煤企工業化智能升級改造的經濟效益分析

王茂華

（山西靈石昕益旺嶺煤業有限公司， 山西 靈石 031300）

0 引言

搭乘工業化高速發展的快車，煤礦企業的井下信息化技術取得了長足的進步，各種通信、控制技術層出不窮[1-2]。實際生產時，綜采工作面作為重要的開采運輸中轉站，能否穩定、高效地開展工作，關乎著礦井的綜合效益[3]。因此，綜采工作面的智能操控體系研究成為研究的熱點，取得了一批高水平的研究成果，為綜采工作面智能化改造貢獻了大量的寶貴經驗和智慧[4-5]。本文在既有研究成果的基礎上，結合10 號煤綜采工作面實際情況，以智能化工作面建設目標為導向，從智能采煤、集中控制運輸和供液等方面對10 號煤智能化工作面的構建進行剖析。項目建成后，僅需少量井下人員即可實現工作面的一體化自動控制。

1 信息化升級的現狀與要求

目前，一些煤礦已做到了自動化操控系統的單獨運行，在安全生產領域發揮了積極的作用。然而，就信息化對系統單獨運行、信息共享的要求來看，因子系統存在數據孤島和自動化程度低等短板，成為信息化發展的巨大阻礙，并且帶來了投入重復疊加、維修養護難度大等問題。

煤礦的信息化主要依托傳感器監測、通信設備、控制器和工控機實現對信息的采集、傳輸、處理和應用。對礦井進行綜合信息化改造，需要投入建設大型的控制系統，采用開放分布方式，實現對礦井的一體化全方位管理。通過監測、控制、收集和整理信息，對礦井的安全和生產情況進行實時監察與管控。落實到具體工作中時，可以起到以下作用：

1）可以向上連接，向上級部門匯報工作、共享信息，也可向下管理，監測各個分支系統的運行狀態，并對其發布指令。

2）通過智慧調控中心的建設，實現集中管控，井下作業從減人、少人向無人化過渡。

3）通過便捷、合規的標準化傳輸系統，實現科學高效的生產與管理。

4）促進系統的構造分級、整體設計、逐步落地，并隨發展而優化升級。

5）能夠形成一個集軟件、網絡和數據于一體的高集成平臺。

2 煤企智能化升級概述

綜采自動化控制系統的優勢在于把多項跨學科技術進行高度融合，集中統一使用在綜采工作面的實際工作中。自動化控制系統不僅能夠做到在監控指揮中心實現遠程自動操控井下各項設備，還可以把井下人員從繁重的工作中解放出來，釋放了勞動力，減少了人員傷亡。系統借助以太網搭建的高速網絡，實時收集井下設備數據信息，并進行處理，服務于綜采工作。此外，在系統發生故障時，各個子系統可以實現單獨運作，保證各項生產工作正常進行。

3 10 號煤智能工作面的建設

3.1 總體架構

10 號煤智能工作面主要由地面分控中心和順槽監控中心以及眾多智能化綜采設備組成，總體架構如圖1 所示，由采煤系統、智能支護系統、集中控制運輸系統、供液系統以及人員定位系統構成。

圖1 10 號煤智能化工作面總體架構

3.2 智能化系統的建設

3.2.1 采煤機遠程控制系統

10 號煤智能綜采工作面對已有采煤機進行智能化升級改造，改造后的智能化采煤機接入到智能化綜采系統集中控制軟件平臺，能夠通過人為按鍵方式或者通過系統內部程序方式向采煤機發送控制指令進行遠程控制，也能監測采煤機以及關聯設備的運行狀態和各項數據。當采煤機自動化控制系統出現問題與故障時，不需要過渡、調整，就能迅速轉入非自動化操作模式，且脫離自動化相關功能。采煤系統通過精確的數據分析和智能算法，實現了更高效的采煤操作，采煤過程更加高效和精確，煤炭產量大幅提高。

3.2.2 液壓支架電液控制系統

10 號煤綜采工作面采用液壓支架支護頂板，共布置95 臺液壓支架和6 臺過渡支架用作中間支架，順槽端頭支護使用2 臺端頭支架。液壓支架電液控制系統是集多項功能、可實現自動化控制的成套高效設備。基于多層次、多計算機的輔助，能夠自由選取或拓展自身規模與配置，還能夠根據需要控制其自動化程度。增加配置智能傳感器，可以實現煤礦綜采作業的智能化。電液控制系統自動化率高達99%，單架或成組工作均可，充分釋放了勞動力，大大節約了人力成本。

