煤礦智能化開采現(xiàn)狀及展望

杜艷軍

(山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)有限公司 蒲縣萬家莊煤業(yè)有限公司,山西 臨汾 041000)

截止2018年,煤炭在全國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中仍占主導(dǎo)地位,約占59%,可見煤炭仍然是國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要能源保證[1-2]。隨著科技進(jìn)步發(fā)展,各行各業(yè)都在發(fā)展智能化,煤炭開采也不例外,主要表現(xiàn)為煤炭開采的數(shù)字化和智能化。黃陵煤礦2014年率先在一號煤礦嘗試中厚煤層的智能開采,2016年在二號煤礦的厚煤層也使用智能采礦,2018年在雙龍和瑞能煤業(yè)試驗的薄煤層智能開采,均取得很好的效果?；诎拇罄麃喡?lián)邦科學(xué)與工業(yè)組織提出的三維激光掃描技術(shù)及設(shè)備,北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司與該公司聯(lián)合研究三維激光掃描技術(shù)在井下環(huán)境建模與定位測量如何更好服務(wù)智能開采,取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。不難看出,煤炭開采智能硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)工作面生產(chǎn)智能化、信息化和集成化的關(guān)鍵,本文將闡述智能開采裝備發(fā)展的現(xiàn)有水平及存在問題[3-4]。

1 智能化開采技術(shù)的基本原理

智能開采是在原有傳統(tǒng)綜采工藝及裝備的基礎(chǔ)上,增加具有感知能力、記憶能力、學(xué)習(xí)能力以及決策能力相關(guān)的硬件和軟件,自動協(xié)調(diào)采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)相互配合、自動生成,并配合可視化遠(yuǎn)程監(jiān)控,基本實(shí)現(xiàn)工作面無人或者少人跟機(jī)作業(yè)的高效生產(chǎn)的目的[5]。

1)技術(shù)原理及路徑。智能開采技術(shù)原理是利用現(xiàn)有先進(jìn)的通信技術(shù)、自動化控制技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)以及視頻技術(shù),通過硬件、軟件平臺,將這些技術(shù)融合,相互配合,形成監(jiān)、控一體化,最終實(shí)現(xiàn)采煤的自動化作業(yè)及遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制。

技術(shù)路徑中在未解決“煤矸識別”等世界難題前,以網(wǎng)絡(luò)通信為基礎(chǔ),采用煤機(jī)記憶截割技術(shù),實(shí)現(xiàn)液壓支架自動跟機(jī),以遠(yuǎn)程操作輔助實(shí)現(xiàn)階段性的智能化開采水平。

2)智能開采系統(tǒng)主要組成部分。智能開采系統(tǒng)主要包括采面設(shè)備、集控中心以及井上監(jiān)控等。采面設(shè)備主要由煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)、破碎機(jī)及乳化液泵站、電液控制系統(tǒng)、采煤機(jī)系統(tǒng)、運(yùn)輸及供電監(jiān)控系統(tǒng)、供液系統(tǒng)等組成。該部分是智能開采的核心裝備,該部分滿足在人的控制下實(shí)現(xiàn)單機(jī)設(shè)備機(jī)械式自動作業(yè),能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械采煤、自動支護(hù)和運(yùn)輸。以采煤機(jī)為中心的智能化綜采系統(tǒng)和控制系統(tǒng)如圖1和2所示。集控中心包括視頻、數(shù)據(jù)等在內(nèi)的主機(jī),以及各客戶端和綜合接入器等,其中視頻可包括側(cè)向視頻、跟機(jī)視頻、搭接點(diǎn)視頻、支架監(jiān)測畫面、綜合監(jiān)測畫面、采煤機(jī)監(jiān)測畫面等,該部分是整個系統(tǒng)控制的中心,所有數(shù)據(jù)、信息以及系統(tǒng)控制均有該主機(jī)控制;井上監(jiān)控主要包括有服務(wù)器、云平臺服務(wù)器、客戶端、移動客戶端等在內(nèi)的,能建立數(shù)據(jù)倉庫、故障庫、分析檢測和互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)谋O(jiān)控系統(tǒng),該系統(tǒng)主要通過光纖采集井下數(shù)據(jù),建立數(shù)據(jù)庫,根據(jù)需要傳至客戶端、云平臺數(shù)據(jù)庫在線監(jiān)測和查詢,并對數(shù)據(jù)自動分析,對故障實(shí)時自動報警,分析設(shè)備使用情況,與客戶溝通,找出最佳方案。

