煤礦井下綜合機械化采掘設備智能化改造

張 劍

（國能榆林能源有限責任公司，陜西榆林 719000）

0 引言

隨著經濟轉型，煤炭企業也在謀求升級和轉型。智能采掘設備能夠極大提高煤礦生產的效率和質量，同時還能縮減井下作業人員規模，降低采礦成本。國家對智能化煤礦建設有詳細規劃，計劃在2025 年之前，形成智能化決策、智能化運行、智能化監管的智能化系統；2035 年之前全面完成智慧煤礦建設。當前，煤礦智能化建設仍在試驗階段，人工智能、大數據運算、5G技術還未與煤礦工業達成深度融合。

1 煤礦采掘技術現狀

根據地質條件變化，煤礦采掘的難度和需要的機械設備有所不同。但是從實際采掘情況來看，大部分的煤礦施工都十分復雜，要實現采掘設備全智能化有很大難度。在現階段的技術背景下，智能采掘設備主要集中在部分采掘技術中，已經能夠有效提高采掘效率和質量。

1.1 采掘系統發展歷程

國內煤炭開采歷史較西方發達國家較晚，在20 世紀中期仍然還在采用人工打眼、支護等方式進行煤礦開采，挖掘效率很低。鏟斗后卸式裝巖機在1960 年代后開始投入使用，雖然運輸效率仍然沒有得到提高，支護技術手段也十分落后，但大機械替代了部分人力勞作，減少了煤炭行業對人力的需求。1970年代后期，煤炭行業真正走入大機械時代，許多國際先進的挖掘設備引入國內，簡化了煤炭采掘流程，有效提高了煤炭采掘效率和質量。

1.2 巖巷施工作業現狀

當前巖巷施工主要有2 種方式：一種是傳統的鉆爆法。鉆爆法開采是使用范圍最廣泛的煤炭開采方式。其優點是機械構造簡易、可靠性和可調整性較強，同時還具有維修方便和成本較低等優點。但是這種煤炭開采方式需要用到大量的勞動力，且施工周期較長。另一種是巖石平巷作業法。這種采掘方法機械化程度很高，優點在于采掘效率高、人力成本少，缺點在于由于采掘機械體型較大，在維修和變更采掘計劃時缺乏靈活性，且不適用于小型煤礦開采。

1.3 現有的高效掘進方式

當前比較高效的掘進方式主要有3 種：①煤巖巷綜合機械化掘進，這種掘進方式是應用最為廣泛的掘進方式之一，適用范圍很廣；②連續采煤機與錨桿鉆車配套作業線，適用于較為特殊的煤礦作業；③掘錨一體化掘進，這種掘進方式功能十分完善，不僅可以實現連續切割運輸和支護作業，還具有轉載、轉向除塵等其他功能，適合全硬巖煤巷采掘。

2 智能采掘系統

2.1 系統功能

智能采掘系統主要依靠感知元器件和執行元器件實現掘進機器的智能化操作。在現階段的技術背景下，通過大數據技術和影像采集技術，掘進機械已經可以實現可視化操作、自動化操作和遠程操作。具體功能包括：遠程遙控操作、智能定位和安全系統、自動化控制和速度調節操作、遠程監控等。

2.2 系統組成

智能采掘系統主要由主控層、網絡層和設備層組成，包括主控、感知、防撞、定位、遙控、預警、通信和集控8 個單元。

2.2.1 主控層

主控層是相關操作人員和計算機進行直接交互的窗口，計算機主要負責對采掘系統運行過程中的各種數據進行收集、分析和處理，并將這些信息處理成圖表、圖像、聲音和視頻，方便操作人員讀取。

2.2.2 設備層

設備層是進行采掘作業和實現智能化操作的各種設備，這個系統中包含各類感知元器件、網絡設備、監控設備和各種型號的采掘設備。需要注意的是設備層中的智能監控和導航設備，智能監控和導航設備是智能采掘系統的設備核心，通過有源監控設備和無源導航設備，可以將煤巷的情況清晰的展現出來，并進行精準定位，再加上自主識別設備和多種傳感器的配合，能夠使采掘操作更加精準和智能。

2.2.3 網絡層

網絡層是數據傳播和匯聚的中心，又被叫做通信層，主要功能就是實現設備和主控層之間的交流，先將監測數據傳遞到計算機，再將操作人員的指令傳達給設備層，是二者溝通的橋梁。

（1）主控單元。主控單元是整個智能化采掘系統的核心。通過對整個掘進工程的數據和進度采集分析，實現對其他單元的調度和控制，具體功能有：采掘進度安排、采掘工藝編排、采掘計劃設計等。

（2）感知單元。感知單元如同是整個智能化采掘系統的眼睛，主要負責通過各類影像設備和感知元器件對采掘設備運行和采掘進程的相關數據進行采集和分析，為主控單元提供數據參考。

