麻地梁煤礦智能化開采研究

許日杰， 楊科， 吳勁松， 闞磊

(1.安徽理工大學 深部煤礦采動響應與災害防控國家重點實驗室，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學 煤炭安全精準開采國家地方聯合工程研究中心，安徽 淮南 232001；3.安徽理工大學 煤礦安全高效開采省部共建教育部重點實驗室，安徽 淮南 232001；4.內蒙古智能煤炭有限責任公司 麻地梁煤礦，內蒙古 鄂爾多斯 010499)

0 引言

煤炭是我國的主要能源，在2020年一次能源消費中占比約為56.7%，且中國工程院預測到2050年仍將占我國一次能源消費的50%左右[1-2]。近年來煤炭淺部資源逐漸枯竭，開采深度不斷加大，地質災害頻發，因此，實現煤炭安全智能精準開采，是當下亟需解決的問題。

我國煤炭開采經歷了人力或簡單機械、初步機械化、綜合機械化、自動化和智能化5個階段[3]。目前處于智能化開采初級階段，主要有單機自主作業、數據實時更新上傳和人員遠程干預3個特點。伴隨5G通信、大數據、物聯網等新一代信息技術的重大突破，煤礦開采模式由自動化向智能化升級轉型得到了技術支撐。智能化開采是在自動化開采中增加智能感知、智能決策和智能控制三要素[4]，實現設備實時感知與分析工作環境，以及自主決策和控制，以達到工作環境變化情況下設備自適應調整的目的。

目前，國內外專家學者已對煤炭智能化開采進行了廣泛探索和研究，并取得了豐富成果。毛善君等[5]采用國產高精度光纖慣性陀螺儀導航(簡稱慣導)系統和測量機器人實現了工作面精準定位，并采用GIS+BIM(Building Information Modeling，建筑信息模型)等技術構建了透明綜采工作面，為采煤機自適應截割提供了地質保障。張建國等[6]探索了深部復雜條件下智能開采技術，實現了遠程控制操作采煤，為深部煤層智能化建設提供了借鑒。葛世榮等[7]針對智能工作面開采難題之一的采煤機記憶截割問題，通過精細化導航地圖，結合截割狀態的聲波、搖臂振動、截齒溫度等多重監測參數，基本實現了采煤機自適應記憶截割功能。馬宏偉等[8]針對井下智能掘進難題，提出了智能定形截割與自適應截割控制技術，并通過平行控制系統解決了掘、支、鉆、錨、運等多系統協同控制問題。王家臣等[9]闡述了美國煤炭開采發展歷程，總結了美國現階段自動化開采技術，可為當前我國煤礦智能化建設提供借鑒。毛馨凱等[10]針對煤礦井下4G網絡高時延、低帶寬的缺點，提出5G應用方案、場景和意義，解決了井下高清畫面數據傳輸問題，使遠程控制具有可行性。王國法等[11]總結了現階段我國煤炭智能化開采存在的十大問題，并提出了相應對策和任務，為后續智能化建設研究提供了方向。

上述成果對煤礦智能化建設具有一定的指導意義，但并未結合生產實踐具體闡述智能化開采關鍵技術在煤礦的應用情況和取得的成果。本文以內蒙古智能煤炭有限責任公司麻地梁煤礦為工程背景，基于“管設備就是管生產，管數據就是管設備”的生產理念，對麻地梁煤礦智能化開采建設成果——十大智慧系統進行研究，為后續煤礦智能化建設提供借鑒。

1 智能化開采工程背景

麻地梁煤礦位于內蒙古自治區準格爾旗境內，設計生產能力為500萬t/a。礦井現主采5號煤層，煤層可采厚度為0.80～16.07 m，瓦斯含量低，水文地質條件中等，采用綜采放頂煤走向長壁后退式開采，507綜放工作面為本煤層智能化開采工作面，液壓支架型號為ZF23600/29/45D，采煤機型號為MG900/2400-QWD，刮板輸送機型號為SGZ1000/2×1200。

為解決傳統煤礦企業招人難及井下工人勞動強度大、幸福感低、工作環境惡劣等問題，麻地梁煤礦決定開展煤礦智能化建設。通過調研國內外智能化開采關鍵技術，并與設備生產廠家共同攻關智能化建設難題，對智能化礦井建設進行初步探索與實踐，實現了以設備自主感知、分析、決策、控制為主，人員遠程干預為輔的開采模式，如圖1所示。

