永智煤礦智能化改造技術研究

孫瑞剛

(內蒙古滿世煤炭集團股份有限公司,內蒙古 鄂爾多斯 017000)

為深入貫徹落實習近平總書記關于《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》、自治區能源局等廳局下發的《關于加快內蒙古自治區煤礦智能化建設的實施意見》等相關政策，以采掘工作面智能化建設為重點，加快煤礦智能化礦井技術的改革與發展，從安全與智能化角度提升礦井安全生產水平與管理水平，消除事故風險[1-3]。準格爾旗永智煤炭有限公司2021年8月進行了綜采工作面綜合智能化改造，本著“智能化、少人化、無人化”改造原則，根據井下煤層條件與開采現狀，以智能平臺建設為抓手，對該礦進行智能化改造技術研究，從而改善井下作業條件，提高礦山開采效率，降低人員勞動強度，為礦山智能化開采的實現奠定基礎[4-6]。

1 礦井概況

永智煤礦采用斜井多水平開拓方式，在礦井工業場地內設主斜井、副斜井和回風斜井3條井筒，目前主采5101工作面，傾角小于3°，為近水平煤層，工作面設計長度為225 m，推進長度約為2 500 m，設計采高4.2 m，運輸巷凈斷面(矩形)：4.8 m×3.5 m，工作面輔運巷凈斷面(矩形)：5.0 m×3.5 m。礦井采用無軌膠輪車作為輔助運輸，現有WC20R型防爆無軌膠輪人車2臺、WC5J型防爆無軌膠輪材料車1臺。井下中央變電所10 kV供電系統采用單母線分段接線方式，所內設有KYGC-Z礦用一般型高壓真空配電柜13臺，分別向綜采工作面移動變電站、綜掘工作面移動變電站、3-1煤層盤區變電所供電。

礦井已裝備1套KJ70N型安全監測監控系統，主要由監控主機、本地終端和遠程終端、打印機構成。監控主機負責采集、分析、處理、記錄、顯示及打印。監控室和終端可以同時互不影響地看到實時數據，兼打印歷史數據和曲線。監控主機可以向井下發送斷電、啟動、停止、清除等命令。并對系統的參數、功能進行設置，同時該主機具備內部組網的功能。

2 數據融合平臺改造

隨著智能化技術在永智煤礦的深度推進，其數據量級及類型均呈爆炸式增長，利用大數據、人工智能等前沿技術對煤礦多源海量數據進行集成分析與數據價值挖掘，實現動態診斷與輔助決策，成為煤礦智能化的關鍵。

2.1 智能煤礦整體架構

礦井智能化建設思路，即在一套智能煤礦管控體系下，構建一個智能管控平臺，實現智能管調、智能監控、礦井安全與運營管理等4類應用，其整體架構如圖1所示。

圖1 智能煤礦整體架構

2.2 智能礦井監控系統

全礦智能監控系統基于一套標準體系、構建一張全面感知網絡、建設一條高速數據傳輸通道、形成一個大數據應用中心、研制一個業務云服務平臺，面向不同業務部門實現按需服務，相關信息基于“一套指標、一張圖、一張表”在多端同步多維形象展示，具體技術架構如圖2所示。

圖2 智能礦井監控系統

2.3 智能決策支持平臺

智能決策支持平臺是幫助煤炭企業提高決策能力和運營能力的概念、方法、過程以及軟件的集合，它運用數據倉庫、聯機分析處理和數據挖掘技術來處理和分析商業數據，并提供針對不同行業特點或特定應用領域的解決方案來輔助用戶解決商務活動中所遇到的不確定性問題，從而幫助和改善管理決策，增加企業的競爭優勢。智能管控決策支持平臺主要由智能礦井數據中心、智能礦井平臺服務與智能管控應用服務等組成，如圖3所示。

圖3 智能管控決策支持平臺

3 掘進系統智能化改造

以永智煤礦4212掘進工作面為背景，該工作面主要設備配置整體不具備智能化水平，因此針對工作面現有設備進行智能化升級改造，實現掘進系統的智能化要求。4212掘進工作面設備配備見表1。

表1 掘進工作面設備配備

巷道掘進應采用掘進、支護、運輸“三位一體”高效快速掘進技術體系，實現全機械自動化作業，具備快速掘進能力；煤層條件適宜的掘進工作面，應優先采用掘、支、錨、運、破碎一體化成套技術與裝備，通過掘進工作面遠程集控平臺，實現基于感知信息對掘進工作面進行遠程集中控制。

3.1 掘進機載系統改造

掘進機載系統主要包括車身安裝的傳感器單元、數據采集單元、遙控控制單元、網絡通信單元、位姿檢測單元、斷面自動截割單元、截割部負載自適應單元、視頻采集單元、液壓系統單元和電氣系統單元等，如圖4所示。

