智能化采煤工作面監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)研究

吳忠健

（山西焦煤集團(tuán)西山煤電股份有限公司鎮(zhèn)城底礦，山西 古交 030203）

目前，我國(guó)正處于轉(zhuǎn)型升級(jí)和結(jié)構(gòu)調(diào)整的關(guān)鍵時(shí)期，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與傳統(tǒng)工業(yè)的深度融合，各行業(yè)正迎來一場(chǎng)深刻、巨大的結(jié)構(gòu)化變革，其中，以智能化產(chǎn)業(yè)推動(dòng)傳統(tǒng)成套裝備的融合、實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)成為時(shí)代熱潮，煤礦開采行業(yè)在提高安全、保護(hù)環(huán)境的大趨勢(shì)下，對(duì)智能化開采技術(shù)與裝備的需求尤為迫切。因此，發(fā)展以實(shí)現(xiàn)無人化開采為目標(biāo)的智能技術(shù)與裝備發(fā)展、提高智能化采煤工作面建設(shè)水平，對(duì)我國(guó)煤礦開采產(chǎn)業(yè)具有深遠(yuǎn)的意義[1-2]。

鎮(zhèn)城底礦擬建設(shè)智能化工作面，為提高智能化工作面監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)管理水平，擬對(duì)視頻控制、礦壓監(jiān)測(cè)、工作面三機(jī)控制、人員定位以及環(huán)境檢測(cè)五大系統(tǒng)進(jìn)行研究實(shí)踐，以在整體上構(gòu)建高效智能的監(jiān)測(cè)監(jiān)控體系，實(shí)現(xiàn)整個(gè)工作面的遠(yuǎn)程集控智能化運(yùn)營(yíng)。

1 工作面視頻控制系統(tǒng)

工作面視頻控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)工作面智能化生產(chǎn)的“眼睛”，承擔(dān)著對(duì)整個(gè)工作面的監(jiān)控與記錄工作。工作面視頻控制系統(tǒng)利用工控平臺(tái)對(duì)視頻圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析識(shí)別，獲取工作面煤壁、巷道圍巖、頂板的賦存狀況，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面液壓支架內(nèi)護(hù)幫板、刮板輸送機(jī)以及支架底座前端的位置的實(shí)時(shí)追蹤，基于分析結(jié)果，對(duì)三機(jī)的位置進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，有效確保設(shè)備的平直度，提高工作面與巷道的支護(hù)質(zhì)量與強(qiáng)度。

鎮(zhèn)城底礦22603 工作面采用pm32/vc/eb 型工作面云臺(tái)攝像儀，可實(shí)現(xiàn)330°旋轉(zhuǎn)，工作面每5臺(tái)支架配備一臺(tái)云臺(tái)攝像儀，攝像儀安裝于支架的頂梁上。工作面及超前支架攝像儀與控制器直接相連，通過控制器供電和視頻傳輸，利用2pm32/ze/dxm5 型節(jié)點(diǎn)交換機(jī)、pm32/ze/c3s 型自動(dòng)化上位機(jī)、pm32/ze/x3 視頻主機(jī)順槽監(jiān)控與alz/pc/i40c15d-1 型地面視頻儲(chǔ)存器進(jìn)行視頻識(shí)別與讀取。

工作面視頻控制系統(tǒng)主要由云臺(tái)攝像頭與工控平臺(tái)兩大系統(tǒng)構(gòu)成。云臺(tái)攝像頭一般安裝在液壓支架頂梁處，攝像頭朝向煤壁，間距一般以四臺(tái)支架的距離為宜。云臺(tái)攝像頭與提供電能和控制功能的控制器相連，工作面錄攝視頻數(shù)據(jù)可通過數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)傳遞至工控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的分析與顯示。工作面視頻控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖1。

圖1 工作面視頻控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

工作面視頻控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)工作面設(shè)備運(yùn)行狀況、視頻跟機(jī)自動(dòng)切換、追蹤井下定位人員、通過紅外補(bǔ)光生成高清晰度礦井生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)視頻資料，并通過對(duì)視頻數(shù)據(jù)的有效分析，生成對(duì)工作面的智能化控制指令等功能[3]。工作面視頻控制系統(tǒng)圖像識(shí)別功能示意如圖2。