圖1 以采煤機(jī)為中心的智能化綜采系統(tǒng)Fig.1 Shearer-centered intelligent fully mechanized mining system

圖2 綜采成套裝備智能控制系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 Intelligent control system architecture of fully mechanized mining equipment

王國法等[6]在煤礦智能化(初級階段)研究與實(shí)踐提到,智能化煤礦頂層設(shè)計應(yīng)從感知層、傳輸層、平臺層和應(yīng)用層4個層次考慮,智能開采系統(tǒng)應(yīng)包括智能化綜合管控平臺和云數(shù)據(jù)中心在內(nèi)的8個部分。楊俊哲等[7]以神東礦區(qū)智能開采為例,闡述了神東自動化4.0階段中建設(shè)“一網(wǎng)一站”煤礦自動化系統(tǒng),為井下實(shí)現(xiàn)記憶截割、自動跟機(jī)、自動找直等提供了軟件支撐。

2 智能化開采現(xiàn)階段發(fā)展水平

2.1 國內(nèi)智能化開采水平

1)采煤機(jī)已實(shí)現(xiàn)記憶截割。采煤機(jī)記憶截割是指采煤機(jī)在科學(xué)合理割煤過程中,對采煤機(jī)滾筒截割高度、采煤機(jī)傾角、仰俯角度、割煤速度以及方向等信息進(jìn)行采集,完成一個循環(huán),對采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂破鞯臄?shù)據(jù)存儲區(qū),數(shù)據(jù)處理生成截割曲線,該截割曲線為采煤機(jī)接下來的割煤進(jìn)行自動導(dǎo)航,使采煤機(jī)自動完成割煤、自動清浮煤、自動斜切進(jìn)刀等工序。當(dāng)割煤過程中遇到斷層等不同情況時,需要人工干預(yù)進(jìn)行調(diào)整。

2)液壓支架已實(shí)現(xiàn)自動跟機(jī)。液壓支架自動跟機(jī)技術(shù)是指采煤機(jī)完成割煤動作后,液壓支架能根據(jù)采煤機(jī)的位置、方向,通過電液控技術(shù)將液壓支架和刮板輸送機(jī)自動、及時移到相應(yīng)位置,實(shí)現(xiàn)支架及時支護(hù)作用,割煤過程中也能自動完成噴霧除塵的動作。該技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)之一在于采煤機(jī)位置和方向的確定,主要解決方法是通過在采煤機(jī)安裝紅外線發(fā)送器發(fā)射數(shù)字信號,在每個液壓支架上安裝紅外接收信號,通過接收數(shù)字信號實(shí)時傳輸至控制中心,進(jìn)行信號處理和反饋,為實(shí)現(xiàn)下部動作提供依據(jù),最終實(shí)現(xiàn)液壓支架動作和采煤機(jī)運(yùn)行位置的動態(tài)耦合。

3)已實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。遠(yuǎn)程控制是工作面遠(yuǎn)距離的控制中心通過在工作面布置的監(jiān)控視頻和收集的數(shù)據(jù),來調(diào)整采煤機(jī)、液壓支架和刮板輸送機(jī)的動作,以適應(yīng)工作面環(huán)境的變化。簡單來講,監(jiān)控界面觀察工作面環(huán)境變化,遠(yuǎn)程操作臺對三機(jī)相適應(yīng)的控制。目前遠(yuǎn)程控制基本實(shí)現(xiàn)井下遠(yuǎn)程控制和地面遠(yuǎn)程控制,遠(yuǎn)程控制界面如圖3所示。

圖3 智能開采遠(yuǎn)程控制界面Fig.3 Remote control interface of intelligent mining

2.2 智能化開采工程實(shí)踐應(yīng)用

1)黃陵一號煤礦1001工作面中厚煤層智能化開采工程實(shí)踐。1001工作面走向長度約2 210 m,傾向長度235 m,采高1.1 m～2.3 m,屬于近水平煤層,在 1001工作面配套采用 ZY7800/15/30D型液壓支架、MG620/1660-WD型采煤機(jī)、SGZ1000/2×855×855型刮板輸送機(jī)和智能通信系統(tǒng),解決了制約智能化集中控制的通信壁壘,同時在完善的液壓支架電液控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)了液壓支架自動跟機(jī)。為實(shí)現(xiàn)液壓支架在復(fù)雜環(huán)境下能做出及時響應(yīng),大量采集、存儲和分析電液控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù),及時提示支架來壓情況,同時結(jié)合液壓支架高清視頻,實(shí)時監(jiān)測工作面礦壓情況,必要時人工進(jìn)行干預(yù),支架自動跟機(jī)和監(jiān)測情況如圖4所示。

