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第45屆等級獎(jiǎng)?wù)撐?--淺析煤礦綜采工作面智能化開采技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用

高 ?明

(鐵煤集團(tuán)小青煤礦綜采隊(duì)書記、工程師)

【摘要】在簡述國內(nèi)外自動化、智能化綜采技術(shù)發(fā)展過程基礎(chǔ)上，針對我國煤礦綜采工作面生產(chǎn)過程復(fù)雜、地質(zhì)條件復(fù)雜等特點(diǎn)，通過對我國現(xiàn)階段綜采工作面智能化發(fā)展和煤機(jī)裝備的研究，提出綜采工作面智能化生產(chǎn)模式總體思路—“兩步走”、”三階段”，并重點(diǎn)介紹了綜采智能化技術(shù)在遼寧省的首次實(shí)踐—鐵法能源公司小青礦的應(yīng)用，介紹在實(shí)踐中的三大核心技術(shù)和四項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)、應(yīng)用效果及存在的問題，通過小青礦中厚煤層智能化無人開采的成功，證明了綜采智能化開采技術(shù)是遼寧乃至東北地區(qū)煤礦井下綜采工作面無人化開采的一種行之有效的手段，但目前在復(fù)雜地質(zhì)條件下仍存在技術(shù)瓶頸，提出了在邁向智能化2.0-3.0階段需要解決的技術(shù)難題

關(guān)鍵詞：綜采工作面；中厚煤層；綜采智能化技術(shù)；綜采智能化生產(chǎn)模式總思路

近幾年來，我國各個(gè)行業(yè)發(fā)展十分迅速，同時(shí)也增強(qiáng)了對煤礦資源的需求量，如何實(shí)現(xiàn)煤礦智能化開采技術(shù)已經(jīng)成為行業(yè)、社會重點(diǎn)關(guān)注的問題。對于煤礦開采技術(shù)來說，綜采智能化開采技術(shù)的應(yīng)用也是保障煤礦行業(yè)長足健康發(fā)展的重要因素。

1、發(fā)展現(xiàn)狀

在上世紀(jì)80-90年代時(shí)，美國、德國就開始在回采時(shí)運(yùn)用智能化的采煤技術(shù)，并且智能化的采煤技術(shù)讓歐美國家很多煤礦的日產(chǎn)量大大提高。我國相比歐美等發(fā)達(dá)國家，在智能化采煤技術(shù)方面落后了很多，但隨著裝備制造業(yè)和自動化技術(shù)的發(fā)展，在2004年之后才開始應(yīng)用智能化采煤技術(shù)?，F(xiàn)如今，我國一些較大的煤礦都已經(jīng)開始投資應(yīng)用智能化采煤技術(shù)，截止2018年底目前全國綜采智能化采煤工作面已經(jīng)達(dá)到145個(gè)，其中東三省僅有2個(gè)，而遼寧省的首個(gè)智能化工作面正是小青礦的N2-407綜采智能化工作面。

煤炭開采技術(shù)及裝備發(fā)展迅速，綜采工作面經(jīng)歷了機(jī)械化->自動化->智能化開采。

2、綜采工作面智能化生產(chǎn)的總體思路

綜采智能化生產(chǎn)的總體思路是“兩步走”和”三階段”戰(zhàn)略，“兩步走”即第一步是實(shí)現(xiàn)可視遠(yuǎn)程干預(yù)技術(shù)；第二步是實(shí)現(xiàn)智能自適應(yīng)技術(shù)，”三階段”包括1.0可視遠(yuǎn)程干預(yù)階段；2.0基于透明工作面智能割煤；3.0全面自適應(yīng)開采。

2.1“兩步走”

第一步：實(shí)現(xiàn)可視遠(yuǎn)程干預(yù)式開采技術(shù)：采用以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)綜采設(shè)備數(shù)據(jù)上傳，通過礦井自動化網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)在監(jiān)控中心對設(shè)備的遠(yuǎn)程操控，達(dá)到工作面無人化開采的目的。操作人員在工作面運(yùn)輸順槽或地面監(jiān)控中心遠(yuǎn)程遙控干預(yù)設(shè)備智能化運(yùn)行，同時(shí)在工作面外安排檢修人員和巡視人員，工作面落煤區(qū)域無人操作，實(shí)現(xiàn)有限無人化。

第二步：智能自適應(yīng)：攻克煤巖識別、工作面直線度控制、綜采設(shè)備姿態(tài)定位、安全感知、設(shè)備自診斷等多種技術(shù)，形成一套具有“識別—分析—決策—執(zhí)行”的綜采工作面智能化控制系統(tǒng)，確保綜采設(shè)備自適應(yīng)運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)工作面無人化開采。采煤機(jī)、液壓支架等設(shè)備自適應(yīng)調(diào)整狀態(tài)智能化運(yùn)行，就像汽車、進(jìn)入自動駕駛狀態(tài)一樣。

2.2“三個(gè)階段”

