智能礦山的煤礦自動化技術創新

秦曉東

（山西蘭花科技創業股份有限公司唐安煤礦分公司，山西 晉城 048400）

隨著我國煤礦資源的不斷開發，煤炭資源的開采技術已經相當成熟，以王國法為首的眾院士綜合我國的煤炭賦存形式多樣化展開了相關的針對性研究，并總結出了適合我國煤礦智能化發展現狀及突破方向的智能化煤礦總體構架，同時通過超大采高綜采智能化成套裝備的成功研發制造，幫助我國在煤礦智能化水平方面達到領先地位；峰峰集團在薛村礦的項目中利用液壓支架及采煤機等裝備的技術更新已經達成了薄煤層無人自動化開采的目標，并且年產量能達到百萬噸的級別。

1 智能礦山自動化開采建設

山西某煤礦項目煤礦南北長12.55km、東西長12km，是一座規劃生產力達到10Mt/a 的礦井。礦井利用斜井、平硐、立井等多種開拓形式進行聯合開拓，主要由集控化膠帶運輸機輔助無軌膠輪構成整個運輸系統。

1.1 礦山自動化建設原理

智能礦山自動化開采技術主要是為了實現井下綜采、連掘工作面自動化和運輸作業一體化的發展目標。通過改造升級采煤機和液壓支架的截割以及破碎機之間的協作模式，實現生產設備的自動化遠程操控，并完成智能平臺以及生產控制系統和執行系統的核心功能建設，構建具備信息采集自動化、數據高度共享、自動統計分析、可視化業務進度以及設備運轉狀態實時監控的智能礦山自動化開采體系，并全程記錄生產過程，為后續的相關工作提供經驗參考[1]。

1.2 礦山自動化建設方案

該智能礦山的自動化建設總共進行了5 層的構架規劃，具體管理構架見圖1。

圖1 智能礦山自動化管理架構

智能礦山的改造建設重點方向在生產控制層和生產執行層上，實際建設內容見圖2。

圖2 智能礦山建設主要內容

2 系統自動化控制技術

2.1 工作面設備控制技術

為了實現集中控制器對采煤機、支架和輸送機的遠程控制功能，需要在工作面完成無線通訊設備的安設。采煤機的割煤一般由開切眼的記憶軌跡確定，而集控器可以控制記憶軌跡。同時，采煤機的電控系統得到了改造，也進行了定位、傾角、采高傳感器和煤巖識別設備的硬件升級，使采煤機可以利用數據集控系統對支架電控系統的信號傳輸順利完成跟機移架操作。采煤機根據D齒輪脈沖的數據檢測實現工作面的行走，通過支架編號可以將采煤機的位置定位到0.1cm支架的精度。在左右牽引部進行復位系統的建設，通過機頭尾過渡槽幫的復位磁鐵配合牽引部的復位傳感器感知實現采煤機的位置修正功能，保障采煤機在兩端極限位置停機的穩定。液壓支架安裝紅外發射器后配合煤機的定位傳感器輔助集控系統完成采煤機的精確定位，確保護幫板的正確操作，采煤機的具體定位修正原理如圖3所示。轉載機進行了負荷傳感器的加裝，對轉載機的載荷量進行實時監控，實現集控系統對刮板輸送機的自動化控制[2]。

圖3 采煤機定位修正原理

2.2 泵站控制技術

泵站通過溫度和壓力傳感器的增設可以實現泵站各管路的運行溫度及運行壓力的實時監測功能，利用集控系統對溫度及壓力的數據反饋控制電磁閥的工作狀態，從而完成泵站的相關工作。

2.3 無線通信技術

在綜采工作面和兩側巷道完成無線通訊綜合分站的等距安裝，可以幫助調度中心實現與工作面之間的數據高速傳輸，再利用集控系統將各分站串聯起來實現工作面巷道的無線網絡全面覆蓋功能，另外再通過井下萬兆工業環網的建設，完善IT 基礎設施的建設需求。

