智能化采煤工作面監控系統建設研究

吳忠健

（山西焦煤集團西山煤電股份有限公司鎮城底礦，山西 古交 030203）

目前，我國正處于轉型升級和結構調整的關鍵時期，隨著網絡技術與傳統工業的深度融合，各行業正迎來一場深刻、巨大的結構化變革，其中，以智能化產業推動傳統成套裝備的融合、實現產業的轉型升級成為時代熱潮，煤礦開采行業在提高安全、保護環境的大趨勢下，對智能化開采技術與裝備的需求尤為迫切。因此，發展以實現無人化開采為目標的智能技術與裝備發展、提高智能化采煤工作面建設水平，對我國煤礦開采產業具有深遠的意義[1-2]。

鎮城底礦擬建設智能化工作面，為提高智能化工作面監控系統建設管理水平，擬對視頻控制、礦壓監測、工作面三機控制、人員定位以及環境檢測五大系統進行研究實踐，以在整體上構建高效智能的監測監控體系，實現整個工作面的遠程集控智能化運營。

1 工作面視頻控制系統

工作面視頻控制系統是實現工作面智能化生產的“眼睛”，承擔著對整個工作面的監控與記錄工作。工作面視頻控制系統利用工控平臺對視頻圖像數據進行分析識別，獲取工作面煤壁、巷道圍巖、頂板的賦存狀況，同時實現對工作面液壓支架內護幫板、刮板輸送機以及支架底座前端的位置的實時追蹤，基于分析結果，對三機的位置進行適當調整，有效確保設備的平直度，提高工作面與巷道的支護質量與強度。

鎮城底礦22603 工作面采用pm32/vc/eb 型工作面云臺攝像儀，可實現330°旋轉，工作面每5臺支架配備一臺云臺攝像儀，攝像儀安裝于支架的頂梁上。工作面及超前支架攝像儀與控制器直接相連，通過控制器供電和視頻傳輸，利用2pm32/ze/dxm5 型節點交換機、pm32/ze/c3s 型自動化上位機、pm32/ze/x3 視頻主機順槽監控與alz/pc/i40c15d-1 型地面視頻儲存器進行視頻識別與讀取。

工作面視頻控制系統主要由云臺攝像頭與工控平臺兩大系統構成。云臺攝像頭一般安裝在液壓支架頂梁處，攝像頭朝向煤壁，間距一般以四臺支架的距離為宜。云臺攝像頭與提供電能和控制功能的控制器相連，工作面錄攝視頻數據可通過數據傳輸平臺傳遞至工控平臺，實現視頻數據的分析與顯示。工作面視頻控制系統結構示意如圖1。

圖1 工作面視頻控制系統結構示意圖

工作面視頻控制系統主要實現監測工作面設備運行狀況、視頻跟機自動切換、追蹤井下定位人員、通過紅外補光生成高清晰度礦井生產現場視頻資料，并通過對視頻數據的有效分析，生成對工作面的智能化控制指令等功能[3]。工作面視頻控制系統圖像識別功能示意如圖2。

圖2 工作面視頻控制系統圖像識別功能示意圖

2 工作面礦壓監測控制系統

工作面礦壓監測系統是實現工作面智能化生產安全的重要環節，該系統以工控平臺為數據處理中心，通過對工作面支架立柱壓力監測數據、巷道超前支架立柱壓力監測數據和工作面順槽頂板位移傳感器的數據進行綜合統計分析，進而生成礦壓分布曲線，根據歷史礦壓數據，預測工作面頂板初次來壓的周期與強度，實時制定液壓支架支護規劃，實現支護設計的超前性、預見性。

智能工作面礦壓監測控制系統主要由工作面支架壓力傳感器、超前支架壓力傳感器以及巷道頂板位移傳感器三部分構成，系統連接示意如圖3。

圖3 工作面礦壓監測控制系統連接示意圖

工作面礦壓監測控制系統主要實現采集、顯示工作面頂板、超前支護區域巷道頂板壓力情況，設定預警值，對工作面頂板來壓進行預警，以及通過整理分析工作面頂板歷史來壓數據，分析生成對工作面頂板初次來壓與周期來壓的實時預警等功能。

3 工作面環境監測控制系統

工作面環境監測系統是實現智能工作面標準化、安全化生產的“監督員”，通過在工作面安裝各類環境監測儀器，利用數據傳輸平臺將監測數據傳輸至工控平臺，實時反饋各工作面生產環境情況，針對環境異常數據，及時調整設備運行狀態以及開采工藝，確保各指標正常。工作面環境監測系統是實現“數據化管理”、“智能化管理”的重要手段。