通過可以遠(yuǎn)程干預(yù)有限無人化采煤—基于透明工作面智能割煤—全智能自適應(yīng)開采，逐步從1.0過渡到3.0完全實(shí)現(xiàn)無人全智能自適應(yīng)開采。

3 智能化綜采技術(shù)的應(yīng)用

3.1小青礦中厚煤層智能化開采

小青礦N2-407工作面，煤層厚度2-3.1米，配套全部國產(chǎn)綜采成套裝備ZY6800/15/35型液壓支架，MG400/940-WD型大功率電牽引采煤機(jī)，SGZ-1000/1400型刮板輸送機(jī)，SZZ-1000/525型刮板運(yùn)輸機(jī)，N2-407智能化開采由三大核心技術(shù)為支撐，四項(xiàng)技術(shù)為保障。三大核心技術(shù)分別為SAM綜采自動化控制系統(tǒng)、SAC液壓支架電液控制系統(tǒng)、SAP智能集成供液系統(tǒng)；四項(xiàng)技術(shù)分別為：液壓支架跟機(jī)自動化技術(shù)、采煤機(jī)記憶截割技術(shù)、工作面視頻監(jiān)控技術(shù)、遠(yuǎn)程集中控制技術(shù)。

3.1.1ＳＡＭ型綜采自動化控制系統(tǒng)

ＳＡＭ型綜采自動化控制系統(tǒng)，SAM型綜采自動化控制系統(tǒng)分為“大腦”工作面監(jiān)控中心、“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”工作面工業(yè)以太網(wǎng)、“眼睛”工作面視頻系統(tǒng)、“耳朵”工作面語音通信系統(tǒng)、“思想”工作面控制模型。N2-407綜采工作面自動化控制系統(tǒng)將多種跨學(xué)科技術(shù)（包括工業(yè)控制、以太網(wǎng)、無線、視頻、音頻、通信、液壓等）綜合應(yīng)用。在地面綜合監(jiān)控中心對綜采設(shè)備進(jìn)行自動化控制，確保各設(shè)備協(xié)調(diào)、連續(xù)、高效、安全運(yùn)行，將工人從工作面解放出來，實(shí)現(xiàn)工作面少人化。實(shí)現(xiàn)在采煤生產(chǎn)過程中以采煤機(jī)記憶割煤為主，人工遠(yuǎn)程干預(yù)為輔；以液壓支架跟隨采煤機(jī)自動移架為主，人工遠(yuǎn)程干預(yù)為輔；以綜采運(yùn)輸設(shè)備集中自動化控制為主，就地控制為輔；以綜采設(shè)備智能感知為主，視頻監(jiān)控為輔；即“以工作面自動控制為主，監(jiān)控中心遠(yuǎn)程干預(yù)控制為輔”的自動化生產(chǎn)模式。建立工作面內(nèi)、地面綜合調(diào)度中心2層控制系統(tǒng)架構(gòu)，完成工作面割煤、移架、推溜、運(yùn)輸?shù)攘鞒讨悄芑\(yùn)行。

3.1.2 SＡC型綜采自動化控制系統(tǒng)

SAC型液壓支架電液控制系統(tǒng)對控制支架動作功能具有針對性的完整解決方案。具有全中文顯示，作業(yè)人員通過液壓支架上人機(jī)界面參數(shù)的設(shè)置，液壓支架工況顯示：各支架壓力值、各支架推移行程、各電磁閥動作狀態(tài)、主機(jī)與工作面控制系統(tǒng)通信狀態(tài)。通過安裝在采煤機(jī)和支架上的紅外接收和發(fā)射裝置實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)位置、方向、工作面推進(jìn)度等精準(zhǔn)定位，還會將支架推移行程值、立柱壓力、電液控制系統(tǒng)與工作面自動化控制系統(tǒng)通信狀態(tài)、各電磁閥動作狀態(tài)等反饋給主機(jī)電腦，實(shí)現(xiàn)液壓支架的智能跟機(jī)。

3.1.3 SＡP型綜采自動化控制系統(tǒng)

SAP智能集成供液系統(tǒng)旨在為煤礦提供一套完整的智能化綜采工作面液壓系統(tǒng)供液解決方案，為智能化綜采工作面提供恒壓、配比穩(wěn)定的高質(zhì)量乳化液，其提供工況信息包括：泵站潤滑油油溫、油位、進(jìn)出液壓力、液箱液位、乳化油油箱油位、乳化液濃度，可以提供傳感器故障信息等。這套系統(tǒng)可以保障智能化綜采工作面高產(chǎn)、高效、節(jié)能環(huán)保、長期穩(wěn)定工作。

3.2四項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1液壓支架跟機(jī)自動化技術(shù)

夜壓支架跟機(jī)自動化技術(shù)，依據(jù)傳感器傳輸的信息包括傾角、液壓支架姿態(tài)、采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)等信息，將整個(gè)生產(chǎn)過程劃分為不同的多個(gè)階段，自動決策并控制液壓支架中部跟機(jī)、后部跟機(jī)、端部斜切進(jìn)刀、自動推移轉(zhuǎn)載機(jī)等動作，實(shí)現(xiàn)了工作面液壓支架自動智能化分析。

