煤礦綜采智能化工作面關(guān)鍵技術(shù)研究

趙佳磊，趙曉舉，劉照輝

（平頂山天安煤業(yè)股份有限公司，河南 平頂山467000）

近年來(lái)，中國(guó)信息技術(shù)飛速發(fā)展深刻影響著煤礦業(yè)的發(fā)展，在煤礦業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵階段，合理引入智能化技術(shù)、設(shè)備和人才有助于促進(jìn)生產(chǎn)效率的提升、保障生產(chǎn)安全、降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)煤礦行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。當(dāng)前，以一鍵啟停地面調(diào)度集控系統(tǒng)、機(jī)巷泵站遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、采面支架控制系統(tǒng)等為代表的智能化技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用到煤礦綜采的實(shí)踐當(dāng)中，并獲得了良好的反饋[1]，而在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，煤流系統(tǒng)智能化、圍巖支架耦合控制等智能化技術(shù)也將在煤礦的綜采實(shí)踐中得以應(yīng)用[2]。鑒于此，從煤礦綜采智能化工作面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)入手，從現(xiàn)有技術(shù)和未來(lái)趨勢(shì)兩大方面研究煤礦綜采智能化工作面關(guān)鍵技術(shù)。

1 煤礦綜采智能化工作面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

智能化是社會(huì)各行業(yè)發(fā)展的新趨勢(shì)，與煤礦業(yè)中采煤等具體工作的融合更是技術(shù)進(jìn)步與產(chǎn)業(yè)升級(jí)的必然需求，智能化相關(guān)技術(shù)在煤礦綜采工作面的應(yīng)用具有諸多優(yōu)勢(shì)[3]，具體包括以下幾點(diǎn)。

1.1 自動(dòng)化控制提升準(zhǔn)確性

煤礦綜采工作中，采面支架自動(dòng)化控制、降塵自動(dòng)化系統(tǒng)、耦合控制系統(tǒng)、綜采時(shí)序控制等等都是將自動(dòng)化控制技術(shù)落實(shí)到綜采工作面，將以往需要人工控制的、機(jī)械化的工作內(nèi)容納入到智能化系統(tǒng)中，由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行智能控制，有助于減小人工操作而導(dǎo)致的誤差，提升煤礦綜采運(yùn)行準(zhǔn)確性[4]。

1.2 智能分析提升科學(xué)性

在舊的煤礦綜采體系中，雖然引入大量的采煤機(jī)械，但是其操作流程優(yōu)化、運(yùn)轉(zhuǎn)軌跡規(guī)劃、負(fù)載能力分析等工作操作仍多憑借從業(yè)者的經(jīng)驗(yàn)，而引入智能化采煤機(jī)能夠收集精準(zhǔn)定位數(shù)據(jù)、規(guī)劃智能規(guī)劃綜采軌跡、調(diào)整滾筒高度、分析故障自動(dòng)預(yù)警與原因，根據(jù)綜采工作面的實(shí)際參數(shù)、實(shí)時(shí)地理情況、工作負(fù)荷狀態(tài)等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)智能分析，不斷優(yōu)化綜采流程，提升煤礦整體運(yùn)轉(zhuǎn)的科學(xué)性。

1.3 參數(shù)監(jiān)控保障實(shí)時(shí)性

在煤礦綜采工作中，智能化設(shè)備及其技術(shù)體系能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)智能化監(jiān)控，例如地面調(diào)度室的智能集成系統(tǒng)，不僅能夠一鍵啟停，而且能夠?qū)ぷ髟O(shè)備的啟動(dòng)、運(yùn)行、負(fù)荷和暫停進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，能夠保障綜采工作平穩(wěn)運(yùn)行，也能夠更加及時(shí)地發(fā)現(xiàn)綜采工作面潛在問(wèn)題，提升煤礦綜采工作的時(shí)效性。

2 煤礦綜采智能化工作面關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)

在煤礦綜采中應(yīng)用智能化技術(shù)應(yīng)當(dāng)堅(jiān)持以綜采設(shè)備為核心，在智能化技術(shù)支持下捋順采煤工藝流程，積極引入地面調(diào)度集控系統(tǒng)、采面支架控制技術(shù)等，同時(shí)結(jié)合綜采需求升級(jí)采煤機(jī)可視數(shù)據(jù)系統(tǒng)、智能記憶割煤系統(tǒng)，這些系統(tǒng)主要以層次管理和感知控制為核心，包含多級(jí)層次構(gòu)架，主要連通地面調(diào)度室、機(jī)巷泵站以及工作面內(nèi)部控制平臺(tái)，形成對(duì)轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、運(yùn)輸機(jī)等機(jī)械的監(jiān)督和控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)綜采各個(gè)階段的智能化管控，在綜采實(shí)踐中，工作面關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)如下。

