煤礦開采裝備智能化技術的應用研究

吳前進

（沁和能源集團有限公司永安煤礦，山西 晉城 048205）

1 煤礦區裝備智能化技術路線

煤礦開采裝備智能化技術是智慧礦山的核心技術之一，煤礦區裝備智能化技術主要是通過對煤礦環境狀態和設備運行狀態的實時、準確采集，采用數據分析技術，對其采集的數據進行深入的關聯性分析，數據分析的結果能夠指導自主決策系統，使得對煤礦裝備發出控制指令，同時，根據設備的運行狀態，智能控制系統對所做的決策進行深度學習，優化自身算法，包括感知層、網絡層、數據層、決策層及應用層。

1）感知層：對外界及自身狀態的準確感知是煤礦區裝備智能化技術的基礎，感知層是采集設備及外界的環境狀態信息，將機器不可識別的模擬量信息轉變為可識別的數字量信息，通常采用傳感器圖像識別技術、二維碼、標簽及智能儀表等狀態采集手段。隨著煤礦區智能化裝備設備感知要求的準確性及多樣性的逐漸提高，煤礦區圖像識別技術及多傳感器融合技術已成為煤礦區裝備智能化的核心技術之一。

2）網絡層：網絡層是將各單機、單獨傳感器采集到的數據信息進行傳輸，網絡層通常采用工業以太網、光纖、WSN及WLLAN等手段，完成單機設備的通訊、控制及反饋。

3）數據層：數據層是將各單機傳輸的數據進行匯總、整理及分析，通過對數據的挖據和分析，能夠將生產過程中產生的雜亂、無用的數據，轉化為可理解的、有用的數據，包括數據倉庫、數據挖掘、數據關聯及數據成長等手段。

4）決策層：決策層是對傳輸的數據進行分析和處理之后，以此為根據，對現在的狀態進行判斷，并對整體系統進行綜合的決策，決策層一般包括模糊控制、神經網絡、價值判斷及故障診斷等手段。隨著煤礦區智能化和無人化程度的逐漸提高，以采煤機、據進機及皮帶機為代表傳統的煤機裝備正向無人化方向發展，以這些機械裝備為載體，依托感知層、網絡層及數據層形成的煤礦區裝備自主駕駛技術是未來煤機裝備智能化技術的重要發展方向。

5）應用層：應用層指最終執行動作的機械構件，包括煤礦內所有的機械裝備，如皮帶機、采煤機、掘進機及鉆機等。

2 裝備智能化之數據分析系統關鍵技術

數據分析系統是將煤礦運行過程中的各單機專輸的數據進行匯總、整理及分析，能夠將生產過程中產生的雜亂、無用的數據，轉化為可理解的、有用的數據。

數據挖掘是數據分析系統的核心手段，數據挖掘技術是從大量的、不完全的、模糊的、隨機的數據集中識別有效的、新穎的、潛在有用的、最終可整導磁體和理解的模式從大量數據中提取或挖掘”知識，是智能化化裝備領域的核心技術之一[1-2]。

煤礦裝備在使用過程中產生了大量的數據，如何能夠充分利用這些數據，發掘數據之間的聯系和差異，是煤礦區數據挖掘需解決的問題。目前，煤礦數據挖掘技術還處于起步階段，裴秋艷采用數據挖掘方法應用于礦井通風安全領域，采用灰度預測及MGM優化模型，對礦井生產過程中的通風數據進行挖掘和處理，并以此為基礎，能夠對未來風量變化趨勢進行預測。煤科集團沈陽研究院有限公司研制的KY400煤礦電機故障診斷系統能實時監測電機的溫度、振動、電流等信號，具有運行狀態評價，壽命評估、故障診斷及維修決策等功能，最大限度地減少電機非計劃停機對煤礦井下安全生產的影響。KY400煤礦電機故障診斷系統內置專家庫，通過將實時數據與專家庫進行比對，可以進行故障識別與診斷：專家庫會根據實際電機運行狀態不斷進行升級和修正，使得系統的靈敏度適應實際需要。

