“解放”井下采煤工人

黃曾華

目前，我國煤礦安全形勢依舊嚴峻，綜采工作面仍是事故高發地。2013年，我國煤礦共發生頂板事故274起、死亡325人，分別占煤礦事故總量的45.4%和30.5%;較大頂板事故8起，采煤工作面占4起;瓦斯事故死亡348人，占事故總量的32.6%，重大以上瓦斯事故10起，采煤工作面占7起。

在特別危險、環境特別惡劣的綜采工作面，減少用人，甚至不用人，實現少人或無人開采，直接減少采煤工作面的人員數量是減少人員傷亡、保障安全的重要手段，由發生事故后被動的人員救險轉變為主動地減少井下用工人數，在業內漸漸形成了共識——“無人則安”。中國煤炭科工集團下屬的北京天地瑪珂電液控制系統有限公司（簡稱“天地瑪珂公司”）開展的“綜采工作面無人化開采技術”研究，旨在解決綜采工作面無人化開采的難題，以“解放”井下采煤工人。

項目研究背景

安全生產的迫切要求

煤礦井下綜采工作面是一個高危險的生產環境，空間局限、溫度高、濕度大、煤灰重、大功率設備多且工況復雜。尤其在薄及較薄煤層，“工人時而弓身前進，時而雙膝跪地，在鋼鐵和巖石之間爬行。當采煤機行進速度較快時，人員跟機作業困難，勞動強度很大。”工人在工作面近距離操作，噪聲、粉塵等職業危害因素會對工人身體健康帶來損害，迫切需要將工人從高危的生產環境中解放出來。

高產高效生產的需要

煤礦開采過程復雜，各種設備作業條件也復雜，動作多，且對動作順序、準確性、響應速度等要求高。綜采設備系統龐大，由液壓支架、采煤機、刮板輸送機等多達幾十種、近300臺設備組成，現有裝備控制方式分散、可靠性低，不能實現快速、準確的配合，無法充分發揮設備性能，開采效率低。而且，現有裝備獲取的圍巖、環境參數不夠全面，操作以人為經驗判斷為主，容易出現設備損壞、安全隱患和增加煤炭損失等問題。

因此，開展“綜采工作面無人化開采技術”研究就顯得尤為重要和迫切。本研究項目成功減少了采煤工作面惡劣環境下操作人員的數量，改善了回采工作面的安全生產條件，降低了操作工人的勞動強度，提高了生產效率，在同等地質、生產技術條件下可提高煤礦的產量和經濟效益，滿足了國民經濟發展對能源的需求。該研究項目的實施成果將縮小與先進國家在無人化開采方面的差距，提升我國煤礦綜采工作面的自動化水平。

研究過程

經過多年探索，天地瑪珂公司在無人化開采技術方面采取了“兩步走”的技術路線：第一步可視遠程干預無人化開采（目前已實現）;第二步智能自適應無人化開采（進一步探索中）。（見圖1）

可視遠程干預無人化開采。采用擬人手法，把人的視覺、聽覺延伸到工作面，將工人從工作面解放到監控中心，實現在監控中心對設備的遠程操控，達到工作面無人化開采的目的。可視遠程干預無人化開采是在當前煤礦自動化、智能化技術水平較低，關鍵設備如采煤機還不能自適應自主割煤、液壓支架還不能自適應圍巖的情況下，當地質條件發生變化或個別設備異常時需要進行人工干預、調整。

智能自適應無人化開采。突破綜采工作面惡劣環境下信息安全傳輸、煤巖識別、工作面直線度控制、綜采設備姿態定位、安全感知、視頻監控、遠程控制等多種技術，形成集檢測、控制、視頻、音頻、通信于一體的綜采工作面智能控制體系（見圖2），確保綜采設備連續、協調、高效、安全運行，實現工作面生產過程智能化、管理信息化、操作無人化。隨著技術的進一步發展，當有更多的工作面條件、地質情況、設備信息可以被采集到，同時采煤機、液壓支架的智能化控制技術有更大突破時，將有希望實現不需人工干預的智能自適應無人化開采。

“綜采工作面無人化開采技術”研究項目以可視遠程干預無人化開采為主線，開展了“以采煤機記憶截割、液壓支架自動跟機及順槽可視化遠程遙控為基礎，以成套裝備控制系統為支撐，以自適應采煤工藝、融合 ‘人、機、環、管過程數據的控制軟件為核心，實現自動采高調整、斜切進刀、連續推進等功能”的綜采工作面無人化開采模式。通過自動化、智能化技術手段，將工人從工作面解放到順槽監控中心，實現工作面安全、高效開采，做到采煤過程中工作面內無人。