2.1 地面調(diào)度集控系統(tǒng)

地面調(diào)度集控系統(tǒng)顧名思義，是指在煤礦地面調(diào)度室中布局集控系統(tǒng)，最主要也是最基礎(chǔ)的功能是一鍵啟停，這一功能從空間角度上能夠突破傳統(tǒng)技術(shù)啟停的空間局限性，在時(shí)間上能夠最大程度節(jié)約時(shí)間成本、提升啟停效率，無(wú)論是在日常煤礦綜采工作中，還是在煤礦綜采突發(fā)事件中都有積極意義。

2.2 泵站遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

泵站遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)究其本質(zhì)而言也是一種集控系統(tǒng)，主要是控制轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、運(yùn)輸機(jī)一鍵啟停，將網(wǎng)絡(luò)信息傳輸、系統(tǒng)搭建、平臺(tái)構(gòu)筑三種技術(shù)理念相融合，實(shí)現(xiàn)供液的智能化控制，并且根據(jù)綜采工作面的需求升級(jí)到一體聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)電磁卸荷、智能變頻等目標(biāo)。泵站遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)更能夠針對(duì)煤層較薄的環(huán)境提供恒壓變流供液，根據(jù)不同煤層構(gòu)筑復(fù)合式智能過(guò)濾體系，保障煤礦綜采工作面安全、清潔、高質(zhì)量供液。

2.3 遠(yuǎn)程調(diào)控采煤系統(tǒng)

遠(yuǎn)程調(diào)控采煤系統(tǒng)是一種應(yīng)用寬泛的智能化技術(shù)，除了泵站遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)以外，還體現(xiàn)在采煤工作人員在巷道不同位置遠(yuǎn)程干預(yù)采煤機(jī)工作中。這一技術(shù)首先要求及時(shí)精準(zhǔn)地記錄滾筒運(yùn)行軌跡、狀態(tài)參數(shù)、高度變化，并以此為基礎(chǔ)利用遠(yuǎn)程智能化運(yùn)算系統(tǒng)進(jìn)行分析；其次根據(jù)數(shù)據(jù)及運(yùn)算結(jié)果搭建自動(dòng)化截隔模板，并在后續(xù)運(yùn)行中不斷修正模板提升準(zhǔn)確率；最后，在井下工作人員的控制下實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)自動(dòng)化運(yùn)行，讓工作人員能夠在巷道的多個(gè)位置遠(yuǎn)程調(diào)控采煤機(jī)。

2.4 智能記憶割煤系統(tǒng)

智能記憶割煤系統(tǒng)也是綜采智能化發(fā)展方向之一，割煤是煤礦綜采的核心環(huán)節(jié)，而現(xiàn)有的割煤技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期、準(zhǔn)確、自動(dòng)化割煤工作，從技術(shù)層面制約了煤礦綜采的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。這一問(wèn)題在智能化的背景下得到有效解決，智能記憶割煤系統(tǒng)以三維坐標(biāo)原理為理論基礎(chǔ)，構(gòu)建采煤機(jī)數(shù)據(jù)與截隔高度之間的函數(shù)，分別在靜止與運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系理論框架下分析采煤機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡，并將結(jié)果從雙示范刀和單示范刀兩方面分別進(jìn)行討論，最終形成完善的智能記憶割煤系統(tǒng)。

2.5 工作面智能化集成配套

對(duì)于煤礦綜采工作而言，整個(gè)工作面協(xié)同智能化集成配套也是智能化發(fā)展的必然趨勢(shì)，集成配套借助煤礦工業(yè)專(zhuān)屬的以太網(wǎng)，將綜采工作面現(xiàn)有的轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、運(yùn)輸機(jī)、支架等機(jī)械單機(jī)連通成為智能化系統(tǒng)，將單機(jī)的實(shí)時(shí)信息上傳到智能化平臺(tái)，在地面調(diào)度室、機(jī)巷泵站等區(qū)域開(kāi)展配套工作，這一系統(tǒng)將上文提及的地面調(diào)度集控系統(tǒng)、泵站遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、遠(yuǎn)程調(diào)控采煤系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)作成為一個(gè)有機(jī)整體，對(duì)于整個(gè)工作面的工作效率提升具有正向作用，同時(shí)也充分降低了工作面人工操作的實(shí)際工作量，推動(dòng)工作面實(shí)現(xiàn)智能化連續(xù)化的生產(chǎn)。

3 煤礦綜采智能化工作面關(guān)鍵技術(shù)展望

以上對(duì)已經(jīng)投入實(shí)踐應(yīng)用的地面調(diào)度集控系統(tǒng)、泵站遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、智能記憶割煤系統(tǒng)以及綜合性較強(qiáng)的工作面智能化集成配套進(jìn)行了技術(shù)分析，以下將從綜采智能化工作面未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)入手，對(duì)智能化發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行展望。