3 頂管式煤礦小斷面巷道智能掘進裝備關鍵技術和系統分析

煤科集團沈陽研究院有限公司研制了頂管式煤礦小斷面巷道智能掘進裝備，采用自主決策控制技術，設備運行過程中，不需人為干預，實現無人化操作。頂管式煤礦小斷面巷道智能掘進裝備適用于掘進煤礦以高抽巷、排水巷為代表的小斷面巷道，采用全斷面掘進。人員遠離切削面，工作時無需進入，安全可靠。自身進行支護，掘進經濟效益高。頂管式煤礦小斷面智能掘進裝備采用硐室遠程智能控制系統，采用圖像識別、多傳感器數據融到磁合等關鍵技術。

3.1 自動導向系統

第一，對光靶圖像進行預處理，釆用濾波、圖像平滑、銳化等手段消除圖像中無關的信息，簡化數據；第二，抽取光靶數據，采用亞像素定位技術，經檢測激光光斑在圖像中的坐標再經攝像機標定換算到空間坐標來進行目標的定位；第三，實現算法在防爆PLC內的通訊測試。

3.2 自動進水排渣系統

礦用頂管機采用泥水排渣原理，通過泥漿將刀盤切削的渣石排出，進水排渣泵的流量不僅僅影響渣石的排放速度，而且對切削掌子面的穩定性具有重要的作用。頂管式煤礦小斷面巷道智能掘進裝備通過在管路上布置壓力傳感器和流量傳感器，采集記錄供排水泵出口壓力等數據，建立了供水、出渣系統的數學模型，并在出渣口布置圖像識別裝備，能夠對排渣顆粒尺寸及速度進行實時監控，并借助磁力偶合器，實現對供排水泵流量進行實時調節，能夠保證排渣的連續性和掌子面的穩定性。

3.3 自動頂進系統

自動頂進系統的控制流程如圖1所示，開啟自動頂進系統之后，系統對按鍵狀態進行檢測，確認急停、手動頂進等和自動頂進功能互鎖的按鍵狀態是否符合；之后，為了保證機頭內部渣石的排渣通暢，先流出延時5 s的頂進延時時間，延時結束之后，先后進行主頂伸出、中繼1伸出的自動頂進操作，在中繼1伸出的過程中，需要監測機頭的切削電流，如果機頭切削電流過大，需要調整頂進速度，保證機頭的切削電流在合理的范圍內，當中繼1的頂進行程到位之后，完成了自動頂進流程。

圖1 自動頂進系統的控制流程圖

3.4 自動開關機系統

自動開機系統流程如圖2所示，操作人員發出自動開機指令后，系統自動依次完成故障檢查、開通旁通閥、開通進水排泥閥、開啟進水泵及排渣泵，刀盤旋轉、主頂頂進，當主頂頂到滿行程，需要進行換管操作的時候，系統啟動自動關機系統，依次實現主頂后退、進水排泥閥關閉等動作，避免了繁瑣的開機操作，降低人為故障率[3-5]。

圖2 自動開機系統流程示意圖

4 煤礦小斷面巷道智能掘進裝備工程試驗及結果分析

2020年10月，頂管式煤礦小斷面巷道智能掘進裝備在永安煤礦-600 m排水石門巷道進行了工業性試驗。石門巷道是屬于煤巖交錯地帶，地質情況復雜。主要施工為工作酮室和輔助設備酮室兩部分。在頂管式煤礦小斷面巷道智能掘進裝備施工過程中，對頂管機的頂推力數據進行采集整理，如下頁圖3所示。從圖中數據可知，當頂進距離在0~10 m時，整體的摩擦力都較小，當頂進距離在10~25 m時，摩擦力基本呈現線性增長的趨勢。由于施工前期工具管泥漿潤滑較為良好，泥漿套完整。隨著頂進過程的深入，施工完成的巷道巖粉逐漸堆積，這些巖粉將頂管機四周填實，摩擦阻力大幅度增加，摩擦力增大到280 kN/m（頂進距離為0~25 m之間的平均摩擦力）。

圖3 摩擦力隨頂進距離變化

5 結語

目前，煤機裝備智能化技術還處于起步階段，雖然有部分煤機裝備采用了智能化技術，但還未形成產業規模，多數煤機裝備還停留在機械化、自動化的階段。探討煤礦開采數據挖掘技術等煤礦區裝各智能化的關鍵技術，確定這些技術在煤礦區裝備的應用范圍，得出煤礦區裝備智能化的技術路線，對提升煤礦區裝備智能化水平具有重要意義。