煤礦智能化掘進工作面應用分析

唐銨

貴州盤江精煤股份有限公司山腳樹礦 貴州 六盤水 553533

引言

煤炭在中國的能源結構中占比最大，是中國經濟快速發展的重要保障。巷道掘進工作是工作面布置的重要基礎工程，很容易受到陷落柱、斷層、采空區等地質環境的影響，如果操作不當，就可能需要大量的后期維護費用，給煤礦生產帶來無法估計的損失。隨著智能化技術的誕生，煤礦掘進技術有了進一步提升，使煤礦掘進效率大幅度提高，同時降低了安全事故的發生率，保障了煤礦產業綠色、穩定發展。

1 掘進工作面智能化控制系統功能特征

1.1 掘進工作面智能化控制系統特征

掘進工作面智能化控制系統在處理中可以對各個系統進行集中式的串聯處理[1]。①通過PLC控制系統利用抗干擾設備進行處理，保障了裝置的穩定性，增強了可靠性；②可以通過PLC技術集中處理多臺設備，在一次停運后整個輸送線會停止運轉；③通過集中管理的方式實現對多個系統的視頻控制處理。隨著人們對資源需求的日益增長，傳統的工作模式無法滿足實際需求，通過現代化的方式進行處理可以提高工作效率與質量；④綜合實際狀況做好技術創新優化，提高工作效率與質量，優化設備的整體結構，推動智能化、自動化、機械化的發展。

1.2 掘進工作面智能化控制系統功能

1.2.1 智能感知系統。在掘進工作面智能化控制系統的支持下，通過人工智能、大數據以及物聯網等現代技術手段，實現掘進設備的智能化升級優化。在多種技術的支持下了解掘進作業中瓦斯變化狀態、截割對象的動態變化，了解風筒風速以及風量環境等異常信息、狀態等，只有配合信息數據，才能支持掘進作用的有效優化[2]。在智能系統的支持下了解掘進機械、皮帶機械的運行狀態，分析探放水以及瓦斯抽采鉆孔的質量數據，為生產過程中產生的人機環數據的分析處理提供了平臺與技術手段。

1.2.2 智能決策系統。掘進工作面智能化控制系統利用智能決策系統可以實現對工程設計數據信息、作業過程中產生的人機環智能感知數據的分析與融合，根據礦井作業的各項規程要求，實現對系統異常狀態的智能化識別，具有自動報警以及設備聯動控制的智能化決策功能。

1.2.3 自動報警系統。掘進工作面智能化控制系統可以根據各項信息數據，了解工作人員、崗位職責以及實際的信息數據，根據具體的信息數據通過智能決策系統形成報警信息，將各項信息及時上報給各級管理人員。

1.2.4 聯動控制系統。在AI+IOT技術的支持下，掘進工作面智能化控制系統與設備充分融合，下發各項指令信息，通過掘進工作面設備進行處理，實現了多種設備的聯動處理，在處理中也可以與工作人員進行連接，實現遠程輔助操作。

1.2.5 維修、維檢修人員智能調度。基于智能決策系統以及不同工作崗位的責任，及時上報各項信息數據，實現智能化調度管理。在掘進工作面智能化控制系統通過自動化控制模式實現對綜采工作面、聯采自動化以及供電、通風、排水系統的智能化控制，真正實現“井下作業少人化、生產過程透明化、數據分析智能化”的目標[3]。

2 智能化掘進技術的關鍵

2.1 遠程智能截割

遠程智能截割控制系統是智能化掘進技術的核心，主要由慣性導航系統、光纖通信環網、中央控制單元、遠程視頻監控分站和井下各種設備組成，如圖1所示。慣性導航系統主要是由高精度陀螺儀和加速度計組成，主要用于對掘進機車身位置參數的測量；光纖通信環網是由光纖和交換機組成，用于對采集信息和控制信號的高效傳輸；中央控制單元主要是由工業計算機組成，用于對采集的信息進行處理并發出相應的控制信號；遠程視頻監控分站主要是由安裝在掘進機上的攝像頭組成，用于采集現場實時畫面，便于進行控制。

