第45屆等級獎論文---淺析煤礦綜采工作面智能化開采技術的發(fā)展及應用

高 ?明

(鐵煤集團小青煤礦綜采隊書記、工程師)

【摘要】在簡述國內外自動化、智能化綜采技術發(fā)展過程基礎上，針對我國煤礦綜采工作面生產過程復雜、地質條件復雜等特點，通過對我國現階段綜采工作面智能化發(fā)展和煤機裝備的研究，提出綜采工作面智能化生產模式總體思路—“兩步走”、”三階段”，并重點介紹了綜采智能化技術在遼寧省的首次實踐—鐵法能源公司小青礦的應用，介紹在實踐中的三大核心技術和四項關鍵技術、應用效果及存在的問題，通過小青礦中厚煤層智能化無人開采的成功，證明了綜采智能化開采技術是遼寧乃至東北地區(qū)煤礦井下綜采工作面無人化開采的一種行之有效的手段，但目前在復雜地質條件下仍存在技術瓶頸，提出了在邁向智能化2.0-3.0階段需要解決的技術難題

關鍵詞：綜采工作面；中厚煤層；綜采智能化技術；綜采智能化生產模式總思路

近幾年來，我國各個行業(yè)發(fā)展十分迅速，同時也增強了對煤礦資源的需求量，如何實現煤礦智能化開采技術已經成為行業(yè)、社會重點關注的問題。對于煤礦開采技術來說，綜采智能化開采技術的應用也是保障煤礦行業(yè)長足健康發(fā)展的重要因素。

1、發(fā)展現狀

在上世紀80-90年代時，美國、德國就開始在回采時運用智能化的采煤技術，并且智能化的采煤技術讓歐美國家很多煤礦的日產量大大提高。我國相比歐美等發(fā)達國家，在智能化采煤技術方面落后了很多，但隨著裝備制造業(yè)和自動化技術的發(fā)展，在2004年之后才開始應用智能化采煤技術?，F如今，我國一些較大的煤礦都已經開始投資應用智能化采煤技術，截止2018年底目前全國綜采智能化采煤工作面已經達到145個，其中東三省僅有2個，而遼寧省的首個智能化工作面正是小青礦的N2-407綜采智能化工作面。

煤炭開采技術及裝備發(fā)展迅速，綜采工作面經歷了機械化->自動化->智能化開采。

2、綜采工作面智能化生產的總體思路

綜采智能化生產的總體思路是“兩步走”和”三階段”戰(zhàn)略，“兩步走”即第一步是實現可視遠程干預技術；第二步是實現智能自適應技術，”三階段”包括1.0可視遠程干預階段；2.0基于透明工作面智能割煤；3.0全面自適應開采。

2.1“兩步走”

第一步：實現可視遠程干預式開采技術：采用以太網實現綜采設備數據上傳，通過礦井自動化網絡，實現在監(jiān)控中心對設備的遠程操控，達到工作面無人化開采的目的。操作人員在工作面運輸順槽或地面監(jiān)控中心遠程遙控干預設備智能化運行，同時在工作面外安排檢修人員和巡視人員，工作面落煤區(qū)域無人操作，實現有限無人化。

第二步：智能自適應：攻克煤巖識別、工作面直線度控制、綜采設備姿態(tài)定位、安全感知、設備自診斷等多種技術，形成一套具有“識別—分析—決策—執(zhí)行”的綜采工作面智能化控制系統(tǒng)，確保綜采設備自適應運行，從而實現工作面無人化開采。采煤機、液壓支架等設備自適應調整狀態(tài)智能化運行，就像汽車、進入自動駕駛狀態(tài)一樣。

2.2“三個階段”

