智能化煤礦工作面快速掘進技術與監控系統研究

楊博飛 曹其嘉 韋 釗

（陜西能源職業技術學院，咸陽 712000）

在我國煤礦體系中，約有90%的煤礦為井工開采[1]。在這類煤礦的開采環節，采掘銜接緊張和掘錨不平衡一直是阻礙煤礦實現高產的重要問題。針對存在的問題，煤礦開采技術領域開發了部分快速掘進技術，以完善現有的綜合開采技術，緩解采掘銜接緊張和掘錨不平衡問題，保證我國煤礦產業的高產。然而，當前我國煤礦體系中的監控系統尚不能完全滿足這類煤礦工作面快速掘進的需求，存在自動化水平低、智能化水平低等問題，難以保證煤礦工作面快速掘進系統在超循環作業、空頂作業、皮帶機堆煤及人員違規作業等方面的監控需求。本文針對當前我國最常見的煤礦工作面快速掘進技術體系，構建了一種針對性較強的智能化煤礦工作面安全監測與預警技術，并分析了該技術在空頂作業預警、人員違規作業預警等方面的應用流程。該預警系統能夠針對快速掘進系統很好地實現安全監測與預警，是一種理想的智能化監控系統。

1 煤礦工作面快速掘進技術及其安全問題

1.1 技術分類

我國不同地區的煤炭賦存條件存在極大的差異，某一種快速掘進技術或裝備并不能完全滿足所有煤礦的快速掘進需求[2]。在經過多年開發與篩選后，當前我國的煤炭產業大多使用如圖1所示的掘進機超前支護快速掘進系統、雙錨掘進機快掘系統、高集成度快掘系統以及高適應性快掘系統共4種快速掘進技術。

圖1 我國煤炭產業常用快速掘進技術分類

有關學者分析，影響煤礦工作面掘進效率的重要矛盾在于綜采工作面存在采掘銜接緊張、掘錨不平衡等問題。在一般的煤礦工作面掘進工作中，割煤時間占17%～34%，錨護時間占50%～67%，掘進速度較快，但是錨護工作占用了過多的煤礦開采時間[3]。如圖1所示的我國煤炭產業常用快速掘進技術，在不同角度對傳統綜采工作面掘進系統進行了優化。

1.1.1 掘進機超前支護快掘系統

該系統主要使用掘進機、超前支架以及運錨機等設備。在連續向前掘進過程中，系統中的超前支架可以對空頂進行臨時性支護，運錨機在轉載的同時可以進行錨桿的打設。在系統完成一次作業循環后，掘進機持續向前推進，超前支架交叉式向前行車，可以使空頂始終處于受保護狀態。因此，這種掘進機超前支護快掘系統不僅能夠實現綜采工作面的快速掘進，還能使綜采工作面頂板時時處于受保護狀態，對頂板破碎工作面具有較好的應用效果。

1.1.2 雙錨掘進機快掘系統

該系統與一般的掘進機超前支護快掘系統相比，多出一臺錨桿機。在掘進機向前工作一至兩排后，系統的截割臂著地，此時兩臺錨桿機分別遙控伸至工作面迎頭。工作人員根據工作面的實際工況和開采需求，可以部分打頂或打幫的錨桿或錨索，且運載機可以在轉載的同時進行其余錨桿或錨索的補打，從而在很大程度上提升錨護效率。

1.1.3 高集成度快掘系統

高集成度快掘系統是一種將掘錨機、破碎轉載機以及交代轉載機等高度集成的快掘系統。這類系統中，掘錨機負責綜采工作面煤炭全斷面一次成型掘進。破碎轉載機在完成自身破碎、轉載的同時，可以對后方的膠帶轉載機形成向前牽引的效果。這種高集成度快速掘進系統可以實現遠程智能化操作。操作人員在操作平臺即可應用指令遠程操作所有設備。

1.1.4 高適應性快掘系統

高適應性快掘系統通常被稱為“三位一體”高適應性快掘系統，是一種在高集成度快掘系統的基礎上集成掘錨機、幫錨機以及三臂錨索鉆車等，從而滿足不同類型煤礦工作面綜采對快速掘進系統的需求。系統作業時，掘錨機負責全斷面一次性成型掘進，幫錨機則負責破碎、轉載，三臂錨索鉆車則負責在后方補打錨索。三者的協同作業能夠同時起到支護、載機向前行車以及自動打錨索等作業，是對高集成度快掘系統的全面優化，可以大幅度降低錨護時間在整體綜采作業中的時間占比，提高掘進效率。

1.2 安全問題

1.2.1 超循環作業

與一般的煤礦掘進技術相比，盡管快速掘進技術大幅提升了系統工作效率，但也在一定程度上增加了超循環作業在整體進度中的占比。超循環作業會在一定程度上引起圍巖應力的重新分布。假如煤礦工作面中的超循環作業時間占比過長，則往往容易在煤礦開采過程中出現無法長期保證圍巖處于相對平衡狀態的問題，需要工作人員嚴格把控每日進尺距離。然而，在實際的工作過程中處于工作進度要求、工作人員工作認真程度的限制，有時并不能在煤礦快速掘進工作中對進尺距離、圍巖平衡狀態等進行嚴格把控，往往容易存在安全隱患。

1.2.2 空頂作業

空頂作業指的是煤礦開采工作人員在未進行有效支護的情況下進行綜采工作面快速掘進。空頂作業也是超循環作業負面影響的一部分，是一種非常危險的作業形式。盡管某些快速掘進技術能夠在作業過程中形成對頂板的自動支護，但這種自動化支護行為有時并不能在所有頂板中進行，或不能在所有煤礦條件下進行。因此，空頂作業是煤礦工作面快速掘進工作安全問題之一。

