淺談煤礦設(shè)備智能化的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

顏挺冉

（北京中煤礦山智能技術(shù)研究分院，北京 100000）

我國(guó)是一個(gè)擁有大量煤炭資源的國(guó)家。近年來(lái)，由于國(guó)家對(duì)煤礦技術(shù)、設(shè)備和資金等方面的扶持，煤礦設(shè)備智能化生產(chǎn)技術(shù)取得了重大的突破，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化、自動(dòng)化，確保了煤礦的安全。很多礦井企業(yè)都達(dá)到了億萬(wàn)噸產(chǎn)量，且沒(méi)有傷亡。然而，目前國(guó)內(nèi)煤礦的設(shè)備智能化水平還處在起步狀態(tài)。國(guó)內(nèi)煤礦開(kāi)采主要采用的是井下作業(yè)，其地質(zhì)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，而目前的煤礦設(shè)備智能化技術(shù)還不能適應(yīng)煤礦生產(chǎn)的實(shí)際需要。煤礦的安全并未從源頭上得到保證，瓦斯泄漏、頂板事故、冒水事故等都是經(jīng)常出現(xiàn)的煤礦生產(chǎn)事故。為了保證煤礦生產(chǎn)的安全性，要對(duì)設(shè)備智能化技術(shù)進(jìn)行研究和完善。本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)已有的煤礦設(shè)備智能化的分析，針對(duì)今后的技術(shù)改造工作進(jìn)行了探討。

1 我國(guó)煤礦設(shè)備智能化的現(xiàn)狀

近幾十年來(lái)，中國(guó)的煤炭產(chǎn)業(yè)取得了巨大的發(fā)展，并且煤礦設(shè)備自動(dòng)化在生產(chǎn)和使用方面也取得了很大的成績(jī)。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)煤礦的需求越來(lái)越高，我國(guó)煤礦設(shè)備智能化逐漸暴露出許多問(wèn)題。

1.1 設(shè)備體積過(guò)大、笨重

煤礦設(shè)備最大的特征是體積較大，過(guò)于笨重。就拿單體液壓支柱來(lái)說(shuō)，一根支柱的重量就是60～80kg，身體素質(zhì)較弱的工人是不可能獨(dú)立處理的；而液壓支架、采煤機(jī)等大型機(jī)械設(shè)備，更達(dá)到數(shù)噸以上。由于設(shè)備的體積太大，不僅會(huì)造成設(shè)備的工作不靈活，還會(huì)限制設(shè)備的移動(dòng)，影響生產(chǎn)力的發(fā)展。同時(shí)，目前，國(guó)內(nèi)煤炭設(shè)備的智能化仍面臨著能源消耗大、壽命短、國(guó)產(chǎn)化程度低等問(wèn)題。

1.2 適應(yīng)性差

目前，國(guó)內(nèi)一些煤礦已實(shí)行了設(shè)備智能化開(kāi)采，但一些煤礦仍然采取了放炮落煤的方式，這不但影響了煤礦的采煤質(zhì)量，而且容易引起瓦斯和頂板事故，給煤礦井下工人的生命安全帶來(lái)了極大的威脅。究其根源，是由于礦井設(shè)備不適應(yīng)煤礦的地質(zhì)條件，一旦發(fā)生了地質(zhì)條件的改變，原有的機(jī)器設(shè)備將不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，導(dǎo)致礦井機(jī)械化程度較為落后，限制了煤礦的產(chǎn)量提升。

1.3 智能化低

在這個(gè)智能化程度極高的今天，各行各業(yè)都在朝著現(xiàn)代化和智能化方向邁進(jìn)。然而，中國(guó)煤礦行業(yè)發(fā)展與時(shí)代發(fā)展的落差，尤其是礦井的機(jī)械化程度較低。目前大部分礦井仍然是由機(jī)械驅(qū)動(dòng)或機(jī)械控制的方式進(jìn)行生產(chǎn)，少量的小規(guī)模設(shè)備已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化、智能化，這是制約煤炭產(chǎn)量增長(zhǎng)的重要因素。

