綜采工作面智能化采煤技術分析

武永旺

摘要：在智能制造時代背景下，煤炭行業逐步邁入智能化發展新階段。隨著我國煤礦開采技術的不斷發展，傳統的人海戰術已不能滿足當前高效安全生產的需要，如何實現煤礦安全生產、提高勞動生產率成為擺在煤炭行業面前的重大課題。本文針對目前煤礦井下作業人員不足、勞動強度大、生產效率低等問題，以某礦綜采工作面為研究對象，從系統架構設計到應用場景構建等方面進行深入分析，并提出具體的解決方案。

關鍵詞：智能制造；采煤；架構分析

DOI：10.12433/zgkjtz.20232436

隨著國家工業化和信息化水平的不斷提升，傳統制造業逐漸向“智能制造”“數字經濟”轉型升級。在中國智造2025規劃和能源革命的推動下，我國煤炭工業也在加快推進數字化轉型進程。隨著信息技術、大數據和人工智能等新一代信息技術不斷應用于煤業領域。作為典型的資源型產業，煤業的發展與國家能源戰略息息相關，因此，如何提升煤炭行業整體水平以及促進清潔化發展是當下亟須解決的問題。近年來，國內各大煤炭企業紛紛加大對自動化裝備的投資力度以及積極探索智能化采煤技術路線，然而，對于企業而言，智能開采系統建設及運行維護成本高、數據獲取難度大且難以共享、數據質量差且無法及時處理等問題仍制約著整個行業快速發展。

一、智能化采煤技術基本理論

（一）綜采工作面智能化開采的概念及特點

1.智能化開采的定義及其內涵

智能化是指通過使用先進的科學技術來改善生產過程，提高生產力水平。而綜合機械化是指將機械化的各種設備有機組合，形成新工藝流程，不僅可以有效降低工人操作難度和風險，還可以減少人工投入從而降低生產成本。由此可見，綜合機械化是采用現代科技手段使采礦活動更加科學合理的一種方式。智能化是利用先進的信息通信技術和計算機技術，實現煤礦生產過程的全面優化。具體而言，在保證安全生產的前提下，通過應用物聯網、云計算、大數據分析等技術，對煤礦的作業環節進行全生命期管理。例如，實時監控井下人員位置，實時監測井下溫度變化情況，自動生成安全保障措施方案，自動生成產量計劃，等等。此外，綜合機械化是將傳統的單一設備或多種設備的組合模式轉變為以大型機電設備和專用設備為主體的多級遞進式的復合式現代化裝備體系結構。

2.智能化的主要特點與優勢

智能化和自動化是相互聯系又有區別的概念。自動化是在一定條件下，機器能按照人的要求完成規定的功能，如按時間或按順序動作等。而智能化是一種高度復雜的人機系統，其核心是知識，即人類在長期實踐中積累起來的經驗知識以及由這些知識所形成的技能技巧等，是人適應環境的結果。因此，從本質上看，“自動化”屬于被動性勞動，“智能化”屬于主動性勞動。人工智能具有高度的自學習性和自我完善能力（即具有無限的潛力），能夠不斷根據外界條件的變化調整自身的狀態，從而獲得最佳的工作效果，并最大限度地避免人為錯誤發生的可能性。

3.智能化采煤的主要特征

綜采工作面的智能化主要是基于“三高”（高效率、高安全性和高可靠性）原則。具體而言，通過應用先進的物聯網技術，實現對煤炭資源的全方位感知，進而實現對煤炭資源的高效采集和精確處理，同時借助工業互聯網平臺和大數據平臺，建立集煤質檢測、運輸調度和生產控制于一體的信息化管控體系。此外，還通過構建無人駕駛礦車系統以及無人巡檢機器人系統等來實現礦井的精準定位和安全高效的生產運行。

（二）智能化采煤工藝與技術的主要原理

1.煤礦開采過程及其基本規律

在作業過程中，隨著原煤不斷被開采，需要將它們運送到指定的位置進行后續加工和處理。在這一過程中，不僅涉及人員之間的配合和協同問題，而且存在著大量的設備之間、人與設備之間的協調配合關系。因此，要想提高工作效率和降低生產成本，就必須充分考慮各相關設備的協調配合問題。目前，我國大多數煤礦的綜采工作面均采用“長壁式+大傾斜+綜合機械化+自動控制系統”模式組織生產。其中，綜合機械化是利用各種先進的技術裝備代替人工完成一些繁重且重復性的操作任務的過程，自動控制系統是通過使用傳感器獲取井下各個系統的信息并通過計算機對這些信息的分析處理后發出指令來控制整個系統的運轉過程的一種裝置或軟件程序的總稱。

