蘭花寶欣煤業掘進工作面智能化建設應用探索

李東東

（山西古縣蘭花寶欣煤業有限公司，山西 臨汾 042405）

引言

隨著煤礦開采朝著縱深方向發展，開采環境變得越來越復雜，瓦斯、突水、塌陷等安全風險越來越大，提升了煤礦開采過程的難度[1-2]。近兩年國家發改委和國家礦山安全監察局等部門先后頒布了《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》和《煤礦智能化建設指南（2021版）》等文件，目的在于加快我國煤礦領域的技術變革，實現煤礦產業升級，為煤礦的安全、可靠、高效率生產打下堅實的基礎[3]。可見，煤礦工作面的智能化建設是未來發展的必然趨勢。在這樣的背景下，我國各大煤礦企業紛紛開始智能化建設，已經取得了初步的效果[4]。蘭花寶欣煤業多年前在掘進工作面中進行智能化布局，部分成果已經在工程實踐中得到應用。本文主要以蘭花寶欣煤業掘進工作面智能化建設為案例，對相關技術進行探索，對于促進煤礦智能化建設具有一定的現實意義。

1 掘進工作面智能化系統整體方案及研究

1.1 智能化系統整體方案

本文主要對山西古縣蘭花寶欣煤業在掘進工作面智能化建設方面進行探索分析。如圖1所示為結合實際情況設計的掘進工作面智能化控制系統的整體方案框圖。由圖1可知，整個控制系統可以分為3個分系統，分別為圍巖探測、生產控制和視頻監控系統，每個系統都對應有智能化建設方向，其中生產系統又包括掘進機智能化、錨桿支護智能化和運輸系統智能化。另外，所有的智能化監測和控制過程需要通過電液控制系統來實現。

1.2 掘進智能化研究方法及關鍵技術

如圖2所示為智能化掘進關鍵技術及研究方法。可以看出，在開展掘進工作面智能化建設過程中，采用的研究方法主要包括現場調研、理論分析、數值模擬以及現場試驗研究。涉及到的關鍵技術與內容主要包括掘進機設備本身的智能化技術、掘進工藝過程的智能化控制技術、錨桿錨索支護智能化監測、運輸過程的智能化技術等。所有智能化技術在正式應用前，都需要在工作面中開展小范圍的試驗應用工作，經測試確保系統能夠可靠穩定運行后才能夠正式投入使用。

圖1 掘進工作面智能化系統的整體方案框圖

圖2 智能化掘進關鍵技術及研究方法

2 主要技術的詳細介紹

2.1 集控中心系統

為了達到遠程監控與操作的效果，除在井下設置集中控制中心外，在地面還專門設置調度中心。位于地面的調度中心，設置1臺智能化主機，配備兩臺27寸顯示器，其中1臺專門顯示掘進工作面的工作動態數據，1臺專門顯示井下各種監控視頻，設置1臺有web服務器，智能終端可通過研發的APP查看掘進工作面的情況。井下集中控制中心設置有2臺工控機以及2臺27寸顯示器，井上和井下之間通過工業以太網實現數據信息交互，確保井上和井下控制中心數據保持同步。控制中心可對各種傳感器檢測到的數據信息進行綜合分析研判，及時發現掘進工作面生產過程中存在的故障問題和安全隱患。一旦出現問題，系統會向外發出警報，不僅在顯示器中進行彈窗警告，還發出聲光警報。如圖3所示為集控中心系統的結構示意圖。

圖3 集控中心系統的結構示意圖

2.2 掘進機的智能化

蘭花寶欣煤業中使用的掘進機型號為EBZ200S，掘進機正常工作時共包含3個主要的動作，分別為向前掘進、擺動截割以及后退收煤[5]。掘進機智能化主要是基于先進的智能化傳感器以及智能化算法，對掘進機設備的運行狀態進行感知，從而實現巷道掘進過程的自動精確成形，如圖4所示為掘進機智能化技術主要框架圖。由圖可知，智能化感知主要包含三部分內容，分別為位姿感知、成形感知、狀態感知。

圖4 掘進機智能化技術主要框架圖

位姿感知主要是對掘進機的位置和姿態進行智能化感知，是實現設備智能化運行的基礎和前提[6]。包括靜態和動態載荷下的位姿感知、位姿的智能化糾正，即出現位姿偏差后能夠及時進行糾偏處理。開展位姿感知工作時需要使用捷聯慣導技術及對應的位姿解算算法。成形感知是掘進機智能化中的關鍵和核心部分，要求智能化系統能夠充分結合工作面實際情況，對截割頭的軌跡進行科學合理規劃，在截割過程中對煤巖硬度進行自動化識別，對截割過程進行自適應截割。遇到較硬的煤巖時，可以適當降低掘進和截割速度，對電機和截割頭進行保護。相反的，如果煤巖相對較軟時，為提升掘進效率，可以適當提升截割和掘進速度。截割時利用先進的數字測量技術和激光測距技術對截割斷面尺寸進行檢測，將其與設定的規格尺寸進行對比，根據結果對截割頭的位置進行實時調整，實現對截割斷面尺寸的精確控制，提升截割質量。

掘進機是一個非常復雜龐大的機電系統，內部包含很多機械結構和機電系統。狀態感知主要是利用傳感器對設備的工作狀態進行檢測，基于檢測結果判斷設備的健康狀態，及時發現設備運行中存在的安全隱患和故障問題。狀態感知還需要考慮信號失效及極端工作條件下的掘進機位置和姿態感知問題，確保設備在特殊情況下仍然可以安全運行。

3 掘進工作面智能化應用效果分析

蘭花寶欣煤業通過大力開展掘進工作面智能化建設工作，取得了很好的效益。

3.1 安全效益

完成掘進工作面智能化建設工作后，對于很多設備都可以通過遠程方式進行控制，從而將人員放置在更加安全的控制室中對設備進行操作，可有效隔絕操作人員與工作面大量粉塵的接觸，為人員健康奠定了良好的基礎。另外，掘進工作面是比較危險的區域，實現無人化掘進可以有效保障工作人員的生命安全，為煤礦企業創造的安全效益是不可估量的。

3.2 社會效益

掘進工作面智能化建設是社會發展的必然趨勢，是順應煤礦行業發展的必然要求，也是“以人民為中心”的重要體現形式。蘭花寶欣煤業通過智能化建設使煤礦工人的勞動強度得到明顯改善，也為整個煤礦行業的智能化發展作出了貢獻。

3.3 經濟效益

通過掘進工作面智能化建設使得掘進效率得到明顯提升，由前期的160 m/月提升到了現在的200 m/月，顯著縮短了工作面掘進周期，為煤礦開采效率的提升創造了很好的基礎。同時，勞動工效也得到明顯加強。未建設掘進智能化工作面前，勞動工效平均為2.5 m/（人·月），而目前勞動工效提升到了約4 m/（人·月）。意味著在工人數量相同的情況下，完成的工作量更多，可以為煤礦企業節省大量的勞動力成本。

4 結語

本文主要以蘭花寶欣煤業為研究對象，對其掘進機工作面的智能化建設情況進行了簡要介紹。目前智能化控制系統共包含三大方面的內容，分別為圍巖探測系統、生產控制系統以及視頻監控系統。在開展智能化建設時需要在做好現場調研的基礎上，結合理論分析、數值模擬和實驗研究等方法開展工作。重點對集控中心系統和EBZ200S掘進機智能化技術進行了研究。通過在掘進工作面開展智能化建設工作，給蘭花寶欣煤業帶來了很好的安全效益、社會效益以及經濟效益。不僅極大提升了礦井的安全性，同時使掘進效率顯著提升。