圖2 工作面視頻控制系統(tǒng)圖像識(shí)別功能示意圖

2 工作面礦壓監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)

工作面礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)工作面智能化生產(chǎn)安全的重要環(huán)節(jié)，該系統(tǒng)以工控平臺(tái)為數(shù)據(jù)處理中心，通過對(duì)工作面支架立柱壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、巷道超前支架立柱壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和工作面順槽頂板位移傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合統(tǒng)計(jì)分析，進(jìn)而生成礦壓分布曲線，根據(jù)歷史礦壓數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)工作面頂板初次來壓的周期與強(qiáng)度，實(shí)時(shí)制定液壓支架支護(hù)規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)支護(hù)設(shè)計(jì)的超前性、預(yù)見性。

智能工作面礦壓監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)主要由工作面支架壓力傳感器、超前支架壓力傳感器以及巷道頂板位移傳感器三部分構(gòu)成，系統(tǒng)連接示意如圖3。

圖3 工作面礦壓監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)連接示意圖

工作面礦壓監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)采集、顯示工作面頂板、超前支護(hù)區(qū)域巷道頂板壓力情況，設(shè)定預(yù)警值，對(duì)工作面頂板來壓進(jìn)行預(yù)警，以及通過整理分析工作面頂板歷史來壓數(shù)據(jù)，分析生成對(duì)工作面頂板初次來壓與周期來壓的實(shí)時(shí)預(yù)警等功能。

3 工作面環(huán)境監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)

工作面環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)智能工作面標(biāo)準(zhǔn)化、安全化生產(chǎn)的“監(jiān)督員”，通過在工作面安裝各類環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器，利用數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至工控平臺(tái)，實(shí)時(shí)反饋各工作面生產(chǎn)環(huán)境情況，針對(duì)環(huán)境異常數(shù)據(jù)，及時(shí)調(diào)整設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)以及開采工藝，確保各指標(biāo)正常。工作面環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)“數(shù)據(jù)化管理”、“智能化管理”的重要手段。

工作面環(huán)境監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)主要由環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器與工控平臺(tái)兩大結(jié)構(gòu)組成，其中，環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器包括粉塵傳感器、溫度傳感器、CO 傳感器、瓦斯傳感器、風(fēng)速傳感器等。傳感器安裝在液壓支架上，由控制器直接供電，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)由交換機(jī)連接傳輸至工控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的分析與處理[4]。

工作面環(huán)境監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)、顯示煙霧、CO、瓦斯?jié)舛取L(fēng)速變化、溫度波動(dòng)等環(huán)境參數(shù)，通過對(duì)超限數(shù)據(jù)的分析，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的故障閉鎖以及環(huán)境與綜采系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)功能。

4 工作面人員定位控制系統(tǒng)

工作面人員定位系統(tǒng)是提高礦井管理水平，確保工作人員施工安全的重要保障，鎮(zhèn)城底礦22603工作面對(duì)工作人員配備pm32/rc/id 型人員定位識(shí)別卡，采用RFID 射頻技術(shù)配合集成器內(nèi)無線射頻接收裝置使用。人員定位卡配備ntz/acn/lad/b 型人員定位充電器，采用無線的方式進(jìn)行充電。

礦井工作人員利用RFID 射頻發(fā)射器，可與工作面電液控制系統(tǒng)控制器形成雙向通訊，RFID 數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)接入至工控上位機(jī)，通過工控平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以此制定出相應(yīng)的保護(hù)措施，確保工作面人員施工作業(yè)的安全性。

工作面人員定位控制系統(tǒng)主要由人員無線定位卡、以太網(wǎng)控制器與工控平臺(tái)三部分構(gòu)成。人員定位卡獲取的定位數(shù)據(jù)通過采用千兆網(wǎng)傳輸速率的交換機(jī)連接傳輸至順槽控制室，經(jīng)由工控平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，顯示出人員精確的定位情況。工作面人員定位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖4。