1.4 生產(chǎn)能力受制約

目前，全國(guó)煤礦生產(chǎn)總量已達(dá)25.23億t，但距離國(guó)家發(fā)展所需的煤儲(chǔ)量仍存在較大的距離，而其中有一部分的煤炭資源是由于煤礦超額生產(chǎn)增加的產(chǎn)量；如果按照常規(guī)礦井的設(shè)備生產(chǎn)能力來(lái)計(jì)算，那么每年的煤產(chǎn)率將大大低于這個(gè)數(shù)值。國(guó)內(nèi)目前在煤礦生產(chǎn)中，每年可采出五百萬(wàn)噸的礦井仍然屈指可數(shù)，這主要是由于煤礦設(shè)備的生產(chǎn)能力限制所造成的。

2 煤礦設(shè)備智能化發(fā)展目前面臨的問(wèn)題分析

2.1 煤礦機(jī)械的自主研發(fā)能力仍然不夠強(qiáng)

我國(guó)擁有豐富的煤礦資源，同時(shí)又是一個(gè)煤炭資源消耗大國(guó)。為此，必須大力發(fā)展煤礦設(shè)備的研制和生產(chǎn)，為有效開(kāi)采煤礦資源，提供了有力的技術(shù)支持。然而，盡管我國(guó)的煤炭設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)得到了有效的發(fā)展，但其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力還比較薄弱，許多關(guān)鍵技術(shù)都依賴國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)。目前，國(guó)內(nèi)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和核心技術(shù)的企業(yè)還很少，而且對(duì)引進(jìn)的核心技術(shù)還處于初級(jí)的仿造階段。沒(méi)有對(duì)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行深入的調(diào)研、分析和開(kāi)發(fā)利用，很難在國(guó)內(nèi)營(yíng)造一個(gè)良好的自主創(chuàng)新環(huán)境。而我國(guó)的制造技術(shù)與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還比較落后，還有很大的發(fā)展?jié)摿Γ灰覈?guó)的制造技術(shù)得到了有效的改善，那么煤礦設(shè)備的發(fā)展速度將會(huì)大大加快。

2.2 我國(guó)礦井設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)仍然處于落后狀態(tài)

與發(fā)達(dá)國(guó)家的煤炭設(shè)備制造企業(yè)相比，目前，我國(guó)的煤炭設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)大多注重實(shí)用性，對(duì)基本原理的認(rèn)識(shí)較少。因此，在對(duì)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的運(yùn)用上，僅僅模仿了外觀，卻忽略了基本原理，這導(dǎo)致國(guó)內(nèi)部分礦井設(shè)備的基礎(chǔ)原件不夠可靠，給礦井設(shè)備的安全可靠性、使用年限帶來(lái)了很大的隱患，很難達(dá)到大規(guī)模礦井的高效運(yùn)行要求。

2.3 對(duì)煤炭機(jī)械企業(yè)的挑戰(zhàn)

21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)的煤炭產(chǎn)業(yè)得到了迅速的發(fā)展。煤炭作為我國(guó)的經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)，煤炭?jī)?chǔ)量位居全球第一，目前我國(guó)已具備設(shè)計(jì)、施工、裝備、管理等方面的實(shí)力。目前，綜采設(shè)備、綜掘設(shè)備以及高效的露天剝、采、運(yùn)、支成套設(shè)備已廣泛應(yīng)用于各大中型礦井。據(jù)了解，當(dāng)前，煤炭行業(yè)正處于轉(zhuǎn)型升級(jí)，兼并、關(guān)停、淘汰落后、發(fā)展規(guī)模較大、現(xiàn)代化的礦井，為制造煤礦設(shè)備的相關(guān)企業(yè)提供了新的發(fā)展機(jī)會(huì)。

2.4 環(huán)境問(wèn)題

煤礦的開(kāi)發(fā)將產(chǎn)生一些環(huán)境問(wèn)題，而煤礦的綜合利用將會(huì)對(duì)自然環(huán)境和資源造成嚴(yán)重的損害，違反了環(huán)境保護(hù)的綠色生態(tài)發(fā)展，不利于可持續(xù)發(fā)展。開(kāi)采設(shè)備的發(fā)展給周圍的生態(tài)環(huán)境造成了不可忽視的問(wèn)題，如何進(jìn)行工業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和優(yōu)化，是目前煤炭生產(chǎn)面臨的普遍問(wèn)題。