2.智能化的內涵及主要特征

在傳統煤礦中，受到各種客觀條件的影響，如巷道狹窄，通風不良等，傳統的“人—機—電—液”聯合自動化系統無法完全滿足實際需求。隨著科學技術的發展，人們逐漸開始探索新的技術路線和方法來解決這一問題。例如，通過對大量傳感器的安裝與布置，使整個礦井中的所有設備都具備一定的自主性，再如，根據不同工況下所要求的目標值進行合理的優化設計等。但是這些方法仍然存在一定的不足之處。為了能夠更好地發揮其應有的作用，需要研究如何將傳感器與計算機結合起來共同完成相應的功能。由此可見，“人—機—電—液—網”一體化集成已經成為未來智能化的主要發展方向之一。

3.智能化采煤工藝技術的基本內容

智能化采煤工藝技術的具體實施方式包括以下四個部分：一是通過在地面部署一臺具有感知功能的服務器，對井下各相關系統進行監測并采集數據。二是由服務器向地面上的監控平臺發送相應指令信號給相應的執行機構從而實現對現場設備的自動控制。當執行機構達到預定的目標值時，則向服務器反饋相應的信息。同時對于超出設定值的參數則及時發出報警信號提醒值班人員進行處理并采取進一步措施。三是通過安裝在井下的傳感器，實時地收集、分析、處理井下環境的各種數據，然后將這些數據上傳到監控平臺上。四是由監控平臺根據實際情況來調整各個系統的運行狀態和參數設置，最終達到提高生產效率的目的。

二、綜采工作面智能化技術

（一）綜采工作面智能化技術現狀

國外已經普遍采用了“人—機—控—屏”（即一個操作員控制多臺設備，每臺設備上安裝一塊顯示屏）的方案。該方案可以有效解決當前煤礦安全生產過程中存在的突出問題，為煤炭工業的持續穩定發展提供有力支撐。然而，這種方案的缺點在于它只能實現單點控制且不能保證整個工作面的連續作業。因此，為了克服以上缺陷并且提高工作效率，許多國家已經開始著手研發一種能夠實現全礦范圍內多點控制的解決方案。

（二）綜采工作面智能化技術存在問題

目前，大多數企業所采用的“人—機—電”智能一體化控制系統，其功能主要是將各種傳感器與計算機相結合，利用先進的數字通信技術和網絡傳輸技術來實現遠程操控。然而，這種系統不僅成本高而且維護難度較大。另外，“人—機—電”一體化控制系統僅能針對某一特定地點或某一特定空間內進行集中管理，并不能夠滿足礦井安全生產的需求。因此，“人—機—電”智能一體化控制系統仍然無法從根本上解決煤礦安全生產中出現的種種難題。

“人—機—電”智能一體化控制系統的功能較為單一。當出現緊急情況時，工作人員往往會手忙腳亂。同時，該系統主要采用單線制通信方式進行數據傳遞和信號處理，如遇到停電等突發狀況時將會導致數據丟失、信號中斷等問題。此外，“人—機—電” 一體化控制系統對人員的要求較高且操作復雜繁瑣。因此，在面對惡劣的工作環境或者復雜的生產任務時，“人—機—電”智能一體化控制系統往往會出現反應不及時的情況并造成事故發生。

隨著現代科學技術的發展，人們開始意識到傳統的“人機合一”式自動化模式已無法適應現代化礦山建設發展的要求。傳統的人力操作模式不但效率低下而且容易發生人為失誤，進而影響整個礦區的正常運轉及人員安全。為此，人們開始尋求更加先進、高效、安全的自動化管理模式以代替傳統的“人力+機械”式自動化模式。但是傳統的人力+機械型自動化模式的局限性非常明顯，即運行速度緩慢，運行精度低，使用費用昂貴。因此，要想真正做到無人值守，就必須采取更為先進的自動化手段取代人工勞動，從而降低生產成本，提升工作效率。

（三）智能化采煤工作面系統的主要思路

根據煤礦的作業特點，結合當前國內外相關領域的研究成果，本文提出一種基于無線傳感網的“多級聯動”智能化開采工藝。該工藝由多個子系統組成，每個子系統的功能均通過無線傳感網相互連接。其中，各子系統中分別安裝有傳感器和控制器，并且每個微電腦的控制范圍都超過100m2 ，能夠實現自動調壓供風、自動監測瓦斯濃度等功能。此外，各設備之間還采用無線通信的方式處理數據傳遞和信號。這樣既能夠有效避免斷電導致的信號丟失問題，又能夠在第一時間發現故障并及時處理。

