礦井智能化無人化建設研究

張 鵬,吝 柏

(陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司一號煤礦,陜西 延安 727307)

隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、區(qū)塊鏈等技術的飛速發(fā)展，煤礦工業(yè)正從機械化、自動化、數(shù)字化，向智能化方向發(fā)展。特別是在國家發(fā)改委、能源局等八個部門共同發(fā)布《關于加快煤礦智能化發(fā)展的指導意見》后，煤礦智能化已經(jīng)成為了我國煤炭安全高效生產的發(fā)展方向，也是我國煤炭安全高效生產的必然趨勢。陜西某礦地下工程環(huán)境比較復雜，急需對其安全、環(huán)保、生產和操作環(huán)節(jié)進行智能技術的更新和更新。

陜西某礦山在“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”的基礎上，按照“數(shù)據(jù)統(tǒng)一、模型統(tǒng)一、平臺統(tǒng)一、方案統(tǒng)一”的思路，以“云邊協(xié)同、管控一體化”的智慧礦山建設為研究目標，開展無人礦山的研究和應用示范，建立了云邊協(xié)同、管控一體化的智慧礦山建設模式。

陜西某礦山作為重點建設礦山，以“5 G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”的無人礦山為研究對象，以“無人礦山”為目標，構建安全、高效、智能礦山建設的典范，并在此基礎上，探索出一條新的智能化建設途徑與管理模式，為我國煤炭資源的開發(fā)與利用提供了更加優(yōu)化的思路。

1 四化融合

1.1 裝備智能化

(1)綜采智能化。在綜采工作面安裝了瓦斯安全連鎖裝置及操作人員接近裝置的自動辨識裝置；采煤機能適應各種條件下的記憶式切割，能實現(xiàn)工作面的自動矯直及遙控介入；采用液壓支架和采煤機的聯(lián)動和適應性，實現(xiàn)了液壓支架的自動上架和下落；介紹了一種新型液壓系統(tǒng)的設計方法。在地面上建立一個統(tǒng)一的操作平臺，實現(xiàn)對各種設備的集中遠程控制，利用云視攝像頭實現(xiàn)對施工過程及設備的實時監(jiān)控。

(2)掘進智能化。建立了掘進隊的地面中央控制中心，使掘錨機能夠實現(xiàn)自動切割，人工遙控；自控式安全保護；實現(xiàn)了掘進機的主要生產設備的智能化和連通性。該機采用變頻控制。智能除塵裝置得到了廣泛的應用。通過多組網(wǎng)的智能饋電開關來實現(xiàn)電網(wǎng)的集中管理，通過云端平臺的攝像頭來實現(xiàn)對主要設備的實時監(jiān)測，用智能化的輔助設備來取代常規(guī)的維護。

(3)輔助運輸智能化。建立一個智能調度管理系統(tǒng)，利用無線基站提供的無線網(wǎng)絡，實現(xiàn)車輛音頻調度，語音通話，利用超寬帶定位訊號對車輛進行定位及超速預警。在礦井下的車輛上增加一組輔助設備，可以實現(xiàn)礦井下車輛的倒車雷達、倒車影像、事故影像再現(xiàn)等。為井下車輛配備準確定位卡及對講機，通過智能手機配置車輛管理APP，實現(xiàn)井下車輛語音調度、管理等功能。為保障礦井輔助運輸?shù)陌踩耘c高效性，開展了電子化維護、電子檔案、無人駕駛等方面的研究。

1.2 生產無人化

(1)通風系統(tǒng)無人化。主要的通風系統(tǒng)和部分通風系統(tǒng)都使用了變頻調速，實現(xiàn)了對其進行了遠程調整，并與礦山的需求風量和瓦斯的濃度進行了智能聯(lián)動，實現(xiàn)了對其進行在線的故障診斷；一鍵式不停風和倒機。實現(xiàn)了對通風裝置的遠程控制、自動化調試、三維模擬及最優(yōu)調試。實現(xiàn)了對通風能力的及時審計、評估、報警，以及對風網(wǎng)進行了實時的計算與優(yōu)化。建立了風速、風阻實時監(jiān)測與智慧決策平臺，并具有在常態(tài)下進行最優(yōu)化的調節(jié)，在災難下進行最優(yōu)化的控風功能，可以實現(xiàn)對其的遠程自動調節(jié)。該系統(tǒng)具有自動監(jiān)控、自動辨識、自動報警等功能。實現(xiàn)了對設備的日常運行、實時監(jiān)控、失效模擬、預見性維護，達到了“四合一”的整體管控。

(2)主運系統(tǒng)無人化。主運輸系統(tǒng)能實時監(jiān)測煤流的變化情況，系統(tǒng)通過遠程集中控制實現(xiàn)變頻功能?；跓o接觸感知裝置的應用，結合邊緣計算、智能分析等前沿技術，將多條交通路線連成一個有機的整體，實現(xiàn)交通的智能化、安全高效。

