煤礦綜采工作面智能化開采

（西山煤電（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 山西 030053）

煤礦是中國的主要能源，保證安全高效的開采有著十分重要的意義。隨著自動(dòng)化開采的普及，我國煤礦開采技術(shù)實(shí)現(xiàn)了由炮采向綜采的轉(zhuǎn)化，逐步進(jìn)入了智能化開采階段，相關(guān)概念逐漸清晰，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范也在逐步完善。近年來，我國相繼發(fā)布一些相關(guān)規(guī)劃，設(shè)定了我國煤礦智能化開采的目標(biāo)，為我國煤礦智能化開采指明了發(fā)展方向。以往煤巖界面識(shí)別被認(rèn)為是綜采面進(jìn)行無人化開采的必要條件，但是經(jīng)過國內(nèi)外的研究和實(shí)踐表明，雖然從理論上存在可能性但是由于其物理特性的多樣性和復(fù)雜性使得煤巖界面識(shí)別并不能達(dá)到預(yù)期的效果。因此需要繼續(xù)探索綜采工作面自適應(yīng)無人開采技術(shù)，但是目前在智能化開采的關(guān)鍵技術(shù)上還存在一些問題，例如綜采技術(shù)方面，在原有記憶割煤、過載保護(hù)等基礎(chǔ)功能上新增加的紅外攝像、雷達(dá)探測防機(jī)械碰撞等功能大都還處在研究階段，相關(guān)技術(shù)還有待突破。

1.煤礦智能化開采階段劃分及相關(guān)技術(shù)

(1)智能化開采階段劃分

智能化開采是自動(dòng)化開采的高級(jí)階段，通過設(shè)備智能學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化開采，在開采過程中減少了人工的參與，使得開采的效率和安全性都得到了大幅提高。中國的煤礦開采從最初的炮采到半機(jī)械化的普采再到現(xiàn)如今完全機(jī)械化的綜采，正在向著智能化開采發(fā)展，但是我國的智能化開采還處在初級(jí)階段。煤礦智能化發(fā)展是一個(gè)長期的階段，利用技術(shù)特征進(jìn)行階段劃分可以將煤礦智能化發(fā)展劃分為四個(gè)階段。

①智能開采1.0階段。智能化開采的第一階段是對(duì)工作面情況進(jìn)行感知，包括開采設(shè)備的推進(jìn)速度、所在位置等數(shù)據(jù)。在這一階段初步形成以開采系統(tǒng)自動(dòng)控制為主，人工干預(yù)為輔的模式。②智能開采2.0階段。在第二階段，智能開采系統(tǒng)需要對(duì)開采設(shè)備的姿態(tài)、圍巖部分的信息進(jìn)行感知，并且需要基于感知到的信息來實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面直線度和關(guān)鍵開采設(shè)備姿態(tài)的控制，這一階段僅僅適用于地質(zhì)環(huán)境較好的工作面。③智能開采3.0階段。在第三階段，需要在前一階段的基礎(chǔ)上增加對(duì)于工作面地質(zhì)圍巖和地理信息的感知，要求在這一階段初步形成工作面的信息透明化，并且需要在透明化的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)截割方向的規(guī)劃開采，以便于適應(yīng)地質(zhì)條件更復(fù)雜的工作面。④智能開采4.0階段。該階段是智能化開采的最后階段，也是理想目標(biāo)。這一階段在工作面信息感知上更加全面，在工作面開采設(shè)備的控制上人工干預(yù)的更少，最后實(shí)現(xiàn)回采工作面中開采裝備能夠自主調(diào)節(jié)和控制，完成整個(gè)采煤過程以及設(shè)備的移動(dòng)，在整個(gè)過程中不需要人工的干預(yù)。

目前國內(nèi)只有少部分智能化礦井正在試驗(yàn)智能化開采的第二、第三階段的部分關(guān)鍵技術(shù)，距離智能化開采第四階段的目標(biāo)還有很長的距離。

(2)現(xiàn)階段關(guān)鍵技術(shù)