為保證“多級聯動”智能化開采工藝的正常運行，本文提出了具有自檢功能的智能網絡節點，不僅具備檢測網絡是否暢通的功能，而且能夠實時監控各個設備的運行狀態。一旦某個設備的運行出現異常現象，便會發出警報提醒管理人員及時維修或更換新設備以保證整個網絡的正常運作。另外，自檢功能還可以幫助工作人員快速判斷出哪些部件出現故障以便及時維護或更換，從而提高整個系統的可靠性。

三、綜采工作面智能化系統

（一）綜采工作面智能化系統

本研究主要針對某型綜采機，在現有控制系統的基礎上對原控制系統中的部分環節加以改造。具體包括：將主控室內的操作人員從原來的4人減少至1人，取消主電崗位，增加副電崗位以代替原有的主控室內的兩個電源開關以及變電所內的一個電源開關，取消原有控制柜中的各種按鈕及顯示儀表，使用液晶觸摸屏等。另外，為了滿足礦井安全生產的要求，以及方便現場工作人員的操作，還在原有的基礎上增設了相應的輔助設施。

（二）綜采工作面智能化系統關鍵技術

單層式綜合自動化裝置中包含有大量的機械結構，如果將其直接應用到實際工作中將會給日常的維護帶來很大的麻煩。對此，可利用一種基于微機的遠程控制方法來替代現有的手動操作方式。具體來說，由值班人員通過遠程操控的方式實現對各臺設備的遙控操作并確保其按照預先設定的程序完成各項任務。另外，單層式綜合自動化的所有參數均被儲存在數據庫中并且可以通過互聯網與上級部門相連以便隨時掌握各套設備的工作狀況和故障情況。為了進一步增強單層式綜合自動化的安全性，又對其增加了一些保護措施。例如，為了防止人為因素造成的誤動而導致的生產事故，提出了名為“防誤動保護電路”的方案。該方案主要是利用一組特殊的繼電器來檢測出某一時刻哪些信號出現異常進而防止某些非正常的動作發生。在雙回路供電系統中，本文主要采用兩種供電方式：一種為傳統的交流接觸器—熱繼電器（HJR-B）供電方式，另一種為具有自適應功能的直流穩壓模塊（DC/DC）供電模式。此外，雙回路供電系統能夠根據不同的使用需求靈活地調整電壓輸出范圍，以適用于不同功率等級的設備使用。

（三）綜采工作面智能化設計

在智能開采理念的影響下，煤炭企業都希望在現有條件下盡可能多地使用先進的技術手段來提高企業的生產效率。但是對于那些資金實力較弱的煤礦企業來講，要想在短時間內將大量先進的科學技術投入生產中并非易事。鑒于此，本文針對某煤業集團下屬某露天礦的實際條件提出了較為合理的智能化設計方案，以幫助企業提高煤炭產量并降低生產成本。在“無人化作業”系統中，本文首先采用了“視頻監控+紅外探測+激光測距+聲發射技術”的組合方式來保證整個系統的安全性和穩定性。其次，為了避免因為工作人員出現失誤而導致整個系統無法正常運轉的情況出現，還專門設置了獨立的監測站用來對整個系統的運行狀況進行實時監測。最后，為了進一步強化系統的可靠性及可操作性，還專門設計了一個用于記錄各種數據的數據庫以及一套用于控制各個環節的設備軟件。

四、結論

在智能開采理念的影響下，許多煤礦企業都在積極探索如何借助現代科技的力量來提高企業的生產效率。其中，部分企業在實踐中已經取得了一定成績并且為同類企業提供了很多可借鑒的經驗教訓。但是對于大多數煤礦企業而言，在短時間內將大量先進的科學技術投入實踐中并非易事。為此，企業必須結合本企業的實際情況制定出切實可行的實施方案以幫助其實現快速轉型。總而言之，隨著我國經濟的持續快速發展以及智能開采觀念逐漸深入人心，智慧礦山建設已經成為未來一段時間內各大煤企發展的重點方向之一。

參考文獻：

[1]李震.綜采工作面智能化采煤技術分析[J].建筑工程技術與設計，2023（10）：1872.

[2]郭書棟.綜采工作面智能化采煤技術分析[J].西部探礦工程，2021（02）：111-112.

[3]李閆記，吳小偉.煤礦綜采工作面智能化技術與設備分析[J].內蒙古煤炭經濟，2022（03）：43-45.

[4]魏志遠，李建宇.煤礦綜采智能化工作面關鍵技術思考分析[J].內蒙古煤炭經濟，2021（11）：51-52.