圖4 工作面人員定位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

工作面人員定位控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)當(dāng)前井下人員動(dòng)態(tài)、精確定位工作面、工作面順槽以及超前支架區(qū)域范圍工作人員的位置等功能。其中，精確定位工作面與超前支架范圍內(nèi)人員位置的精度在±20 cm 之間，精確定位工作面兩順槽人員位置的精度在±30 cm 之間。

5 三機(jī)控制系統(tǒng)

三機(jī)控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)就地控制、邏輯控制與智能化控制等功能。工控平臺(tái)能夠顯示三機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、電流大小、皮帶啟停狀態(tài)、煙霧報(bào)警、減速機(jī)油溫油位以及語音閉鎖情況等設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)、順槽轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)的集成控制功能。其控制模式主要有自動(dòng)化模式、單機(jī)模式和維修保護(hù)模式三種。其中，自動(dòng)化模式主要實(shí)現(xiàn)設(shè)備的一鍵啟停機(jī)功能，設(shè)備啟動(dòng)順序?yàn)椋赫Z音報(bào)警→順槽皮帶→破碎機(jī)→順槽轉(zhuǎn)載機(jī)→刮板輸送機(jī)；設(shè)備停機(jī)順序?yàn)椋赫Z音報(bào)警→刮板輸送機(jī)→順槽轉(zhuǎn)載機(jī)→破碎機(jī)→順槽皮帶。單機(jī)模式主要實(shí)現(xiàn)設(shè)備聯(lián)鎖時(shí)，工控平臺(tái)對(duì)刮板輸送機(jī)、順槽轉(zhuǎn)載機(jī)以及順槽皮帶的直接控制。維修保護(hù)模式主要實(shí)現(xiàn)設(shè)備無聯(lián)鎖時(shí)，工控平臺(tái)對(duì)刮板輸送機(jī)、順槽轉(zhuǎn)載機(jī)以及順槽皮帶的直接控制[5]。

此外，工控平臺(tái)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)刮板機(jī)電機(jī)的電流，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)預(yù)警，確保三機(jī)的運(yùn)行安全。當(dāng)工作面煤巖體出現(xiàn)大面積冒落、片幫時(shí)，煤巖體會(huì)在瞬間堆積在輸送機(jī)上，造成輸送機(jī)功率驟增，易引起運(yùn)輸機(jī)的過載損壞。而通過工控平臺(tái)監(jiān)測(cè)功能，能夠有效防止設(shè)備損壞事故，當(dāng)監(jiān)測(cè)到輸送機(jī)功率過載時(shí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)降低采煤機(jī)的推進(jìn)速度，停止輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，并通過語音預(yù)警，提醒維護(hù)工作人員對(duì)故障進(jìn)行處理，降低設(shè)備故障率。

6 實(shí)踐效果

通過在鎮(zhèn)城底礦22603 工作面構(gòu)建以智能化監(jiān)測(cè)監(jiān)控的智慧礦山運(yùn)營(yíng)體系，利用視頻控制系統(tǒng)、礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及工作面三機(jī)控制系統(tǒng)五大板塊進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)了綜采工作面自行感知、決策及生產(chǎn)設(shè)備自動(dòng)協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)等智能化監(jiān)控、生產(chǎn)模式。工作面回采期間，五大系統(tǒng)緊密配合，信息反饋及時(shí)，工作面日割煤效率提高了20%左右，生產(chǎn)效率大大提高，各類安全隱患、事故發(fā)生的頻率大大降低。

7 結(jié)語

為全面加快智能化工作面建設(shè)步伐，推動(dòng)高產(chǎn)、高效煤炭開采，基于我國(guó)當(dāng)前推廣應(yīng)用的可視化遠(yuǎn)程干預(yù)智能化采煤模式，提出智能化采煤工作面監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)方案，通過建設(shè)工作面視頻控制系統(tǒng)、工作面礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、工作面環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、工作面人員定位系統(tǒng)以及三機(jī)控制系統(tǒng)，力求構(gòu)建高效智能的開采生產(chǎn)體系，實(shí)現(xiàn)整個(gè)工作面的遠(yuǎn)程集控智能化運(yùn)營(yíng)。