2.4 視頻監控技術

在液壓支架及采煤機機身和搖臂、刮板輸送機等設備上進行可轉動監控攝像頭的全面安裝可以有效促進設備實現無人操作作業。實際安裝技術可以從以下幾個方面著手：首先，在液壓支架方面可以按間隔4個支架安裝1個可轉動監控攝像頭的配置進行安裝，紅外傳感器則安裝10個支架的間隔進行配置，從而實現工作面的全面監控以及采煤機的紅外輔助功能；其次，采煤機的機身核心部位以及搖臂的攝像頭隨集控系統根據視野需求進行調整，起到采煤機的實時監控和機身前方工作面工作現狀視頻影像的多種作用；最后，通過輸送機的攝像頭完成煤流狀態和煤塊實際運輸狀況的監控工作[3]。

3 綜采工作面生產應用

3.1 “十二工步”自動割煤工藝

綜采工作面自動化采煤技術在該煤礦的集控系統得到了相關的成功應用，并在該技術的“十二工步”綜合機械化自動割煤工藝的技術創新下實現了割煤動作的自動化控制目標。具體的“十二工步”自動割煤工藝流程見圖4。具體操作步驟解析如下：①在機頭到機尾的作業過程中左右滾筒的高度通過記憶采高來調整；②在采煤機到達機尾的極限位置時要及時進行牽引作業和返刀及滾筒換向等操作；③機尾在極限位置到三角煤的折返點的過程中，采煤機系統的左滾筒高度應根據設定高度來調整；④機尾到達三角煤折返點位置時應參照機尾達到極限位置進行相同操作；⑤在機尾三角煤折返點到機尾極限位置的過程中，左右滾筒的高度要根據記憶采高需要進行對應調整；⑥當采煤機再次來到機尾極限位置，重復停牽引和反向牽引及滾筒換向和自動返刀等操作；⑦機尾到機頭過程的滾筒調節參照機頭到機尾的相同步驟執行；⑧到達機頭極限位置時，相關操作參照機尾極限位置執行；⑨當采煤機從機頭極限位置到機頭三角煤折返點時滾筒調節參照機尾三角煤折返點到機尾極限位置操作；⑩機頭三角煤折返點的操作參照機尾三角煤折返點執行；割煤機機頭工作到相同位置時執行的操作也是一樣的[4]。

圖4 “十二工步”自動割煤工藝流程

3.2 實施效果

（1）幫助采煤機首次實現了雙向雙軌跡的自動記憶割煤作業；對采煤機的機頭機尾在割透情況下的不自動返刀或誤抬刀問題得到了有效解決；有效提高割煤工藝的效率的同時還節約了人力成本，并加強了自動割煤加甩刀的記憶數據的準確性；使記憶割煤過程的控制欠缺方面得到了有效加強。

（2）降低了傳統生產時對人力資源的大量需求，同時，采煤機司機通過先進的監控技術進行觀察和干預實現原有的工作職能，大幅度降低了工作人員的工作強度和安全隱患；對操作系統和控制臺的3個崗位進行了合并優化，通過操作系統的集控系統安裝，實現1個工作人員完成原來需要3個工作人員才能完成的人員效率提升，全面降低綜采工作面的人力資源成本[5]。

（3）該煤礦在A、B、C5 綜采工作面成功運用了“十二工步”自動割煤工法并取得了一定的成效。

3.3 存在問題

首先，該煤礦雖然實現了綜采工作面的自動化作業基礎，但是仍舊離不開巡視人員的支持，想要實現真正的自動化無人開采和智能化開采還有很長的路要走，在今后的研發方向應圍繞集控系統以及煤巖識別等核心技術方向開展。其次，集控系統在穩定性上還需要進一步加強，在特殊地質構造和工作面割三角煤進刀的實際作業中，集控系統操作誤差范圍還是不能滿足技術需求的，往往需要人工干預來彌補遠程操作效果不理想所造成的影響。最后，監控系統在工作面的復雜工作環境中清晰度受到的影響還是比較大的，井下監測設備的配置以及抗干擾性能還需要得到進一步的加強。