3.2.3 運輸集中控制系統

在順槽集控中心，通過與 “三機” 控制系統、膠帶輸送機控制系統進行通信，可以實現對刮板機機頭和機尾等相關設備的遠程控制，實現對 “三機” 的啟停聯動。在遠程啟動工作面運輸設備前，集控中心人員可以確認大巷膠帶輸送機是否已經啟動。在轉載點、皮帶機尾等處布置礦用隔爆兼本安型除塵攝像儀，集控室操作人員可遠程觀看到設備的運行狀態。主要包括：刮板運輸機、轉載機等單設備的遠程開啟、關停；開關狀態顯示，包括各個設備運行狀態、電流大小、電壓大小以及漏電、斷相和過載等故障狀態顯示；對設備轉速、溫度等參數進行實時監測，方便及時檢修，實現無人、少人化工作，提升了工作效率。

3.2.4 泵站集中控制系統

10 號煤工作面裝備1 套乳化液泵站和1 套清水泵站，分別包含2 臺乳化液泵、1 臺乳化液箱及配套附件、2 臺清水泵、1 臺水箱及配套附件。此系統可以操控乳化液泵站和噴霧泵站，當1 臺泵運行達不到調定壓力時，自動控制系統會發出指令起動第2 臺泵。可以實現集控、就地檢修和預警等功能，無需專人值守。另外，還可以實現自動配比、補液和清洗過濾等功能。通過應用泵站集控系統，實現了安全高效、快捷方便地優質供液。

3.2.5 網絡及5G 通信系統

以太網系統是工作面信息化建設和自動化建設的重要組成部分，為工作面自動化信息的傳輸和視頻信號傳輸提供了穩定的傳輸鏈路。由于礦井已經建設5G 無線通信系統，且5G 無線通信方式具有高帶寬、低時延的特點，可以滿足綜采工作面視頻信號等占用高帶寬的數據流使用。因此，在10 號煤工作面及其所在采區敷設5G 無線基站，通過以太網系統，可以將工作面的信號傳送至順槽集控中心，做到有線/無線傳輸雙冗余，以有線傳輸為主，當有線傳輸出現故障時，可立即切換為5G 無線傳輸方式。

10 號煤工作面以太網主要由礦用本安型交換機、穩壓電源、電纜連接器和光纜等構成。以6∶1 的比例配置支架和交換機，并通過通信線纜連接。交換機接入以太網信息，具有大帶寬、高速率、廣連接和低延時等特點，其750 Mb/s 的下行速率和135 Mb/s 的上行速率，可同時承載語音、數據和視頻三大業務。

4 工業化智慧礦山的經濟效益

經過對綜采工作面的智能化改造，做到了工作面的無人化、少人化作業，全面實現了自動化智能割煤。通過對比傳統作業，單產和單進均提高不止了10%，礦企整體工效增長15%，每年生產成本可減少300萬元，智能化改造的經濟效益十分顯著，并將在其他工作面繼續開展工業化升級的推廣與應用。

對采煤機、三機和泵站電控系統進行國產化更迭替換，接入統一的標準接口，消耗的物料每噸成本減少了2 元，產能增長了8%，設備利用率提高了5%，在降低生產本的同時，提高了設備的工作效率。大型機械設備的使用率提升了3%，割煤自動化和設備開機比率均高達85%以上，支架跟機拉架自動化比率更是高達90%以上，每分鐘人工干預采煤機的次數減少為2 次以下。操控人員借助無線遙控及遠程干預技術對采煤機和支架進行日常操作與監管，一人即可對控制臺、機頭和自移機尾進行操作。可釋放至少20%的勞動力，每班生產作業人員最多只需5 人，全面提升了工作面的自動化生產效率，每年可節省人力成本200 多萬元。

5 結語

10 號煤工作面在智能化改造之前，主要采用的是機械化采煤，工人需要經常出入工作面，彎腰弓背操作機器，工作強度極大。改造完成后，10 號煤工作面實現了智能化，通過巷道監控中心、地面調度中心進行遠程監控等技術，最終實現工作面以智能化為主、人工干預為輔的生產工藝，井下工人比改造前減少了1/2。智能化改造能讓機器 “自己采煤” ，實現了采煤機記憶截割、智能化控制；液壓支架能夠自動伸收、移架、推溜、噴霧除塵、遠程控制和支架全姿態監測及預警；運輸機與采煤機進行智能聯動、智能調速及機尾鏈條自動張緊；皮帶機具有智能張緊功能；轉載機自移裝置、皮帶機自移機尾具有手動、遙控和自動控制功能；綜采工作面泵站系統具有智能調控、智能配液功能。工人不需要頻繁出入工作面，只需定期巡檢即可，大大降低了勞動強度。智能化改造，推動了圍繞5G、大數據和云計算為代表的新一代信息技術與傳統煤炭產業深度融合，為努力構建安全綠色智能開采的現代煤炭產業貢獻力量。