圖1 麻地梁煤礦智能化開采模式

2 煤炭開采十大智慧系統

麻地梁煤礦針對傳統的現場管理、生產通信、交通運輸、配件存儲、人員辦公、生產銷售、開采掘進、設備檢修等模式，提出了煤炭開采十大智慧系統(圖2)，初步實現了煤炭安全高效智能開采。

圖2 麻地梁煤礦十大智慧系統

2.1 智能調度遠程集控系統

針對傳統的煤礦井下視頻實時傳輸和通信難題，麻地梁煤礦利用5G、大數據、工業環網、物聯網等新一代信息技術，建設礦井智能調度遠程集控系統(圖3)，并在煤礦井下各生產作業地點布置高清攝像頭，以工作面、帶式輸送機等常見作業場景為基礎，建立多個業務監控子系統，采用終端設備對作業場景進行24 h視頻采集，通過統一通信協議標準的多層次通信網絡將采集數據實時上傳至地面，利用人工智能服務技術，對各個場景中的作業行為進行分析，實現井下設備無死角、全視頻通信調度及全視頻監控等功能，將監控與預警覆蓋礦井所有環節，以較低成本和較少人員完成高質量管理，做到礦井作業指揮有序且不產生部門間的沖突，保障煤礦安全生產。

圖3 智能調度遠程集控系統

2.2 設備智能預警與遠程會診系統

我國目前建有多處智能化開采礦井，但“兩班生產、一班檢修”的傳統工作制度并沒有改變，機電設備檢修依舊依賴人工。基于設備全生命周期管理、設備智能巡檢和設備遠程會診3個子系統，麻地梁煤礦實現了設備定期維護和零部件到期更換，取消檢修班，變生產管理為數據管理，解放了大量生產勞動力。

(1)設備全生命周期管理系統。設備安裝有故障監測與診斷系統，對設備運行關鍵數據進行監測分析，實現設備健康狀況實時診斷和預警。當數據出現異常時，及時報警并通知相關人員，對設備進行有針對性的維護和檢修。

(2)設備智能巡檢系統。在井下各關鍵地點設置相應的智能巡檢機器人，采集巷道及工作面內高清與紅外圖像，并將信息實時傳輸至地面，技術人員可在地面判斷設備運行及周邊環境狀況。

(3)設備遠程會診系統。建立煤礦與設備生產廠家合作平臺，成立專家小組。當出現無法處理的故障時，通過平臺與廠家技術人員進行遠程會診(圖4)，共享設備運行現場狀況及運行參數等信息，對設備故障進行及時有效的處理。

圖4 設備遠程會診

2.3 智能采煤系統

傳統煤礦采煤工作面機械噪聲大、粉塵濃度高、事故發生頻繁，人員健康受到嚴重威脅。麻地梁煤礦通過5G、記憶截割、遠程干預等技術，將人員從工作面解放出來，實現了以工作面采煤作業設備自主控制為主、人工遠程干預為輔的生產模式，每班減少15人，工作面實際需用5～6人，達到了減人增效的目的。

(1)5G技術。智能化開采需采集大量傳感數據與視頻監控數據。為滿足數據傳輸要求，麻地梁煤礦通過拉遠部署基站，采取外置天線朝2個方向覆蓋方式對基站進行安裝，數據傳輸以采煤機→CPE(Customer Premise Equipmen，客戶前置設備)→5G網絡→MEC(Mobile Edge Computing，移動邊緣計算)服務器→CPE→采煤機控制器的方式，實現采煤機5G通信組網應用，并通過5G網絡切片技術，靈活應對工作面不同網絡應用場景。

(2)記憶截割技術。通過慣導、采煤機搖臂及牽引部傳感器實時采集采煤機姿態、位置、開采高度、行走速度、機身傾角等關鍵數據，技術人員通過遙控完成1個示范割煤循環后，采煤機進入記憶截割模式，根據示范刀所存儲的割煤數據實現記憶截割功能。

(3)遠程干預技術。采煤機配備CS-Rlink采煤機用 5G 冗余網絡控制裝置，借助井下高清云臺攝像頭，并基于5G高帶寬、低時延的優點，通過工作面監控界面實時反饋工作面生產情況，通過采煤機監控界面實時分析處理采煤機軌跡、采煤機速度、左右截割高度、截齒溫度、截割電動機電流等工況數據。當開采環境發生變化且設備無法自主決策控制時，工作人員在地面集控中心通過采煤機操作臺進行遠程干預，對截割路線及采煤工藝進行修改，實現采煤機遠程控制功能，保證工作面安全高效生產。采煤機遠程干預如圖5所示。