(3)固定崗位無人化。在變電所的日常值守、配電室控制、低壓開關狀態(tài)控制、電纜線路絕緣狀態(tài)檢測、自動降塵噴霧、自動滅火等功能上實現(xiàn)自動化，實現(xiàn)無人作業(yè)。系統(tǒng)能夠對各區(qū)域的電能使用數(shù)據(jù)進行采集，并形成數(shù)據(jù)運行報表，分析數(shù)據(jù)變化的趨勢，同時能夠及時地監(jiān)測到異常的信號變化，一旦出現(xiàn)故障，能夠及時地進行報警，并及時定位異常情況出現(xiàn)的位置。同時還會將故障信息存儲起來，形成數(shù)據(jù)檔案，便于后續(xù)的分析與研究。

1.3 管控一體化

(1)智能一體化管控平臺。隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，越來越多的企業(yè)開始使用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術來管理和控制生產過程。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是建立在物聯(lián)網(wǎng)和云計算技術之上的，它將物理世界和數(shù)字世界緊密聯(lián)系在了一起。在這個新的生產模式中，數(shù)據(jù)融合集成和業(yè)務高效協(xié)同是非常重要的。通過數(shù)據(jù)融合集成，企業(yè)可以將不同部門的數(shù)據(jù)整合在一起，以便更好地進行業(yè)務分析和決策。這對于企業(yè)的生產效率和質量管理至關重要。此外，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境下，不同業(yè)務之間的高效協(xié)同也是必不可少的。企業(yè)可以通過集成不同的業(yè)務系統(tǒng)，將各個業(yè)務之間的信息共享和交流變得更加流暢和高效。

(2)災害預警系統(tǒng)管控平臺。以瓦斯、水、火、頂板、粉塵等五大災害作為主要研究內容，從礦井的自然狀況與生產狀況出發(fā)，對與礦井實際狀況相吻合的單一災種進行分析，并以其為基礎，通過本項目的研究，將形成一套基于多災種融合的災害預警系統(tǒng)與模型，并在此基礎上研究應急裝備的智能化配置技術，為災害后的應急保障工作提供有力支撐。

1.4 建設標準化

(1)標準規(guī)范。以智慧礦井的建造為中心，制定出一套標準和規(guī)范，其中包括設計規(guī)范、建設規(guī)范、運行規(guī)范。標準規(guī)范中需要設計智能礦山在建設和運行中的一些關鍵技術，如基礎信息技術、運行監(jiān)控技術、智能化控制技術等等。

(2)管控模式及效益規(guī)范。在先進的信息技術的支持下，結合先進的管理思想，創(chuàng)新礦井無人化管理模式。集中礦井中的各個模塊，如感知系統(tǒng)、決策系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)能，實現(xiàn)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的大融合，并逐漸強化礦井的自動化管理功能，使之具有自動采集、分析、決策執(zhí)行的能力。

2 81309綜放工作面智能化建設

本文重點對陜西某礦81309 綜采工作面進行了階段性的總結，對影響其開采水平的若干主要技術問題進行了分析，歸納出了一條實現(xiàn)綜采工作面智能化的途徑與管理方式。

2.1 建設目標

初等智能化綜采工作面，形成“聯(lián)合操作+人工監(jiān)控+遠程介入”的開采模式，達到中等智能化程度，回采工作面采用無人開采方式。

2.2 建設成果

(1)智聯(lián)。在81309 的智能綜采工作面上，已完成了對采煤機、刮板輸送機、轉載機、破碎機、皮帶輸送機等的單動和聯(lián)動控制；已完成了與機移架、成組推溜、成組放煤、成組拉后溜的自動化；已在工作中完成了前后方的視頻覆蓋；目前，綜采裝備已完成綜合控制與信息交互、聯(lián)動控制和遙控器的一體化控制，并通過礦井監(jiān)測系統(tǒng)的“一鍵啟停”，大幅度降低了工人的勞動強度，使工人人數(shù)比原來降低了10%。

(2)智控。目前，81309綜采工作面的采煤設備全部采用了記憶截割，2個工作面的掘進機和轉載機的運轉都與前面的支架配合，工作面的4 G/5 G/WiFi 信號全覆蓋，并設立了“一鍵啟?！钡牡孛孢h程控制中心，使作業(yè)人員的數(shù)量下降了30%。

2.3 需進一步突破的關鍵技術

目前，在81309煤礦機械化采煤技術方面已有一些科研進展，但還沒有實現(xiàn)“無人化”。

(1)要想在綜采工作面上進行少人甚至無人操作，目前的視頻監(jiān)控系統(tǒng)缺乏一定的空間尺度（也就是3D空間坐標），迫切需要可以對工作面3D 空間信息進行精確感知的技術進行深入的探索，為最終實現(xiàn)綜采工作面的無人操作打下堅實的基礎。同時，通過采場的3D 信息，實現(xiàn)了對地質模型的局部精細化，為煤層的精確切割提供了技術支持。針對這一問題，本課題提出了一種激光雷達的高精度實時定位與地圖構建、多傳感器信息融合、激光雷達的防護與校準方法，對空間坐標系的整合技術進行了探討。