（3）定位單元。定位單元主要通過收集采掘設備的走位、對比預設掘進參數，為掘進設備行走調節提供參考。

（4）防撞單元。防撞單元又被稱為設備安全單元，主要負責采集采掘設備機身周圍數據，通過分析周邊地理環境，防止采掘設備和周圍巖石發生碰撞。

（5）遙控單元。遙控單元是采掘系統實現智能化的關鍵單元，遙控單元包含兩個部分，一部分是利用互聯網實現采掘設備的可視化控制。另一部分是利用計算機實現司機與采掘機械的遠程采掘操作。

（6）預警保護單元。預警保護單元是通過對比預設數據和實時采集數據之間的差別，及時發現采掘設備或采掘過程中可能存在的問題，并針對這些問題發出預警，實現故障告警停機，故障預警牽停等功能。

（7）通信單元。通信單元的實時性和準確性影響著整個采掘系統效率跟安全。通信單元主要包括兩個內容：①機械設備各部件之間的通信；②主控層和設備層之間的數據傳輸。

（8）集控單元。集控單元屬于聯合控制單元，通過對采掘設備機身數據采集，實現對皮帶機、局扇風機預計掘進工藝的聯動閉鎖。司機可以在集控室中通過視頻實時監控實現對采掘機械的遠程可視化采掘操作。

3 智能采掘系統加強和升級

3.1 加強人機交互界面

標準的可視化系統都具有圖顯功能，龐大的監控系統具有多畫面切換、畫面導航等功能，便于管理人員讀識監測數據和畫面情況。在較新的智能監控系統當中，畫面不僅具備平面畫面和線路示意圖，還能進行三維建模，還原空間地理畫面。這種建模功能不同于實時監控畫面，是以采掘線路為主要顯示內容的建模畫面，更具有直觀性和參考性。在畫面內容的基礎上，畫面顯示也十分全面，除了能夠顯示采掘設備運行狀態之外，還能對采掘線路進行顯著著色，能夠幫助管理人員發現采掘中的問題。這樣的人機交互界面方便讀識，對操作人員十分友好。

3.2 加強用戶管理設計

通過站控層可以實現對不同用戶開放不同權限，這個功能能夠將專業人員、管理人員以及普通工作人員區分開來，限制非專業人員的實用權限，例如，在某一采掘設備上設置權限，只允許具有操作口令的專業人員對其進行操作，就能有效防止非操作人員的誤操作，能夠有效保障采掘系統的安全性和可靠性，減少非專業因素對采掘安全的影響。

3.3 加強數據采集處理設計

采掘監控系統對采掘施工數據采集是實時的，這里的數據采集處理設計主要包括3 個層次：①對數據的采集和收集；②將收集到的數據進行分析，處理成可供管理人員讀取的數據；③對重要數據進行存儲和加強顯示。

3.4 加強記錄和故障報警設計

智能采掘監控系統最為強大的功能，除了能夠實現對采掘系統的監控之外，還有其強大的數據存儲和處理能力。這種能力主要體現在其能夠將所有采掘情況、方向變化以及人員操作等因素全部記錄下來，生成運行記錄，在故障發生時，能夠將故障時間、位置和工作人員操作信息一一記錄，同時還具備聲音報警功能。這項強大的設計不僅能夠幫助工作人員第一時間發現故障，還能為維修人員溯源故障原因和追究崗位責任提供準確的數據參考。

3.5 加強信息保護功能設計

這個功能可以說是一項定制功能。可以通過設置保護定制和保護動作，對煤礦的采掘運行狀況信息進行保護，并實時生成運行報告、故障報告、處理報告以及報警報告等。

4 智能采掘系統未來展望

現階段人工智能和大數據運算在掘進技術中的應用還停留在較為淺層的階段，數據的采集效率、數據全面性和精準性以及數據傳輸的效率尚不能支撐起智慧采掘系統，無法實現包括自動截割、智能挖掘在內的自動化操作。但遠程遙控系統的實現充分說明了數據通信鏈路通暢能夠實現掘進動作控制，可以暢想當5G 技術成熟，數據傳播加速后，對設備控制精度和控制范圍的影響。相信在不久的將來，可以實現由井下掘錨機、多臂錨桿鉆車、破碎轉載機、可彎曲膠帶轉載機組成，配備通風除塵、控制通信等設備的一體化高效快速掘進系統，甚至實現掘進設計和掘進施工的全自動化、全機械化，大幅度減少人力使用。

5 結束語

煤炭行業是主要的能源行業之一，和人們的生活、城市的發展息息相關。隨著互聯網云計算和大數據等信息化技術產生和發展，煤礦行業正在不斷進步，完成從勞動密集型向技術密集型行業的轉變。而感知識別、數據進度、掘進參數和采掘決策以及多系統協調仍然是現階段的智能采掘系統面臨的主要問題。人工智能和煤礦采掘設備的融合探索才剛剛開展，通過信息技術實現智能化采掘策劃、智能化采掘施工和智能化采掘監管的前景無限廣闊。