工作面環境監測控制系統主要由環境監測傳感器與工控平臺兩大結構組成，其中，環境監測傳感器包括粉塵傳感器、溫度傳感器、CO 傳感器、瓦斯傳感器、風速傳感器等。傳感器安裝在液壓支架上，由控制器直接供電，監測數據由交換機連接傳輸至工控平臺，實現對數據的分析與處理[4]。

工作面環境監測控制系統主要實現監測、顯示煙霧、CO、瓦斯濃度、風速變化、溫度波動等環境參數，通過對超限數據的分析，實現設備的故障閉鎖以及環境與綜采系統的聯動功能。

4 工作面人員定位控制系統

工作面人員定位系統是提高礦井管理水平，確保工作人員施工安全的重要保障，鎮城底礦22603工作面對工作人員配備pm32/rc/id 型人員定位識別卡，采用RFID 射頻技術配合集成器內無線射頻接收裝置使用。人員定位卡配備ntz/acn/lad/b 型人員定位充電器，采用無線的方式進行充電。

礦井工作人員利用RFID 射頻發射器，可與工作面電液控制系統控制器形成雙向通訊，RFID 數據由數據傳輸平臺接入至工控上位機，通過工控平臺對數據進行處理，以此制定出相應的保護措施，確保工作面人員施工作業的安全性。

工作面人員定位控制系統主要由人員無線定位卡、以太網控制器與工控平臺三部分構成。人員定位卡獲取的定位數據通過采用千兆網傳輸速率的交換機連接傳輸至順槽控制室，經由工控平臺進行數據處理，顯示出人員精確的定位情況。工作面人員定位控制系統結構示意如圖4。

圖4 工作面人員定位控制系統結構示意圖

工作面人員定位控制系統主要實現實時監測當前井下人員動態、精確定位工作面、工作面順槽以及超前支架區域范圍工作人員的位置等功能。其中，精確定位工作面與超前支架范圍內人員位置的精度在±20 cm 之間，精確定位工作面兩順槽人員位置的精度在±30 cm 之間。

5 三機控制系統

三機控制系統主要實現就地控制、邏輯控制與智能化控制等功能。工控平臺能夠顯示三機運行狀態、電流大小、皮帶啟停狀態、煙霧報警、減速機油溫油位以及語音閉鎖情況等設備運行狀態，進而實現刮板輸送機、順槽轉載機、破碎機的集成控制功能。其控制模式主要有自動化模式、單機模式和維修保護模式三種。其中，自動化模式主要實現設備的一鍵啟停機功能，設備啟動順序為：語音報警→順槽皮帶→破碎機→順槽轉載機→刮板輸送機；設備停機順序為：語音報警→刮板輸送機→順槽轉載機→破碎機→順槽皮帶。單機模式主要實現設備聯鎖時，工控平臺對刮板輸送機、順槽轉載機以及順槽皮帶的直接控制。維修保護模式主要實現設備無聯鎖時，工控平臺對刮板輸送機、順槽轉載機以及順槽皮帶的直接控制[5]。

此外，工控平臺能夠實時監測刮板機電機的電流，實現實時預警，確保三機的運行安全。當工作面煤巖體出現大面積冒落、片幫時，煤巖體會在瞬間堆積在輸送機上，造成輸送機功率驟增，易引起運輸機的過載損壞。而通過工控平臺監測功能，能夠有效防止設備損壞事故，當監測到輸送機功率過載時，系統能夠自動降低采煤機的推進速度，停止輸送機的運行狀態，并通過語音預警，提醒維護工作人員對故障進行處理，降低設備故障率。

6 實踐效果

通過在鎮城底礦22603 工作面構建以智能化監測監控的智慧礦山運營體系，利用視頻控制系統、礦壓監測系統、人員定位系統、環境監測系統以及工作面三機控制系統五大板塊進行現場實踐，實現了綜采工作面自行感知、決策及生產設備自動協調聯動等智能化監控、生產模式。工作面回采期間，五大系統緊密配合，信息反饋及時，工作面日割煤效率提高了20%左右，生產效率大大提高，各類安全隱患、事故發生的頻率大大降低。

7 結語

為全面加快智能化工作面建設步伐，推動高產、高效煤炭開采，基于我國當前推廣應用的可視化遠程干預智能化采煤模式，提出智能化采煤工作面監測監控系統建設方案，通過建設工作面視頻控制系統、工作面礦壓監測系統、工作面環境監測系統、工作面人員定位系統以及三機控制系統，力求構建高效智能的開采生產體系，實現整個工作面的遠程集控智能化運營。