監控中心。采用人機工效學原理，設計并研制了符合“人機交互”行為的一體式監控中心。操作者只需坐在監控中心，即可通過顯示器觀察到工作面的情況，通過語音通信進行調度、聯絡，通過操作臺遠程操控工作面上的相應設備，實施工作面生產系統協調集中控制功能。（見圖3）

工作面網絡傳輸技術。建立工業以太網與現場總線深度融合的網絡傳輸系統，利用工作面綜合接入器和交換機，使工作面的以太網連接到巷道監控中心和地面網絡，實現工作面設備和綜采工作面自動化控制系統同一個網絡平臺的信息傳輸，從而實現工作面數字語音、視頻和數據的三網合一;同時，將WIFI技術和工作面以太網有機結合起來，有效解決礦井無線通信問題，使一些通信比較困難區域的設備能夠實現無線接入，從而為煤礦的安全生產提供有力保障。

工作面視頻技術。建立跟隨采煤機行走的低照度、高清晰無縫視頻系統，完成對工作面空間整體情況的視頻監控功能。利用礦用夜視、低照度高清晰的本安型網絡攝像頭完成低照度或無光源的情況下高清晰度視頻攝像，利用綜合接入器對復合視頻信號的數字化處理、壓縮、數據交換處理，通過以太網TCP/IP協議傳輸到巷道監控中心并自動推送給操作員。

綜采工作面關鍵智能裝備姿態感知技術。通過安裝在智能裝備上的傾角傳感器、水平位移傳感器、光纖陀螺儀等儀器，實時感知液壓支架的三維姿態和高度測量、采煤機和刮板輸送機的二維姿態，為自動化控制系統的決策提供依據，解決了煤壁防片幫、液壓支架姿態自適應、采煤機滾筒與頂梁、護幫防干涉等功能。

遠程控制技術。采用擬人手法，把人的視覺、聽覺延伸到工作面，將工人從工作面“解放”出來。操作員根據獲取的信息，通過地面遠程操作臺實現對綜采設備遠程在線控制和集中調度，達到遠程控制的目的。

成果應用

該系統在陜煤集團紅柳林煤礦7.2 m大采高工作面完成了工程示范，并在神華寧煤、陽煤等復雜條件中厚煤層，冀中能源、陜煤黃陵、同煤薄煤層，中煤平朔放頂煤等15個工作面推廣應用，取得了顯著效益。

陜煤化集團黃陵礦業有限公司一號煤礦1001工作面是推廣應用的典型案例，率先實現了地面調度指揮中心遠程操控。綜采工作面由原來的11人聯合作業遞減至3人隨機監護，做到了綜采工作面遠程控制無人開采，開創了國產裝備工作面無人化的先河。該工作面正式投運以來，整套生產系統運行實現了常態無人化，穩定可靠，取得日連續推進16刀的最高記錄，具備了年產煤炭200萬t能力，實現了減人提效。此項目的成功應用，改變了工人的作業模式，改善了工人的作業環境，對提高生產效率、降低工人勞動強度、減少職業危害、加強現場安全管理具有重要意義，為我國綜采工作面無人化開采，尤其為薄及較薄煤層工作面無人化、少人化開采提供了一條切實可行的路子。

2014年，中國煤炭工業協會組織專家對“1.4～2.2 m煤層國產綜采裝備無人化技術研究與應用”項目進行了科技成果鑒定，整體技術達到國際領先水平。

發展前景

據不完全統計，我國綜采工作面數量將近3 000個，其中使用液壓支架電液控制系統的工作面大概有450個，占15%，每年新增液壓支架電液控制系統的工作面近100個，而這些工作面都是實現無人化開采的基礎。

天地瑪珂公司在不斷完善可視遠程干預無人化開采的基礎上，繼續探索智能自適應無人化開采技術，預計在未來幾年， 隨著煤巖界面識別、自動找直、推進度控制等關鍵技術問題得到逐步解決，無人化開采的應用將按照以下兩種方式逐步推廣。

在少量地質條件很好的礦井開始實現智能自適應的無人開采，采煤生產班順槽控制中心有值班人員值守，系統自動運行（特殊情況下少量干預）、工作面采場內沒有人員。

在較大數量的地質條件較好的礦井，采用遠程干預式的少（無）人化開采，采煤生產班順槽控制中心控制人員，通過自動控制系統實時監視、干預、控制主要生產設備，工作面采場內只需要有一個不需要進行生產操作的巡檢人員。

實習編輯 ? 趙 原endprint