3 煤礦設(shè)備智能化發(fā)展趨勢(shì)展望

中國(guó)煤礦設(shè)備智能化發(fā)展的主要任務(wù)是：2020年，在全國(guó)范圍內(nèi)建設(shè)100座初級(jí)智能示范型礦井。2025年，全國(guó)各大型煤礦都將實(shí)現(xiàn)智能化。機(jī)械化智能化是礦山綜合開(kāi)采技術(shù)取得的一項(xiàng)重大進(jìn)展，它對(duì)于推進(jìn)煤炭行業(yè)的發(fā)展和煤炭的環(huán)保開(kāi)發(fā)有著十分重要的作用。與此同時(shí)，要大量引入專業(yè)技術(shù)人員，順應(yīng)時(shí)代潮流，加速產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

3.1 智能導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用

基于三維地理信息技術(shù)的智能化導(dǎo)航技術(shù)，將地理信息、三維可視化技術(shù)與工作面探測(cè)技術(shù)相融合。使煤礦開(kāi)采精度得到了極大的改善，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井工作面的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)定位。

3.2 設(shè)備趨向于多樣化

當(dāng)前煤礦生產(chǎn)裝備簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在狹窄的工作面操作困難。煤礦生產(chǎn)設(shè)備要朝著多元化方向發(fā)展，以適應(yīng)煤礦生產(chǎn)的需要。比如，采用基于AI技術(shù)的傳感器，利用數(shù)據(jù)分析模塊對(duì)采煤設(shè)備的工作位置進(jìn)行分析，將采集到的信息錄入該模型中進(jìn)行自動(dòng)采礦；引入智能化的采礦機(jī)器人，逐漸代替人工進(jìn)行綜合作業(yè)，節(jié)約了大量的人工資源，并引入先進(jìn)的超聲波技術(shù)。與常規(guī)檢測(cè)方法相比，該技術(shù)能使操作過(guò)程變得簡(jiǎn)單、減輕工作壓力。

3.3 安全防控系統(tǒng)逐漸優(yōu)化

目前，隨著我國(guó)對(duì)煤炭生產(chǎn)安全問(wèn)題的日益重視，安全檢測(cè)已經(jīng)是生產(chǎn)過(guò)程中一個(gè)不可避免的環(huán)節(jié)。然而，目前煤礦的安全監(jiān)察工作仍然有很多缺陷，因此煤礦的安全問(wèn)題依然不容忽視。要強(qiáng)化礦井的安全管理體系，并實(shí)行早發(fā)現(xiàn)、早處理的原則。在安全事故發(fā)生前，整治礦井的安全問(wèn)題，以增強(qiáng)煤礦的安全性，同時(shí)，對(duì)煤礦的設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與故障分析。首先，采礦企業(yè)要保證礦井機(jī)器設(shè)備的正常使用，對(duì)各控制裝置進(jìn)行定期檢查，并做好檢修的各項(xiàng)工作。此外，還要加強(qiáng)對(duì)作業(yè)工人的培訓(xùn)，健全安全作業(yè)系統(tǒng)，以保證培訓(xùn)后操作人員的作業(yè)能力，降低作業(yè)中出現(xiàn)的安全隱患。詳細(xì)記錄日常工作情況，并為今后的檢查和工作方案的編制工作打下基礎(chǔ)，以保證工作的高效性。安全控制體系將人為失誤降至最低，保證了設(shè)備的可靠性和煤礦的安全運(yùn)行。

3.4 現(xiàn)場(chǎng)信息自動(dòng)化控制

遠(yuǎn)程、中央控制的過(guò)程監(jiān)測(cè)要求對(duì)現(xiàn)場(chǎng)資料進(jìn)行整合。隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)過(guò)程監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集奠定了堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)。其總體思想是：實(shí)現(xiàn)煤礦自動(dòng)化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、局域化、遠(yuǎn)程化、移動(dòng)化、固定化的數(shù)字信息網(wǎng)絡(luò)。在此基礎(chǔ)上，利用多個(gè)傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過(guò)這種方式，可以對(duì)整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)的監(jiān)控，通過(guò)主機(jī)的指令，實(shí)現(xiàn)了對(duì)各現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備的遙控，并根據(jù)通信協(xié)定，利用網(wǎng)絡(luò)傳輸裝置將各現(xiàn)場(chǎng)的控制系統(tǒng)相互聯(lián)結(jié)，并將最終的信息傳遞至中央監(jiān)測(cè)站。通過(guò)HMI/SCA-DA與監(jiān)控中心的服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)了煤礦各自動(dòng)化系統(tǒng)的一體化管理與控制。