①基于姿態(tài)數(shù)據(jù)的液壓支架控制技術(shù)。液壓支架是綜采工作面的關(guān)鍵設(shè)備，但為了適應(yīng)工作面圍巖的變化，液壓支架的頂梁也會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的俯、仰狀態(tài)，因此液壓支架的姿態(tài)數(shù)據(jù)在防傾倒、防碰撞等業(yè)務(wù)中顯得十分重要。通過在液壓支架的底座、連桿、頂梁和護(hù)幫位置安裝姿態(tài)傳感器收集液壓支架的姿態(tài)信息傳遞給姿態(tài)控制器，可以保證工作面液壓支架的正常姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)支架對(duì)于頂板的有效支撐、避免支架頂梁錯(cuò)茬咬架。通過對(duì)液壓支架姿態(tài)的監(jiān)控可以對(duì)其動(dòng)作進(jìn)行檢測和控制，保證液壓支架與圍巖特性相匹配。

②基于姿態(tài)數(shù)據(jù)的采煤機(jī)記憶截割。采煤機(jī)是綜采工作面的落煤設(shè)備，目前采煤機(jī)的記憶截割功能主要分為：記憶學(xué)習(xí)、記憶截割、記憶中斷、記憶修改四個(gè)階段。采煤機(jī)在割煤過程中可以通過分析、記憶自身運(yùn)行參數(shù)，并按照工藝段將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，根據(jù)記憶數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)割煤，當(dāng)遇到異常情況可以切換至手動(dòng)割煤。當(dāng)工作面發(fā)生變化時(shí)，將調(diào)整后的采煤機(jī)滾筒高度或者牽引數(shù)據(jù)記錄下來可以覆蓋原先的記憶數(shù)據(jù)繼續(xù)截割。未來智能化開采，采煤機(jī)則會(huì)基于工作面的地質(zhì)數(shù)據(jù)、慣性導(dǎo)航和三維掃描等應(yīng)用進(jìn)行工作面態(tài)勢感知，然后根據(jù)工作面透明化模型進(jìn)行數(shù)字化采煤。

③建立智能化巡檢系統(tǒng)。通過建立輔助巡檢平臺(tái)并且利用巡檢機(jī)器人進(jìn)行工作面巡檢職責(zé)，巡檢機(jī)器人作為搭載平臺(tái)可以裝載三維激光掃描設(shè)備、慣性導(dǎo)航設(shè)備等裝置。

2.智能化開采存在的問題

通過分析國內(nèi)外智能化開采現(xiàn)狀以及應(yīng)用情況，可以總結(jié)出目前智能化開采存在的一些問題：

（1）井下開采環(huán)境惡劣，煤塵和水霧濃度大會(huì)影響攝像機(jī)的清晰度，尤其在逆風(fēng)開采時(shí)很難分辨出煤巖界面和采煤機(jī)滾筒上沿與液壓支架頂梁之間的關(guān)系，因此在實(shí)際開采中仍然通過人工現(xiàn)場干預(yù)。

（2）基于液壓支架姿態(tài)進(jìn)行自動(dòng)化姿態(tài)調(diào)整并未達(dá)到理想效果，僅僅在開采環(huán)境較好的工作面進(jìn)行階段性的應(yīng)用。其中最主要的問題在于液壓支架的自動(dòng)化程序和設(shè)置參數(shù)的靜態(tài)化與單一化并不能適應(yīng)復(fù)雜多變的開采環(huán)境，因此目前還不能作為主流的生產(chǎn)模式長期運(yùn)行。

（3）采煤機(jī)的記憶截割技術(shù)目前仍然需要采煤機(jī)司機(jī)的現(xiàn)場試教，當(dāng)煤層賦存發(fā)生變化時(shí)，采煤機(jī)并不能自主的進(jìn)行調(diào)整還需要人工在現(xiàn)場進(jìn)行重新試教，因此目前只適應(yīng)于條件較好而且簡單的工作面，并不能在工作面煤層賦存變化的工作面使用。

（4）目前不能自動(dòng)進(jìn)行工作面找直，仍然需要人工每隔一段時(shí)間重新進(jìn)行找直，否則可能出現(xiàn)刮板輸送機(jī)或者煤壁不平的情況，達(dá)不到的“三平一直”的工程質(zhì)量要求。