3.1 煤流系統(tǒng)智能化技術(shù)

煤流系統(tǒng)智能化是未來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)人化工作面管理的重要一環(huán)，這一技術(shù)目前主要涉及到四個(gè)技術(shù)維度，分別是煤礦綜采檢測(cè)技術(shù)、工作面智能預(yù)警技術(shù)、大數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)以及智能控制系統(tǒng)，上述提及到智能控制系統(tǒng)已經(jīng)基本成型并應(yīng)用到綜采實(shí)踐中，其他三項(xiàng)技術(shù)要點(diǎn)如下：①煤礦綜采檢測(cè)技術(shù)。這一技術(shù)通過(guò)人工智能圖像分析對(duì)煤礦中的煤料進(jìn)行快速分析，計(jì)算出瞬時(shí)煤量，構(gòu)成煤流系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源。②工作面智能預(yù)警技術(shù)。通過(guò)改善煤流系統(tǒng)控制工藝，設(shè)計(jì)煤流自適應(yīng)啟動(dòng)與多級(jí)設(shè)備協(xié)同裝置，切實(shí)提升煤流的運(yùn)轉(zhuǎn)效率，同時(shí)也兼顧煤礦能源節(jié)約、不斷延長(zhǎng)煤礦內(nèi)大型設(shè)備的使用壽命。③煤流系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)，通過(guò)云存儲(chǔ)等技術(shù)手段采集、上傳、分析煤流運(yùn)行數(shù)據(jù)，以這種方式提升煤流系統(tǒng)生產(chǎn)故障排查效率，升級(jí)完善遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，讓煤礦綜采工作面日趨無(wú)人化。

3.2 圍巖與支架耦合控制

在綜采工作面當(dāng)中，支護(hù)方式是亟待升級(jí)變革的環(huán)節(jié)，圍巖與支架耦合控制是傳統(tǒng)支護(hù)方式發(fā)展的新趨勢(shì)，尤其在復(fù)雜環(huán)境開(kāi)采實(shí)踐中，要將智能化理念落到實(shí)處，就需要進(jìn)一步分析支架耦合控制問(wèn)題。圍巖與支架耦合控制將深部巷道耦合理論作為理論基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)煤壁參數(shù)分析設(shè)定的方式構(gòu)建液壓支架結(jié)構(gòu)，分析感知系統(tǒng)捕獲到信息的耦合關(guān)系，構(gòu)筑起初撐力智能補(bǔ)償、防傾斜預(yù)警、千斤頂調(diào)節(jié)等為代表的多級(jí)聯(lián)動(dòng)機(jī)制，以期實(shí)現(xiàn)圍巖耦合控制與智能序列化控制。在煤礦綜采的過(guò)程中，尤其是復(fù)雜地質(zhì)條件下的開(kāi)采過(guò)程中，圍巖與支架耦合控制能夠擴(kuò)展智能化系統(tǒng)對(duì)地質(zhì)環(huán)境的包容度，提升圍巖與液壓支架的穩(wěn)定性，進(jìn)而保障整體智能化系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。

3.3 打造全方位視頻系統(tǒng)

當(dāng)前隨著視頻數(shù)據(jù)傳輸與虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)的深入發(fā)展，全方位視頻系統(tǒng)已經(jīng)開(kāi)始走入到煤礦綜采工作面當(dāng)中，建議在采煤機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、運(yùn)輸機(jī)、配液點(diǎn)等關(guān)鍵位置布局視頻設(shè)備，積極引入煤礦專(zhuān)用高清攝像頭，遵循兩組支架一臺(tái)攝像機(jī)的原則，在支架頂部安裝好視頻設(shè)備對(duì)綜采機(jī)械進(jìn)行智能化跟蹤，并通過(guò)視頻傳輸、跟機(jī)推送等技術(shù)將視頻實(shí)時(shí)傳輸?shù)郊夹g(shù)人員工作臺(tái)當(dāng)中，讓技術(shù)人員能夠通過(guò)視頻了解到工作面的實(shí)時(shí)狀態(tài)并作出準(zhǔn)確判斷。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，當(dāng)前煤礦綜采智能化發(fā)展已經(jīng)是大勢(shì)所趨，當(dāng)前在工作面中的應(yīng)用主要有地面調(diào)度集控系統(tǒng)、泵站遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、智能記憶割煤系統(tǒng)以及工作面智能化集成配套技術(shù)等，未來(lái)還將引入煤流系統(tǒng)智能化技術(shù)、圍巖與支架耦合控制技術(shù)以及全方位視頻技術(shù)等，以期實(shí)現(xiàn)煤礦綜采工作的智能化升級(jí)。