通過可以遠程干預有限無人化采煤—基于透明工作面智能割煤—全智能自適應開采，逐步從1.0過渡到3.0完全實現無人全智能自適應開采。

3 智能化綜采技術的應用

3.1小青礦中厚煤層智能化開采

小青礦N2-407工作面，煤層厚度2-3.1米，配套全部國產綜采成套裝備ZY6800/15/35型液壓支架，MG400/940-WD型大功率電牽引采煤機，SGZ-1000/1400型刮板輸送機，SZZ-1000/525型刮板運輸機，N2-407智能化開采由三大核心技術為支撐，四項技術為保障。三大核心技術分別為SAM綜采自動化控制系統(tǒng)、SAC液壓支架電液控制系統(tǒng)、SAP智能集成供液系統(tǒng)；四項技術分別為：液壓支架跟機自動化技術、采煤機記憶截割技術、工作面視頻監(jiān)控技術、遠程集中控制技術。

3.1.1ＳＡＭ型綜采自動化控制系統(tǒng)

ＳＡＭ型綜采自動化控制系統(tǒng)，SAM型綜采自動化控制系統(tǒng)分為“大腦”工作面監(jiān)控中心、“神經網絡”工作面工業(yè)以太網、“眼睛”工作面視頻系統(tǒng)、“耳朵”工作面語音通信系統(tǒng)、“思想”工作面控制模型。N2-407綜采工作面自動化控制系統(tǒng)將多種跨學科技術（包括工業(yè)控制、以太網、無線、視頻、音頻、通信、液壓等）綜合應用。在地面綜合監(jiān)控中心對綜采設備進行自動化控制，確保各設備協(xié)調、連續(xù)、高效、安全運行，將工人從工作面解放出來，實現工作面少人化。實現在采煤生產過程中以采煤機記憶割煤為主，人工遠程干預為輔；以液壓支架跟隨采煤機自動移架為主，人工遠程干預為輔；以綜采運輸設備集中自動化控制為主，就地控制為輔；以綜采設備智能感知為主，視頻監(jiān)控為輔；即“以工作面自動控制為主，監(jiān)控中心遠程干預控制為輔”的自動化生產模式。建立工作面內、地面綜合調度中心2層控制系統(tǒng)架構，完成工作面割煤、移架、推溜、運輸等流程智能化運行。

3.1.2 SＡC型綜采自動化控制系統(tǒng)

SAC型液壓支架電液控制系統(tǒng)對控制支架動作功能具有針對性的完整解決方案。具有全中文顯示，作業(yè)人員通過液壓支架上人機界面參數的設置，液壓支架工況顯示：各支架壓力值、各支架推移行程、各電磁閥動作狀態(tài)、主機與工作面控制系統(tǒng)通信狀態(tài)。通過安裝在采煤機和支架上的紅外接收和發(fā)射裝置實現對采煤機位置、方向、工作面推進度等精準定位，還會將支架推移行程值、立柱壓力、電液控制系統(tǒng)與工作面自動化控制系統(tǒng)通信狀態(tài)、各電磁閥動作狀態(tài)等反饋給主機電腦，實現液壓支架的智能跟機。

3.1.3 SＡP型綜采自動化控制系統(tǒng)

SAP智能集成供液系統(tǒng)旨在為煤礦提供一套完整的智能化綜采工作面液壓系統(tǒng)供液解決方案，為智能化綜采工作面提供恒壓、配比穩(wěn)定的高質量乳化液，其提供工況信息包括：泵站潤滑油油溫、油位、進出液壓力、液箱液位、乳化油油箱油位、乳化液濃度，可以提供傳感器故障信息等。這套系統(tǒng)可以保障智能化綜采工作面高產、高效、節(jié)能環(huán)保、長期穩(wěn)定工作。

3.2四項關鍵技術

3.2.1液壓支架跟機自動化技術

夜壓支架跟機自動化技術，依據傳感器傳輸的信息包括傾角、液壓支架姿態(tài)、采煤機運行狀態(tài)等信息，將整個生產過程劃分為不同的多個階段，自動決策并控制液壓支架中部跟機、后部跟機、端部斜切進刀、自動推移轉載機等動作，實現了工作面液壓支架自動智能化分析。

3.2.2采煤機記憶截割技術

采煤機記憶截割技術，按照正常進刀參數設定包括姿態(tài)參數、滾筒高度，進行智能化分析，形成記憶割煤模塊，在自動割煤過程中不斷修改誤差，實現自動調高升降、加速和減速等功能。

