第四階段以綜采設(shè)備自適應(yīng)開(kāi)采＋深度智能學(xué)習(xí)替代人工干預(yù)的智能化開(kāi)采階段。我國(guó)目前已取得了以“支架電液控制＋記憶割煤＋可視化遠(yuǎn)程干預(yù)控制”的綜合自動(dòng)化控制為代表的一系列創(chuàng)新成果。

2 煤礦綜采工作面的智能化開(kāi)采設(shè)備

2.1 智能采煤機(jī)

相較于傳統(tǒng)意義上的采煤機(jī)，智能采煤機(jī)可謂實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。在實(shí)際的開(kāi)采作業(yè)中更注重實(shí)際需要，不僅能設(shè)計(jì)出多種運(yùn)行方式，更是具有高效、高產(chǎn)、安全等特點(diǎn)，能有效聯(lián)動(dòng)控制刮板輸送機(jī)和支架。為了更好地完成監(jiān)測(cè)、協(xié)調(diào)、信息采集工作，借助了MEMS 傳感器技術(shù)，不僅使對(duì)于采煤機(jī)位置關(guān)系的有關(guān)計(jì)算、演繹不再繁瑣，同時(shí)提高了“精準(zhǔn)預(yù)測(cè)”其運(yùn)行軌跡的可能性，讓閉鎖采煤機(jī)及其相關(guān)設(shè)備間的“智慧”聯(lián)動(dòng)不再遙不可及。將智能系統(tǒng)嵌入采煤機(jī)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤炭分界的自動(dòng)化探測(cè)以及記憶截割等，結(jié)合采煤工藝，可以進(jìn)一步滿足支架調(diào)斜、傾斜切刀、跟機(jī)作業(yè)等需要，除了完成基礎(chǔ)工作外還能滿足“個(gè)性化”需求，讓工作面組成一個(gè)智能有機(jī)體。將采煤機(jī)遠(yuǎn)程操作平臺(tái)設(shè)置在監(jiān)控中心，就可以實(shí)時(shí)通信，操作系統(tǒng)中的視頻系統(tǒng)可“升降滾筒”的指令，指令下達(dá)、實(shí)現(xiàn)連接，在完成傳輸信號(hào)后，即可對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

2.2 智能液壓支架

煤礦綜采中的液壓支架電液控制系統(tǒng)，就本質(zhì)而言，它其實(shí)更像一種附加性產(chǎn)品，生產(chǎn)支架架設(shè)完備之后接入，并沒(méi)有在液壓支架的構(gòu)造中充當(dāng)完全適配的角色。為了融合支架的控制器、機(jī)械構(gòu)造、傳感器等，使其高度配合運(yùn)作，進(jìn)而讓其作為機(jī)電一體化整體存在，進(jìn)一步減少支架的費(fèi)用，大幅提升支架自動(dòng)化水平，后續(xù)有關(guān)產(chǎn)品、設(shè)備必須將“電液控制系統(tǒng)在監(jiān)控中心完成液壓支架的遠(yuǎn)程控制臺(tái)構(gòu)造”的需要提前進(jìn)行確認(rèn)，建議將其放在設(shè)計(jì)的初始階段。

電液控制系統(tǒng)有效應(yīng)用于綜采工作面液壓支架，并且在實(shí)際操作中進(jìn)一步普及后，自動(dòng)化跟機(jī)的功能在伴隨采煤機(jī)的支架上得以凸顯。伴隨采煤機(jī)運(yùn)行的自動(dòng)化，使其主導(dǎo)液壓支架遠(yuǎn)程控制，期間作為輔助的“人”的參與，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程操作的人為影響。當(dāng)然，參照“三平兩直”的標(biāo)準(zhǔn)，液壓支架現(xiàn)階段的發(fā)展水平還有待提高。面對(duì)差距，需要跟隨實(shí)時(shí)監(jiān)控視頻的指引，配合機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，及時(shí)計(jì)算相對(duì)位移，在誤差最小化的前提下進(jìn)行調(diào)整。

2.3 智能刮板運(yùn)輸機(jī)

在煤炭的輸送階段，為了更好地完成輸送任務(wù)，通常需要對(duì)刮板運(yùn)輸機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，其中重點(diǎn)監(jiān)測(cè)部分是它的直線性；而作為采煤機(jī)的支撐部分，平整性也是非常重要的。為了確保直線性、平整性，防止“下滑上竄”情況的發(fā)生，需要及時(shí)地控制、檢測(cè)它與支架間的相對(duì)范圍，同時(shí)深入剖析刮板運(yùn)輸機(jī)的定位問(wèn)題，進(jìn)而知悉它們對(duì)彼此的影響。