3.5 集中控制的全礦井過(guò)程自動(dòng)化

礦井的過(guò)程自動(dòng)化是指采用現(xiàn)代采礦技術(shù)，把以太網(wǎng)技術(shù)和現(xiàn)代采礦設(shè)備結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井核心設(shè)施進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和運(yùn)行。采用統(tǒng)一規(guī)范的配置程序，對(duì)各類設(shè)備、系統(tǒng)進(jìn)行地面實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)化，并通過(guò)地面輔助中心實(shí)現(xiàn)故障的遠(yuǎn)程診斷，給礦工下達(dá)指令，告知礦工進(jìn)行及時(shí)的處置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)企業(yè)的所有資源的整合。礦井的發(fā)展方向是以礦井流程的自動(dòng)化、集中化管理為中心，建設(shè)企業(yè)全過(guò)程的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)體系。該系統(tǒng)將逐步削弱和替代礦山控制中心，通過(guò)對(duì)礦井的內(nèi)部控制層、基礎(chǔ)設(shè)備層、企業(yè)各級(jí)管理層、安全生產(chǎn)調(diào)度等多層次控制，構(gòu)建企業(yè)信息倉(cāng)庫(kù)，改變傳統(tǒng)的煤礦安全生產(chǎn)方式，并實(shí)現(xiàn)管控一體化的煤礦生產(chǎn)模式。

3.6 煤礦遠(yuǎn)程集控中心

煤礦遠(yuǎn)程集控中心利用高速通信傳輸網(wǎng)絡(luò)和有效的自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多個(gè)礦井的全流程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和遙控作業(yè)。利用中央集中控制系統(tǒng)對(duì)煤礦各設(shè)備的工作情況進(jìn)行監(jiān)控，可對(duì)各種設(shè)定的故障進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷，調(diào)整相關(guān)的參數(shù)。

根據(jù)設(shè)備或系統(tǒng)的故障情況，發(fā)出設(shè)備檢修、維護(hù)等指令，以便及時(shí)趕到現(xiàn)場(chǎng)并解決故障問(wèn)題。利用生產(chǎn)管理的執(zhí)行系統(tǒng)，安排生產(chǎn)進(jìn)度，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)。利用動(dòng)態(tài)影像與即時(shí)信息相結(jié)合，對(duì)作業(yè)進(jìn)程、設(shè)備狀態(tài)、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境等進(jìn)行及時(shí)的反饋，從而達(dá)到對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控和追蹤，為企業(yè)的安全生產(chǎn)、管理決策提供支持，發(fā)揮自動(dòng)化的作用，為企業(yè)帶來(lái)效益。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著礦井開(kāi)采從機(jī)械化、自動(dòng)化向智能化的轉(zhuǎn)變，信息化是大勢(shì)所趨，也是煤礦行業(yè)的重大技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展方向。在新的時(shí)代環(huán)境下，要從以往的教訓(xùn)中吸取經(jīng)驗(yàn)，檢討以前的不足之處，在當(dāng)前的基礎(chǔ)上，不斷提升智能化技術(shù)，推進(jìn)礦井設(shè)備智能化應(yīng)用。采用智能化采礦技術(shù)，可有效地減少煤礦事故發(fā)生頻率，保證煤礦的生產(chǎn)運(yùn)行，并保證礦井的運(yùn)行質(zhì)量。在堅(jiān)持高效、綠色、無(wú)污染的前提下，繼續(xù)進(jìn)行技術(shù)革新，對(duì)煤礦設(shè)備智能化開(kāi)發(fā)技術(shù)進(jìn)行持續(xù)的完善。