圖4 掘進機機載子系統結構示意

通過采集截割電機負載、掘進機振動頻譜和液壓系統的壓力等，自適應控制截割臂擺速和滾筒轉速。在截割過程中，當煤巖硬度急劇變化(如遇到夾矸)時，因截割電動機轉速不能改變，如不能迅速調整截割臂擺速，則極易造成截齒損壞，截割電動機電流也會大幅過載而出現停機甚至電動機損壞情況。在遇到體積比較大的夾矸的情況下，掘進機機身會產生劇烈振動，機身位姿產生較大誤差，掘進斷面會產生較大偏移，如圖5所示。

圖5 擺速自適應控制原理

工作面視頻系統由礦用本質安全型顯示器、礦用本安型除塵攝像儀、安裝電纜及附件等組成。掘進機配備4臺礦用本安型除塵攝像儀，安裝于掘進機的機身上，用于監視掘進面的全區域。攝像儀具備自動除塵功能，具體安裝位置根據現場情況確定。

3.2 掘進機遠程遙控系統改造

煤礦井下掘進機遠程智能遙控系統服務器軟件適用于煤礦井下的所有掘進機機型，實現掘進機的自主控制，該軟件安裝于上位機服務器上，基于Win7及以上操作系統，C/S架構。

4 綜采系統智能化改造

回采工作面采用資源條件適應型綜采技術與裝備，采用智能控制和可視化遠程干預技術，應用采煤機記憶切割系統、液壓支架電液控制及智能集成供液系統、圖像視頻遠程跟蹤系統、采煤機和刮板輸送機及液壓支架協同控制系統、遠程控制平臺等成套裝備，實現地面(巷道)監控中心對綜采設備的智能監測與集中控制，實現工作面智能化、少人化開采，綜采工作面生產班單班崗位人員減少至7人及以下。

4.1 割煤系統智能化改造

智能化采煤機應該做到采煤機運行狀態的全面監控，遠程及本機條件下的記憶截割功能，通過智能集成主控單元、采煤機巷道控制系統、機載外圍位置檢測、流量、溫度、壓力等傳感器實現煤機智能化建設，煤機智能化系統如圖6所示。

圖6 采煤機智能化改造系統圖

4.2 支架電控系統智能化改造

對于液壓支架，主要對其電控系統進行改造，電液控制器有聲光報警、急停、閉鎖、語音通話及故障顯示功能。在成組動作或自動程序動作之前，該支架控制器的“蜂鳴器”響，警示燈閃爍。緊急情況時，在工作面任何一臺支架的控制器上按下急停開關，全工作面支架全部停止動作。電控系統配置如圖7所示。

圖7 電控系統配置圖

電液控制系統能夠實時監測全工作面礦壓及支架工作阻力，控制頂梁和頂板平行，保障支護質量。能夠將工作面頂板壓力監測結果、推移油缸行程、采煤機位置、方向等數據傳輸至集控中心，并能即時生成礦壓監測報表，如圖8所示。

圖8 礦壓監測及分析功能

5 預期效果分析

通過對永智煤礦進行智能化改造，所產生的預期效果體現在以下幾個方面：

1) 減少綜采工作面人員配置。一方面體現在減少支架操作人員，通過對支架電控系統的改造，避免了現場手推支架工序；另一方面體現在減少采煤機操作人員，采用智能化割煤系統，可以利用遠程控制平臺，掌握井下設備的運轉情況，通過視頻監控便于檢修與生產作業，整個綜采工作面作業人員可由原來的16～20人減少至8～10人，每班次作業人數減少50%.

2) 提高作業人員勞動生產效率。通過本次智能化改造，5101工作面整體回采率可由原來的10～12刀/d提高至15～17刀/d。每刀割煤平均所需時間約為1.4 h，工時可減少約42%，功效提高25%～35%.

3) 便于井下管理，降低事故發生率。采取智能化系統，可利用智能控制平臺，實現井下設備的集中及人工協調控制，便于集中管理；同時，能夠對設備可能存在的問題實現早發現、早診斷、早處理，有效提高了工作面生產的安全性，降低了故障及事故發生率。

4) 改善井下作業環境。通過智能化控制，大大減少了人員勞動強度及人員配置，使作業人員進入工作面的時間明顯減少，避免了人員長期處于工作面中，作業環境明顯改善。

6 結 語

井下煤礦原有的常規綜采工作面生產系統存在作業環境差、勞動生產率和智能化水平低等問題，通過對綜采工作面進行智能化改造，逐漸轉變井下生產模式，將現代化高新技術應用于煤礦開采，為煤礦開采注入新的動力，為礦業實現轉型升級開辟了正確的道路，從而實現礦山安全高效可持續發展目標，使更多的人喜歡從事煤礦開采行業，為礦井現代化建設、國家經濟快速發展貢獻一份力量，這也是時代發展的必然趨勢。