2.2 掘進機本體完全遙控

掘進機本體完全遙控就是通過巷道內的遙控裝置對掘進機的作業狀態進行完全控制。進行控制時，需要參考遠程傳輸回來的實時畫面。為了實現對掘進機本體的完全遙控，一方面要實現控制信號的低延時傳輸，保證控制的實時性；另一方面要采用微機和伺服電機對掘進機的操控桿進行控制。總的來說，完全遙控本質上還是一種初級的智能化，還需要人的干預完成。

2.3 遠程可視化

在目前情況下，智能化掘進還要依賴于人工干預來完成，很多情況下需要操作員對現場的情況進行判斷。但是操作人員不在工作面，而是在巷道集控中心內或地面上，這就需要采用視頻技術來查看現場的實際情況。通過遠程可視化技術，可以查看真實的設備運行情況[4]。為了實現可視化，必須準確地采集現場的實時畫面。這就要求在掘進機上安裝足夠數量的攝像機。

2.4 掘進機截割軌跡和機身參數實時監控

在對掘進機進行實時智能控制時，需要用到掘進機的位置信息和狀態參數信息。為此，需要對掘進機運行軌跡進行監控。通過對掘進機的軌跡參數進行實時處理，形成相應的控制信號，進而實現對掘進機位置狀態的實時調節。

3 如何提高煤礦綜掘智能化開采技術的運用效率

3.1 注重視頻監控智能化技術方案的完善

煤礦企業在對綜掘面智能化開采技術進行方案創新設計的過程中，一定要注重對視頻監控智能化技術進行更加全面的分析，要重點對智能化技術在提高綜掘面開采工作質量與效率提高的方面進行分析總結，從而使綜掘面智能化開采技術的運用效果能夠充分滿足煤礦生產工作的精準開采要求。同時要對綜掘面的具體環境進行更加精準的研究。并在視頻監控技術的運用過程中對監控設備的晃動情況，監控場景的粉塵量以及遠程視頻的實際效果進行全面分析，為智能化綜掘面開采技術的科學運用提供較強的數據支持。

3.2 提高綜掘面運輸系統的質量

在完善綜掘面的運輸系統時，往往需要相關人員綜合智能化技術的詳細特點設計出更加符合綜掘面規模的運輸策略，并確保設計出的運輸系統可以有效滿足綜掘面智能化開采技術的運用需求，從而確保煤礦綜掘面智能化開采技術運用過程中的物資需求得到滿足[5]。在對綜掘面運輸系統進行完善的過程中，要注重對煤礦智能化開采技術運用特點的全面分析，充分結合煤礦的原煤運輸工作中所需要滿足的一些要求，并對綜掘面的空間環境進行更加全面的觀察分析，為綜掘面智能化開采技術的運用進行更好的輔助。此外，對綜掘面運輸系統進行完善時，還要注重對相關智能化設備特點的全面分析，結合其特點設計出更加創新完善且高質量的綜掘面運輸方案。

3.3 加強掘進機的實際運用效果

掘進機作為綜掘面開采工作中的重要設備，在對綜掘面智能化開采技術的運用方案進行設計時，往往需要更加重視對掘進機等設備的實際運用效果。在實際的設計環節中，必須根據煤炭開采工作中煤礦斷面的具體特征，把智能開發技術和掘進機的有關技術加以有機融合，確保煤礦開采過程中的智能成型控制技術可以和掘進機的姿態調節技術在需求上保持一致，以便適應煤炭開采工作在使用智能開發技術后所產生的新的開采生產需求。此外，相關工作人員要注重實際測量工作準確性的提升，并充分結合各種智能化技術，如慣性導航技術與激光制導技術，結合這些技術的創新特征，設計制定出更加科學合理的巷道掘進方案，以此為掘進機自主導航系統的構建提供更加高質量的保障。