(2)在此基礎上，深入開展基于雙目立體視覺的照明非接觸檢測和精確控制技術，實現(xiàn)綜采工作面環(huán)境的智能感知和控制；在此基礎上，研制了一套以圖像為基礎的智能化煤層開采試驗系統(tǒng)，并對其進行了圖像獲取試驗，建立了煤層開采過程中的圖像庫，并對其進行了預處理；最后，通過室內與現(xiàn)場采集到的煤粉圖像數(shù)據(jù)，對模型進行學習與檢驗，從而達到對煤粉圖像的準確、智能識別。通過對放煤過程的數(shù)值模擬，研究放煤過程中煤粒粒度等因素對卸載和堆垛的作用機理，揭示放煤和堆垛的空間分布規(guī)律。通過對不同粒徑的煤顆粒在不同粒徑下的堆積體中的混合程度進行研究，并對其進行定量化求解。

3 智能化建設面臨的問題

通過建設該礦井的智能綜采工作面，作者深切感受到智能開采完全改變了過去的煤礦生產模式，并逐步實現(xiàn)了礦井的無人化；與此同時，煤炭企業(yè)肯定也將從勞力密集向技術密集的方向發(fā)展。但是，我們也應該認識到，當前，我國煤礦智能開采的發(fā)展仍處于初級階段，離真正意義上的智能生產和運營仍有相當大的距離。

(1)技術轉換率較低。新一代信息技術難以迅速地轉變?yōu)樯a力，所以，在當前的煤礦生產設備中，大多設備仍具有質量大、功能單一的特點，遠遠達不到智能化生產的要求，在一定程度上阻礙了工作面智能化的發(fā)展。所以，廠商應該積極研發(fā)適合5G及礦山作業(yè)的智能裝備，以適應礦山作業(yè)的需求。

(2)系統(tǒng)可靠性不高。在礦井下，大多數(shù)設備中的傳感器都有壽命短、精度低、布線困難等缺點，尤其是安裝在液壓支架上的壓力傳感器、測高傳感器、行程傳感器以及各類閥芯的更換頻率較高，給日常維護帶來了很大的困難。為此，必須加強對高可靠性、高性能的傳感器和設備的研究和開發(fā)，使其能夠更好地適應礦井的嚴酷工作環(huán)境。

(3)缺乏統(tǒng)一標準。當前，煤礦開采中的作業(yè)數(shù)據(jù)大多是由萬兆環(huán)形網(wǎng)絡上傳、收集的，但尚未做到“無縫”互聯(lián)，各個系統(tǒng)之間的信息不能完全共享，也沒有充分發(fā)揮其作用。雖然該公司已搭建了一套完整的生產數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)，并已著手執(zhí)行EIP的最新標準，所有的裝備廠商均使用統(tǒng)一的接口，但由于相關的協(xié)議的開放性以及監(jiān)控軟件的版本不同，因此，在具體的集成工作中存在一定的困難，經(jīng)常會發(fā)生一些不流暢的情況。

(4)智能化人才匱乏。煤炭行業(yè)屬于典型的勞動密集型行業(yè)，其工作強度高、工作條件差、社會地位低；很多勞動者的職業(yè)與他們的專業(yè)有很大的差距，他們對信息、智能的認識也很少。近年來，煤礦智能化進程不斷加速，現(xiàn)有技術人員的素質與能力已不能適應煤礦智能化建設、生產與經(jīng)營的要求。因此，在今后的工作中，應當加大對人工智能人才的培養(yǎng)力度，擴大人工智能從業(yè)者的成長通道，并對其進行了工資福利方面的調整，從而能夠吸引更多的IT人員到煤礦工作。

(5)管理人員對智能化認識不足。大部分的煤炭公司都秉承著“以生產為中心”的經(jīng)營思想，在智能化的發(fā)展過程中，許多管理者只想著能夠達到自己的目標，而沒有意識到智能化能夠給生產帶來的重大變化，這就造成了煤炭行業(yè)的智能化發(fā)展速度非常慢。其次，在進行智能施工時，許多管理者沒有積極地指導下級職工進行與智能有關的技術和知識的培訓，還停留在原有的管理方式上，造成了許多工作人員在施工結束后不會操作、不會維護，造成了“人—機兩張皮”的問題，給礦井的智能化施工造成了很大的障礙。所以，各級組織應該構建起一套完備的智能訓練和人才培養(yǎng)系統(tǒng)，培育出一支擁有熟練操作技能的專業(yè)運維隊伍，只有如此，才可以讓智能的發(fā)展成為一支真正意義上的智能發(fā)展。