3 煤礦綜采工作面輔助開(kāi)采的智能化技術(shù)

3.1 支架防碰撞技術(shù)

支架防碰撞技術(shù)是一種側(cè)重于安全性、主動(dòng)的防碰撞系統(tǒng)，具備將視聽(tīng)報(bào)警信號(hào)事先發(fā)送給相關(guān)人員的功能。在探測(cè)采煤機(jī)周圍的阻礙物時(shí)，主要借助雷達(dá)探測(cè)，假設(shè)探明采煤機(jī)前存有障礙物，雷達(dá)探測(cè)技術(shù)將會(huì)發(fā)揮它的功能——感知且暫停采煤機(jī)的運(yùn)作，直至相關(guān)工作者解決了探測(cè)到的問(wèn)題。智能化技術(shù)的采用使系統(tǒng)可以自主運(yùn)行相關(guān)檢測(cè)、緊急制動(dòng)等功能，極大地降低了碰撞現(xiàn)象發(fā)生的概率。

3.2 視頻監(jiān)控技術(shù)

視頻監(jiān)控技術(shù)的重點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域，是綜采工作面的模擬采礦系統(tǒng)，參照現(xiàn)實(shí)環(huán)境，借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建構(gòu)采礦場(chǎng)景。在這個(gè)三維的立體空間中，工藝裝置被極大地仿真，在“相同”的場(chǎng)景中，技術(shù)人員可“感受”煤炭開(kāi)采的整個(gè)過(guò)程，同時(shí)，與系統(tǒng)交互的過(guò)程中，操作者實(shí)時(shí)地“穿越”在各個(gè)空間，空間廣度涉及模擬的整個(gè)范圍。該系統(tǒng)除了可以模擬現(xiàn)象、對(duì)物體進(jìn)行識(shí)別等，還能確認(rèn)空間的狀態(tài)，并調(diào)整其運(yùn)行狀況，輸入、處理所需要的信息。高度還原實(shí)際采礦環(huán)境的三維化場(chǎng)景，是它的顯著構(gòu)建特征，而通過(guò)模擬所獲取的一系列工作參數(shù)、裝置動(dòng)態(tài)圖以及其他平面圖等有用信息，對(duì)于評(píng)價(jià)生產(chǎn)目標(biāo)，優(yōu)化生產(chǎn)設(shè)備、系統(tǒng)等意義重大。

3.3 實(shí)時(shí)控制協(xié)議技術(shù)

綜采工作面遠(yuǎn)程遙控需要在實(shí)際操作中將傳輸視頻延時(shí)性進(jìn)一步縮進(jìn)。通常，結(jié)合支架以及采煤機(jī)獨(dú)有的控制標(biāo)準(zhǔn)：視頻端與端之間的延時(shí)，理論上不可以超過(guò)50 ms。基于此，實(shí)操過(guò)程對(duì)圖像攝取、信息傳輸、解碼、儲(chǔ)存等方面提出了較高要求。由于工作面距離較長(zhǎng)，而采煤機(jī)附近相關(guān)設(shè)備需要感知、采集、呈現(xiàn)的視頻，均需兼顧攝像儀的容量及數(shù)字視頻系統(tǒng)中的信號(hào)，在完整呈現(xiàn)之前，少不了傳輸、編碼解碼、數(shù)字化等操作，這往往促進(jìn)了大于300 ms 的延時(shí)的產(chǎn)生。因此，在設(shè)備智能化與系統(tǒng)優(yōu)化的過(guò)程中，還應(yīng)完善數(shù)據(jù)采集、信息呈現(xiàn)等密切關(guān)聯(lián)的技術(shù)[1-4]。

4 結(jié)語(yǔ)

在采煤產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展之下，對(duì)安全重視程度的提升、高效高產(chǎn)的目標(biāo)指引，使得煤礦綜采工作面在社會(huì)信息化潮流中不斷趨于智能化。結(jié)合實(shí)際需求，順應(yīng)時(shí)勢(shì)，并以智能化為發(fā)展方向，才能完成相關(guān)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型、升級(jí)的目的。只有不斷加快煤礦開(kāi)采智能化發(fā)展的腳步，煤礦綜采工作面智能化才能推進(jìn)真正意義上的“改革”，進(jìn)而助力國(guó)內(nèi)煤礦企業(yè)進(jìn)入新的可持續(xù)發(fā)展階段。