3.4 完善綜掘面的智能化開采工序

在運用了綜掘面智能化開采技術后，傳統的煤礦開采工序已經不再適用，因此其也要積極結合自身的開采情況，設計更加科學且創新的開采工序。在完善的過程中，工作人員要將煤礦的煤壁作為重點關注對象，結合所運用的智能化開采技術對煤礦巷道的實際情況加以分析，使開采工序的實際設計情況與煤礦綜掘面各項開采技術實際運用需求相符，盡可能滿足綜掘面開采技術的運用要求[6]。同時，在智能化開采技術的實際運用過程中，一定要對其各功能模塊的特點進行全面的分析，尤其是一些重要的參數以及數據資源，這樣才能確保掘進面的具體開采需求得到充分滿足。此外，掘進面的地質條件也是智能化技術運用過程中需要重點勘探的內容，綜掘面的水源與瓦斯情況往往是影響智能化開采工序的重要因素。

3.5 加強數據的多源傳輸與存儲

為了解決礦井智能化綜掘開采工作中礦井地質模型與圍巖特征等數據的變化對其造成的影響，數據的多元傳輸與存儲作為一種運用通訊互聯網實現數據的傳輸、處理，儲存與決策，并將相應操作反饋給具體設備的技術，相關工作人員就可運用其在對煤礦地質模型與圍巖特征等數據進行采集與傳輸后，通過服務器對其實際的波動情況進行處理分析，并根據分析結果發布更加科學的指令，以此實現煤礦綜掘智能化開采工作的正常開展。

4 智能化掘進技術的發展趨勢

4.1 更加全面的智能化

總體來看，目前的智能化是不全面的，只是初步的，主要體現在掘進機并不能實現完全自動化運行，在很多情況下還需要工人在井下集控中心內進行操控[7]。造成這種現象的主要原因是工作面情況比較復雜，而現有的智能學習算法難以對這種復雜的情況做出最優判斷。鑒于這方面原因，掘進機的運行并未實現完全的自動化，這使得巷道的掘進速度與傳統的掘進方式相比提升并不是太大。因此，在未來應該加大智能算法的研發力度，使掘進機在沒有人干預的情況下能正常高速運轉。一方面，應該加快對現場復雜情況的收集與建模；另一方面，要采用智能算法對復雜情況下的掘進進行學習，以提高智能化水平。

4.2 更加標準的智能化

由于目前煤礦智能化還處于發展的初級階段，各個煤礦的智能化建設方案存在較大的差別。這些差別不僅體現在硬件方面，還體現在軟件方面。造成這種現象的原因主要包括兩方面，一方面是煤礦地質條件不同，另一方面是資金投入不同。雖然這種方案能滿足當前礦井智能化的需要，但是不利于煤炭行業智能化水平的提升。換句話說，有的煤礦智能化方案并不能為其他煤礦的智能化提供相應的參考。因此，未來應該加快煤礦智能化、標準化建設，增強技術的通用性，這樣可以加快整個行業的智能化進步。

4.3 更加可靠的智能化

煤礦智能化掘進的實現依賴于掘進設備上安裝的一些智能芯片、攝像頭和傳感器。然而由于煤礦掘進工作面內環境惡劣，智能設備上安裝的各種設備很容易損壞。例如：當工作面粉塵濃度較高時，安裝的可視化攝像頭很容易被磨損；煤塵附著在精密傳感器芯片的表面很容易損壞芯片。一旦智能設備發生損壞，不但維修成本較高，而且排查故障所消耗的時間也較長。因此，未來應該采取措施提高智能設備的性能，使得智能設備具有較高的開機率，這樣才能發揮智能化開采的優勢。

5 結束語

煤礦智能化掘進是煤炭行業發展的重要趨勢。就目前的情況，煤礦企業首先應該建立智能化控制所需要的信息化設施，然后根據行業的先進案例選擇合適的智能化建設方案。與此同時，應該加緊對智能化掘進關鍵技術的攻關，以進一步提高巷道掘進的效率。