4 煤礦自動化發展趨勢

4.1 現場信息自動化控制

過程控制系統中的遠程控制一般需要得到高度集成本地信息的支持。過程控制的運行基礎主要靠工業以太網和現場總線技術以及智能儀表提供保障。具體方案主要在創建本地及遠程和移動固定方式相結合的3D數字化信息配合各種自動化工具來實現機械控制以及網絡數據的生產自動化技術，從而保障礦山的安全運營以及經濟效益。利用傳感器采集到的現場信息數據，為現場的控制設備實現系統控制作用，并依托信息網絡數據支撐各種現場的控制職能。系統將采集到的信息傳輸到地面集中控制中心進行匯總，并由監控軟件和監控中心實現自動化子系統的現場管理作用。

4.2 集中控制的全礦井過程自動化

在工業以太網技術的基礎上，落實好礦山的集中監控和自動化礦山設備的更新升級，對礦山自動化控制轉變為集中礦山自動化控制中心，從而加快企業集中管理目標的實現。在遠程監控中心的管理工作中，通過采煤控制技術的改革與創新與采礦設備操作配置參數的優化改進，并借助地面支持中心的診斷及控制作用實現遠程監控工作的順利實時，有效解決自動化采礦過程中出現的各種問題。礦山自動化集中管理應對煤礦自動化的發展方向進行科學合理的評估，并加快企業自動化集中控制中心的構建，全面保障企業的自動化控制成效。對礦山的集中控制中心進行弱化和替換，使過程控制以及設備控制和工廠管理實現高度集中管理，通過企業數據倉庫的安裝來保障原始量得到有效統計。煤礦安全生產模式是目前礦山綜合管控過程的常用開采模式，是煤礦開采工作安全高效進行的重要保障。

4.3 煤礦遠程集控中心

在遠程采煤過程中，高速數據傳輸網絡和高效的自動控制網絡是重要的執行基礎。許多公司為了加強對礦井設備運行狀態的實時監控，都在不同程度上安裝實施了遠程監控和在線監控系統。同時，設備的技術人員會根據設備的常見故障類型和系統特點對礦山的相應崗位職工進行指導培訓。在生產控制系統的支持下完成監控設備和生產計劃的布置，并科學合理地分析各項生產數據。另外，要加強動態過程圖像與實時數據的融合效率，有效反饋作業現場各設備及崗位的工作情況，對現場的工作進度實現全時管控，在安全生產的前提下，確保機械設備得到自由運作。

5 未來煤礦自動化重點研究方向

5.1 高度集成的現場信息

煤礦的井下作業具有地質條件復雜及環境惡劣的特點，并且生產過程中的突發事件可能性也比較高。煤礦的開采作業在簡單的自動控制技術支持下不能得到完全滿足。設備自動化的高度集成信息在傳感器的收集反饋過程中可以很好地促進遠程控制的實施。因此，高精尖的高科技傳感器以及無線通信技術和光纖通信對未來煤礦自動化發展的影響是比較重要的。

5.2 煤礦瓦斯、突水、火災等重大災害預警技術

現階段的安全監測系統對氣體的實時監測以及一些大規模的災害具有一定的預警能力。但是，這些監控技術都是基于原有的監控技術發展得來的，隨著技術的更新換代，準確率會逐漸降低。所以，企業進一步研究大規模災害的預警技術，使預警機制的準確性得到有效保障。

5.3 應急救援和精確定位技術

在井下突發安全事故及地下災害時必須采取緊急行動來阻止事態的進一步惡化，以免造成更大的損失。雖然現行的人員定位技術還能滿足一般的救災需求，但是隨著井下開采技術的不斷進步，更多的環境因素會影響搜救信號的搜集，所以要針對性地研究更加先進抗干擾能力更強的應急救援和定位系統。

6 結論

（1）本文主要以該煤礦的集控系統設計和各子系統控制技術為探討對象，對集控系統控制三機配合割煤的應用以及轉載機和刮板運輸機的監控協作模式以及工作面數字化技術進行了深入研究。

（2）根據礦機的自動化割煤作業進行了采煤機的12工步循環自動化割煤探討。

（3）“十二工步”自動割煤工藝為遠程操控采煤以及作業人員的安全健康和采煤設備的工作效率均體現出了巨大的貢獻，是煤礦企業實現解放人工勞動力向技術密集型行業轉變的重要基礎，全面保障了企業的安全生產和經濟效益，并為保護社會的安全穩定起到了重要的積極意義。