(a)遠程干預架構

2.4 智能掘進系統

現階段煤礦掘進工作面智能化建設程度遠低于采煤工作面，采掘易發生失衡[12]。麻地梁煤礦智能掘進系統(圖6)采用多向傳感器實時精準測量掘進機機身的三維坐標位置、航偏角、俯仰角、橫滾角等位姿信息，通過全站儀指明設備導航路線，利用慣導裝置實現自主糾偏，巷道按路徑精準成形，并通過5G技術使人員在地面遠程精準控制，實現自動定位、記憶截割、故障自診斷、近地遙控及超遠可視操控等功能，在不降低掘進月單進水平的基礎上，實現掘進作業無人化、錨護作業少人化。

(a)掘進機遠程控制界面

2.5 智能膠帶運輸系統

在傳統煤炭運輸過程中，受開采煤量不均勻因素影響，帶式輸送機常發生空轉、過載、跑偏現象，造成設備損壞或電能浪費，不利于煤炭綠色智能運輸。麻地梁煤礦在主運輸巷布置帶式輸送機智能巡檢機器人(圖7)，其前端裝有礦用本安型網絡攝像機和探照燈，下部裝有可伸縮相機提升架和紅外熱成像相機。地面監測中心接收機器人采集的實時圖像，建立基礎圖像數據庫，并對實時圖像進行數字化計算、處理、分析和比較學習，生成預判結果，實現對帶式輸送機運行狀況的實時監測。當發生膠帶跑偏、堆煤、有異物、咬邊撕邊等異常情況時，機器人及時發出警報。機器人配備無線充電裝置，保障了設備續航能力。智能巡檢機器人的應用代替了傳統人工巡檢，減少了因人員視覺疲勞、注意力不集中、態度消極等因素造成的問題。

圖7 帶式輸送機智能巡檢機器人

2.6 無人值守一體化煤質運銷管控系統

無人值守一體化煤質運銷管控系統設置進門管理、遠程計量、遠程裝車、出門管理、運銷信息管理5個子系統，分別解決傳統運銷中車輛入礦、稱重、裝車、出礦、數據處理與統計問題，實現了運輸車輛入礦、裝車、打票等全過程無人值守，信息發布、合同訂立、派單、搶單等全部線上進行，生產計劃根據運輸計劃實時調整，取消了井底煤倉，簡化了生產系統，運輸全過程“不見煤”，減少了安全隱患，實踐了“以銷定產、產銷聯動”管理模式，杜絕了虧卡銷售情況。

2.7 智能交通安全管控系統

針對輔助運輸安全問題，礦井設置門禁系統、紅綠燈及聲光報警系統、定位監控系統，實時監控井下車輛與人員，由傳統人工管控升級為系統管控，保障輔助運輸本質安全。

(1)門禁系統。無軌膠輪車入井時自動對其進行“四超”(超長、超寬、超高、超重)檢測，不合格無法入井。

(2)紅綠燈及聲光報警系統。合理安裝紅綠燈及聲光報警系統是保證運輸安全的關鍵因素，在井下各聯巷口及重要地點安裝紅綠燈及聲光報警系統，根據車輛定位系統數據及“先入為主”原則，實時控制紅綠燈顯示模式，避免彎道處車輛會車、堵車甚至碰撞。

(3)定位監控系統。對入井車輛及人員配備定位卡，結合井下布置的檢測基站和控制系統，共同構成人車定位監控系統，實時顯示人員、車輛的位置及速度，通過系統計算和分析，自動記錄違章運行的車輛及人員。

2.8 互聯網+遠程辦公系統

傳統辦公模式文件審批、簽字流程復雜，效率低，鑒此，礦井提出互聯網+遠程辦公系統，實行無紙化遠程辦公，打造居家辦公模式，系統涵蓋煤炭生產、銷售、后勤等領域，實現了礦山管理的線上化與智能化。2020年疫情期間，僅110名在崗人員就完成了日產原煤1.8萬t的生產計劃。

2.9 物聯網+智能倉儲快遞服務系統

傳統煤礦物料儲存占地空間大，倉儲和物流均由人工管理，耗時長且效率低。通過礦井精確定位、AGV(Automated Guided Vehicle，自動導向車)智能機器人、物聯網等技術，將物品在入庫、出庫、運輸過程中的信息錄入數據網絡，使平面倉庫立體化，提升倉容，增加貨位，并取代傳統的人力操作，實現倉儲作業智能化。麻地梁煤礦僅需1名庫管員及3名下料人員(含司機)，即可完成整個礦井物料購買、存儲及配送需求，降低了企業對人力成本的投入。