1.2.3 皮帶機堆煤

皮帶機堆煤現象通常出現在皮帶機發生故障時。皮帶機發生故障不能將煤炭及時運輸出去，而此時快速掘進系統可能仍在高速作業，會持續性形成堆煤。皮帶機堆煤一方面會影響快速掘進工作面的正常通風，另一方面會持續增加皮帶機載荷，導致皮帶機在快速掘進系統正常作業時出現持續性超負荷運轉而誘發火災。

1.2.4 人員違規作業

人員違規作業主要指的是工作人員不遵守現場安全制度，擅自動用機械、電器設備，隨意攀爬腳手架和高空支架等行為。煤礦工作面快速掘進系統的出現已經基本實現了煤礦綜采工作面的遠程操作，可在一定程度上降低煤礦工作人員的現場操作頻率，但是仍然無法完全避免煤礦工作面存在違規作業現象。

2 智能化煤礦監控預警系統設計

2.1 設計需求

2.1.1 全面性需求

智能化煤礦監控預警系統需要滿足當前煤礦綜采工作面快速掘進系統暴露的各方面安全問題[4]，如對超循環作業、空頂作業、皮帶機堆煤以及人員違規作業等安全風險的全面監控預警等。

2.1.2 智能化需求

監控預警系統的作業需要實現較高程度的智能化，能夠對快速掘進系統的進尺距離、圍巖壓力、設備運行狀態以及人員位置等進行智能化分析處理，實現煤礦工作面快速掘進系統的自動化監控、預警等。

2.2 系統框架設計

針對煤礦工作面快速掘進技術暴露的部分安全問題，結合智能化煤礦監控預警系統的設計需求，構建了如圖2所示的智能化煤礦工作面快速掘進監控系統。

圖2 智能化煤礦工作面快速掘進監控系統

該系統主要包含3層結構：第1層為數據處理、顯示與存儲端，主要包含服務器、顯示終端和數據庫等，負責對井下各子系統的監控數據進行分析、顯示和存儲等；第2層為網絡層，包含底面互聯網協議地址（Internet Protocol Address，IP）網絡和井下網絡兩部分，主要負責連接井上系統和井下系統，傳輸井下監控數據或下達井上操作指令等；第3層為子系統層，包含超循環作業監測等4個主要子系統，而子系統又包含現場圖像采集系統和作業現場報警系統等。

為滿足系統設計的全面化需求，該系統框架的現場圖像采集和作業現場報警系統采用了相同的理論架構，即通過煤礦工作面快速掘進過程中的現場圖像采集，以圖像的數據化智能分析實現各子系統的監控與風險預警。

2.3 子系統設計

2.3.1 超循環監測子系統

在煤礦工作面快速掘進環節，超循環作業的風險主要來自煤礦的每日進尺距離，即煤礦在單位時間內的掘進距離。通常情況下，煤礦按照設計之初設定的進尺距離進行作業都不會發生較大的作業風險[5]，因此超循環監測子系統只需要針對煤礦快速掘進設備的每日進尺位置進行監測和追蹤，保證不存在工作人員違規增加進尺距離即可。圖3為超循環監測子系統的工作結構圖。

圖3 超循環監測子系統工作結構

無線攝像系統計算快掘設備的每日進尺距離后，會通過無線網絡將快掘設備的掘進距離、是否違規等信息傳遞給井下網絡。井下網絡將數據傳輸至服務器和顯示終端。顯示終端的工作人員可以嚴格把控快掘設備的每日作業進度。井下聲光報警系統也可以根據快掘設備的每日掘進距離進行自動化報警等。

2.3.2 空頂作業監測子系統

空頂作業監測子系統在超循環監測子系統工作結構基礎上添加了部分傳感器設備，如圖4所示。該子系統除了可以對井下工作人員、快掘設備的工作進行現場監控外，還可以在快掘設備作業時搜集礦井圍巖的部分動態參數，并其傳輸至系統服務器。工作人員可以及時判斷圍巖的應力平衡情況，從而避免在空頂條件下作業。

圖4 空頂作業監測子系統工作結構

2.3.3 皮帶機堆煤監測子系統

皮帶機堆煤監測子系統的整體架構與超循環監測子系統工作結構基本相同，只是將該系統移植到皮帶機工作端，將無線攝像系統對準皮帶機，一旦皮帶機出現工作故障無法正常運輸，則系統可自動發出警報。系統顯示端也會將這一問題及時傳輸給工作人員。

2.3.4 人員違規作業監測子系統

人員違規作業監測子系統除需構建與圖3類似的圖像監測系統外，還需要針對具體的違規人員信息進行搜集，以幫助煤礦管理人員獲取具體的違規人員信息。因此，人員違規作業監測子系統在圖3的基礎上融入了無線射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）系統，如圖5所示。

圖5 人員違規作業監測子系統工作結構

工作人員的頭盔中設置一種唯一的RFID標簽。在現場作業時，可以通過RFID設備實時獲取工作人員的位置信息。一旦工作人員出現違規作業，系統不僅可以通過攝像系統獲取違規工作人員的違規作業類型，還可以通過RFID系統直接鎖定違規作業人員，增強管理效果。

3 結語

煤礦工作面快速掘進技術、設備等的應用，大大提高了我國的煤礦綜采效率，但也帶來了一系列的煤礦掘進風險，包括超循環作業風險、空頂作業風險等。因此，本文嘗試設計了一種針對性較強、功能較全面的監控系統，以增加快速掘進作業時的安全性。該系統針對快速掘進系統存在的問題進行針對性處理，適合各種不同類型煤礦工作面的使用。