圖4 支架自動跟機(jī)和監(jiān)測情況Fig.4 Automatic follow-up and monitoring of support

2)大同集團(tuán)塔山煤礦特厚煤層智能放煤實(shí)踐應(yīng)用。塔山煤礦煤層15 m左右,煤層傾角小于3°,工作面長度200 m,埋深平均400 m。國家將特厚煤層智能采放協(xié)調(diào)列為“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)項目,對智能放煤和采放協(xié)調(diào)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)。目前塔山礦特厚煤層智能開采已實(shí)現(xiàn)了一鍵啟停工作面所有設(shè)備,實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)自動記憶截割,液壓支架的自動跟機(jī),采煤機(jī)定位,液壓支架的自動放煤,以及縮減人員的階段目標(biāo)。但放煤的時間、放煤的支架數(shù)量、頂煤厚度探測、支架姿態(tài)等關(guān)鍵問題尚未解決,在工程實(shí)踐應(yīng)用上仍需要人工干預(yù)。

3 智能開采亟待解決的問題

1)智能化開采處于初級階段,整體水平不高。雖然智能開采基本實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)記憶截割、液壓支架自動跟機(jī)和遠(yuǎn)距離輔助控制,但遠(yuǎn)距離控制是在人通過監(jiān)控手段發(fā)現(xiàn)問題所采取相應(yīng)的解決措施,并非智能開采系統(tǒng)自主感知、智能識別和自動調(diào)整的結(jié)果,也就是說,在目前智能開采的初級階段,仍然離不開人的因素,且人工干預(yù)率仍然不小。

2)智能開采的精準(zhǔn)性有待提高。智能開采過程中精準(zhǔn)性仍有很多提升空間,如割煤過程中,由于煤塵太大,視頻監(jiān)控不清,導(dǎo)致采煤機(jī)出現(xiàn)割頂情況,如由于采煤機(jī)割煤過程中存在震動,導(dǎo)致安置在采煤機(jī)上的傳感器收集的數(shù)據(jù)存在誤差,基礎(chǔ)數(shù)據(jù)存在問題,處理后的決策也會存在相應(yīng)的問題。另外由于井下控制、監(jiān)控設(shè)備受電源功率、機(jī)器散熱等因素影響,也會影響設(shè)備數(shù)據(jù)采集、融合、分析和處理存在諸多問題,故智能開采的精準(zhǔn)性仍需提高。

3)智能綜采放頂煤研究欠缺。國內(nèi)外對薄煤層、中厚煤層的智能開采研究較多,投入實(shí)踐應(yīng)用的也不少,但對厚煤層、特厚煤層智能綜合機(jī)械開采放頂煤的研究較少,特別是對如何實(shí)現(xiàn)智能放煤、如何實(shí)現(xiàn)智能“采-放”協(xié)調(diào)等問題的研究少之又少,實(shí)現(xiàn)智能綜放過程中也需要解決煤矸識別、頂煤厚度探測等關(guān)鍵問題,這些關(guān)鍵問題目前尚未給出科學(xué)解決方案。

4 技術(shù)解決方案展望

針對智能開采現(xiàn)有水平以及存在的問題,可從以下方向著手研究:1)利用地質(zhì)勘探寫實(shí)信息技術(shù),在工作面順槽掘進(jìn)過程中,將工作面地質(zhì)煤層情況進(jìn)行地質(zhì)勘察,將勘探數(shù)據(jù)描繪為三維模型,為采煤機(jī)、支架、刮板動作提供準(zhǔn)確的三維空間依據(jù)。2)進(jìn)一步發(fā)展高精度導(dǎo)航技術(shù)。視覺找直、激光找直、慣導(dǎo)找直以及LASA找直技術(shù)尚未發(fā)展成熟,仍需進(jìn)一步發(fā)展。另外如何在工作面三維模型下支架姿態(tài)感知、矯正等都需要高精度的要求。

5 結(jié)束語

煤炭智能開采發(fā)展初有成效,目前已基本解決采煤機(jī)記憶截割、液壓支架自動跟架和人工遠(yuǎn)程控制,基本實(shí)現(xiàn)工作面少人、無人開采,但由于處于初級發(fā)展階段,存在智能化水平不高、數(shù)據(jù)采集精度較低、一些關(guān)鍵技術(shù)尚未解決等問題,針對智能開采現(xiàn)有水平及問題應(yīng)進(jìn)行更多的實(shí)踐探索。