2.10 智能通風系統

傳統煤礦井下通風通過人工調節，若操作不當，有可能在極短時間內造成作業地點新鮮風量不足及有害氣體積聚等危害。麻地梁煤礦智能通風系統基于現有的通風監控系統，構建數據實時傳輸的監測模塊，保證井下各風流數據時刻在系統監測之內；決策模塊通過專屬網絡通道接收風流數據，利用模塊內置算法對比風流、風壓等關鍵指標是否在礦井風流安全指標合理的波動值之間，根據計算結果提出風流調節方案；控制模塊通過接收風流調節方案遠程控制氣動風門、氣動風窗、局部通風機等通風設施，改變風流方向和大小，使礦井通風滿足生產需求、通風系統保持動態最佳及有害氣體濃度降到安全水平，實現煤礦通風節能化與智能化。

3 智能化開采現存問題與展望

麻地梁煤礦十大智慧系統實現了煤炭安全高效生產，大幅減少了高危作業崗位，取消了傳統檢修班與井底煤倉，簡化了生產作業流程，提高了生產與運輸效率，降低了噸煤能耗，取得了良好的經濟效益，對于煤層賦存條件類似礦井具有較高的借鑒與指導價值。但現階段煤礦智能化開采仍存在許多關鍵性問題需要解決。

(1)思想理念亟需轉變。現階段我國智能煤礦工人及領導以前大多從事傳統煤礦工作，思想理念保守，不愿創新，不信任智能化設備，認為工作面等場所人越多越不會出錯，這與我國推進智能化開采初衷背道而馳，工人及領導的思想亟需轉變。

(2)智能化開采前期投入大，投入產出比不平衡。智能化開采短期收益不明顯，部分煤礦對智能化開采持觀望態度，甚至覺得這是“面子工程”，導致智能化建設意愿不強烈。為推廣智能化開采模式，迫切需要客觀、專業、真實反映煤礦智能化投入與效益的評價方法。

(3)開采模式適應性差。現階段我國有多處智能化開采礦井，但其開采模式僅在與其相似的地質條件下適用，在煤層賦存簡單的礦井效果較好，但在煤層傾角大、起伏變化大、高瓦斯、高地應力、圍巖條件差等條件下的礦井無法實現智能化開采。

(4)人才培養體系不健全。我國智能化開采起步較晚，目前僅有部分高校開設相關專業，且尚未形成清晰明確的培養體系。智能化開采需將設備與人工智能、大數據、工業物聯網等技術深度融合[13]，高校如何培養復合型人才問題亟需解決。

(5)關鍵技術創新不夠。關鍵零部件現仍需進口，需加大研發力度。井下工作面作業環境惡劣，高清攝像儀易受到水霧、粉塵等因素影響[14]，導致地面集控中心人員無法實時有效地掌握工作面開采狀態，需對視覺算法及圖像處理進行優化設計。

針對上述問題，在煤礦智能化開采建設中需進一步增強智能子系統間的相互協同性，使智能化開采模式不受限于煤層賦存條件；推進智能機器人研究，代替井下工人作業；提高設備自主感知、分析、決策能力，滿足自主作業要求；構建智能煤礦頂層架構與大數據應用中心，實現煤炭智能開采、智能運輸與智能銷售，提高礦井生產效率，保障工人生命安全，達成井下無人(少人)開采目標。

4 結論

(1)麻地梁煤礦基于“管設備就是管生產，管數據就是管設備”的生產理念，提倡井下無人或少人生產，變傳統經驗管理為數據管理，打破傳統生產模式，提出十大智慧系統，為其他礦井智能化建設提供指導和實踐經驗。

(2)麻地梁煤礦通過5G、記憶截割、遠程干預等技術，實現了以工作面設備自主決策控制為主、人員遠程干預為輔的生產模式；基于智能運輸、無人值守煤質運銷管控等系統，取消了井底煤倉，煤炭銷售“不見煤”，實現了煤炭零虧卡銷售和煤炭運輸的簡單化、節能化及智能化；針對傳統煤礦隱疾——檢修班，以全生命周期管理、智能巡檢和遠程會診3個子系統打破常規煤礦三班作業制度，變生產管理為數據管理，取消了檢修班，極大改善了煤礦工人的工作環境。