（5）目前井下工作面信息感知系統(tǒng)的魯棒性有待提高，包括傳感器、控制系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)等都需要進(jìn)一步提升在惡劣環(huán)境下的可靠性。另外由于智能化開采中自動(dòng)化系統(tǒng)目前還并未形成行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，因此接入的控制系統(tǒng)良莠不齊，使得自動(dòng)化系統(tǒng)的整體可靠性和控制機(jī)構(gòu)的實(shí)時(shí)性不能很好的保障，并不能達(dá)到預(yù)期的效果。

（6）井下工作面環(huán)境惡劣、情況復(fù)雜，因此需要針對(duì)可能出現(xiàn)的情況進(jìn)行智能決策。通過實(shí)現(xiàn)開采設(shè)備的通信接口、協(xié)議的互通互聯(lián)建立起統(tǒng)一的通信平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)決策平臺(tái)的智能化。在井下遇到相應(yīng)的情況之后，智能決策平臺(tái)可以通過專家?guī)煜到y(tǒng)調(diào)用相應(yīng)的解決辦法，通過開采設(shè)備的自我調(diào)整達(dá)到重新工作的目的。

（7）智能化開采的觀念以及管理模式都需要提高。在智能化開采的過程中需要明確發(fā)展趨勢，即：自動(dòng)化開采時(shí)基礎(chǔ)、智能化是核心部分、無人化開采是最終的目標(biāo)。

3.智能化開采技術(shù)發(fā)展展望

智能化自適應(yīng)開采技術(shù)的系統(tǒng)模型如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)自下而上分為了四個(gè)部分，最底層的執(zhí)行層、感知層、控制層以及最頂層的分析決策層。其中執(zhí)行層包括了采煤機(jī)、液壓支架、刮板運(yùn)輸機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、帶式運(yùn)輸機(jī)、泵站等一系列綜采裝備；感知層包括裝備感知以及環(huán)境感知，裝備感知主要是檢測綜采設(shè)備的壓力、行程、傾角、電流等運(yùn)行參數(shù)，環(huán)境感知層包括激光掃描、可見光視頻、紅外線視頻、瓦斯、鉆孔、地質(zhì)勘探、掘進(jìn)數(shù)據(jù)等環(huán)境參數(shù)；控制層為綜采控制系統(tǒng)包括支架電液控制系統(tǒng)、采煤機(jī)控制系統(tǒng)、“三機(jī)”控制系統(tǒng)、集成供液控制系統(tǒng)、供電控制系統(tǒng)等；分析決策層包括了由綜采裝備的工況數(shù)據(jù)建立的數(shù)據(jù)倉庫、包括多信息融合的綜采工作面三維物理仿真、工作面找直、煤巖識(shí)別、上竄下滑測量等功能組成的智能分析應(yīng)用以及可以實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)截割模板和支架全程自適應(yīng)跟機(jī)的智能決策應(yīng)用。工作原理為：執(zhí)行層的裝備通過大量傳感器感知自身的工作狀態(tài)，通過激光掃描、可見光相機(jī)、火災(zāi)標(biāo)志性氣體傳感器以及相關(guān)地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行工作面地質(zhì)環(huán)境的感知，通過將傳感器獲得的大量數(shù)據(jù)構(gòu)建成數(shù)據(jù)倉庫，并且利用三維可視化技術(shù)建立工作面的三維模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行工作面找直。最后將智能決策下發(fā)給綜采控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)感知、分析、決策、控制的閉環(huán)操作。

圖1 智能自適應(yīng)無人開采控制模型

4.結(jié)語

（1）煤礦的智能化開采不是一朝一夕的，而是分階段逐步實(shí)現(xiàn)的。對(duì)煤礦智能化開采的四個(gè)階段進(jìn)行了簡要敘述，總結(jié)了每個(gè)階段的典型特征以及技術(shù)概要。（2）提出了智能化開采的幾點(diǎn)制約因素，包括：井下自動(dòng)化開采系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及可靠性較差；井下智能化開采設(shè)備的自適應(yīng)能力不足，只能適應(yīng)情況簡單而且情況較好的工作面；智能化開采的思想、管理模式有待提高。并且對(duì)未來智能化開采的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。（3）目前智能化開采正在朝著第三階段過渡，但是仍然需要在管理觀念、經(jīng)費(fèi)投入以及研發(fā)團(tuán)隊(duì)的建設(shè)等方面下功夫。