3.2.3視頻監(jiān)控技術

工作面視頻監(jiān)控技術，將人的“五官”延伸到工作面，在智能化綜采工作面運輸機頭，轉載機頭、和工作面液壓支架上均安裝視頻監(jiān)控攝像儀，其中液壓支架上視頻監(jiān)控攝像儀分為兩種，一種是監(jiān)視上幫煤壁狀態(tài)的每6架安設1臺，另一種是監(jiān)視采煤機運行狀態(tài)的每3架安設1臺。通過在工作面安裝攝像儀，實現自動追蹤采煤機，自動完成視頻轉換、視頻銜接等功能，為實現工作面遠程監(jiān)控提供“身臨其境”的視覺感受，指導遠程生產。

3.2.3遠程集中控制技術

遠程集中控制技術，在順槽列車上或地面打造一個“綜合監(jiān)控中心”。按下“一鍵啟?！卑粹o，工作面的設備按順序依次啟動。設備數據高速上傳和控制信號實時下達，控制延時不超過300ms；當生產過程出現偏差，如工作面煤幫層位發(fā)生變化或由于支架參數紊亂，影響工作面正常推進時，可及時進行人工遠程干預。

3.3應用效果

小青礦N2-407工作面是遼寧省首個智能化綜采工作面，成為遼寧省中厚煤層復雜地質條件下智能化開采代表性工作面，采用國產成套裝備，配置智能化控制系統(tǒng)，實現了工作面“以采煤機記憶截割+支架全工作面跟機自動化；形成1人地面綜合監(jiān)控中心操作，工作面2人巡視遠程干預為輔的常態(tài)化生產模式；作業(yè)人員由13人遞減至3人，基本實現了工作面無人操作，有人巡視，遠程干預的有限無人化生產模式。通過該項目的實施，可達到以下兩點效果：一是將工人從操作工變成巡檢工，由設備的自動化替代人工勞動，大大降低了工人的勞動強度；二是將工人從危險的工作面解放到相對安全的地面綜合監(jiān)控中心，在監(jiān)控中心對設備進行遠程操控，提高了工人的安全系數。

3.4存在問題

a、成套裝備在各控制系統(tǒng)、傳感器等方面穩(wěn)定性、可靠性有待加強，對智能化綜采工作面的開采技術支撐不夠，設備檢修維護量大；

b、記憶割煤只適用于煤層傾角小、地質構造簡單的工作面，對煤層傾角和地質條件變化大的工作面適應性有待加強；

c、利用網絡技術和視頻監(jiān)控將人的眼睛延伸到工作面，但實際上開采過程中仍依賴于操作人員的經驗與主觀判斷，缺乏客觀依據，而且還常常面臨觀察視角受限、光照效果不好、煤塵干擾等諸多問題；

d、技術型、知識型、創(chuàng)新型人才接續(xù)不上，難以適應智能化工作面的開采需要。

4 邁向綜采智能化2.0-3.0階段需要解決的技術難題

????邁向綜采智能化2.0-3.0階段，實現基于透明工作面智能割煤甚至全智能自適應開采，需要對工作面全過程進行全面地感知、系統(tǒng)的建立地質三維數據庫，信息集成與自適應智能化分析控制，必須建立統(tǒng)一綜采自動化智能化分析控制系統(tǒng)，只有解決了如何建立自動化智能分析控制后，才能夠實現實時對井下工作面環(huán)境、裝備進行感知數據進行智能分析，最后集成控制綜采裝備，從而進行自適應開采，實現真正的無人化開采,另外急需培養(yǎng)大量的中高端技術人才以適應技術革新。

結束語

???從嚴格意義上講，智能化開采1.0只是工作面無人化開采征途中的一小步，為無人化開采提供了一條技術途徑。智能化開采是復雜的系統(tǒng)工程，應綜合考慮裝備、環(huán)境、地質、采礦、技術人才等多方面因素，是多種領域技術的交叉與綜合，真正實現全智能自適開采還有很長的路要走。

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