3.2.2采煤機(jī)記憶截割技術(shù)

采煤機(jī)記憶截割技術(shù)，按照正常進(jìn)刀參數(shù)設(shè)定包括姿態(tài)參數(shù)、滾筒高度，進(jìn)行智能化分析，形成記憶割煤模塊，在自動割煤過程中不斷修改誤差，實(shí)現(xiàn)自動調(diào)高升降、加速和減速等功能。

3.2.3視頻監(jiān)控技術(shù)

工作面視頻監(jiān)控技術(shù)，將人的“五官”延伸到工作面，在智能化綜采工作面運(yùn)輸機(jī)頭，轉(zhuǎn)載機(jī)頭、和工作面液壓支架上均安裝視頻監(jiān)控?cái)z像儀，其中液壓支架上視頻監(jiān)控?cái)z像儀分為兩種，一種是監(jiān)視上幫煤壁狀態(tài)的每6架安設(shè)1臺，另一種是監(jiān)視采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的每3架安設(shè)1臺。通過在工作面安裝攝像儀，實(shí)現(xiàn)自動追蹤采煤機(jī)，自動完成視頻轉(zhuǎn)換、視頻銜接等功能，為實(shí)現(xiàn)工作面遠(yuǎn)程監(jiān)控提供“身臨其境”的視覺感受，指導(dǎo)遠(yuǎn)程生產(chǎn)。

3.2.3遠(yuǎn)程集中控制技術(shù)

遠(yuǎn)程集中控制技術(shù)，在順槽列車上或地面打造一個(gè)“綜合監(jiān)控中心”。按下“一鍵啟停”按鈕，工作面的設(shè)備按順序依次啟動。設(shè)備數(shù)據(jù)高速上傳和控制信號實(shí)時(shí)下達(dá)，控制延時(shí)不超過300ms；當(dāng)生產(chǎn)過程出現(xiàn)偏差，如工作面煤幫層位發(fā)生變化或由于支架參數(shù)紊亂，影響工作面正常推進(jìn)時(shí)，可及時(shí)進(jìn)行人工遠(yuǎn)程干預(yù)。

3.3應(yīng)用效果

小青礦N2-407工作面是遼寧省首個(gè)智能化綜采工作面，成為遼寧省中厚煤層復(fù)雜地質(zhì)條件下智能化開采代表性工作面，采用國產(chǎn)成套裝備，配置智能化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了工作面“以采煤機(jī)記憶截割+支架全工作面跟機(jī)自動化；形成1人地面綜合監(jiān)控中心操作，工作面2人巡視遠(yuǎn)程干預(yù)為輔的常態(tài)化生產(chǎn)模式；作業(yè)人員由13人遞減至3人，基本實(shí)現(xiàn)了工作面無人操作，有人巡視，遠(yuǎn)程干預(yù)的有限無人化生產(chǎn)模式。通過該項(xiàng)目的實(shí)施，可達(dá)到以下兩點(diǎn)效果：一是將工人從操作工變成巡檢工，由設(shè)備的自動化替代人工勞動，大大降低了工人的勞動強(qiáng)度；二是將工人從危險(xiǎn)的工作面解放到相對安全的地面綜合監(jiān)控中心，在監(jiān)控中心對設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，提高了工人的安全系數(shù)。

3.4存在問題

a、成套裝備在各控制系統(tǒng)、傳感器等方面穩(wěn)定性、可靠性有待加強(qiáng)，對智能化綜采工作面的開采技術(shù)支撐不夠，設(shè)備檢修維護(hù)量大；

b、記憶割煤只適用于煤層傾角小、地質(zhì)構(gòu)造簡單的工作面，對煤層傾角和地質(zhì)條件變化大的工作面適應(yīng)性有待加強(qiáng)；

c、利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和視頻監(jiān)控將人的眼睛延伸到工作面，但實(shí)際上開采過程中仍依賴于操作人員的經(jīng)驗(yàn)與主觀判斷，缺乏客觀依據(jù)，而且還常常面臨觀察視角受限、光照效果不好、煤塵干擾等諸多問題；

d、技術(shù)型、知識型、創(chuàng)新型人才接續(xù)不上，難以適應(yīng)智能化工作面的開采需要。

4 邁向綜采智能化2.0-3.0階段需要解決的技術(shù)難題

????邁向綜采智能化2.0-3.0階段，實(shí)現(xiàn)基于透明工作面智能割煤甚至全智能自適應(yīng)開采，需要對工作面全過程進(jìn)行全面地感知、系統(tǒng)的建立地質(zhì)三維數(shù)據(jù)庫，信息集成與自適應(yīng)智能化分析控制，必須建立統(tǒng)一綜采自動化智能化分析控制系統(tǒng)，只有解決了如何建立自動化智能分析控制后，才能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)對井下工作面環(huán)境、裝備進(jìn)行感知數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析，最后集成控制綜采裝備，從而進(jìn)行自適應(yīng)開采，實(shí)現(xiàn)真正的無人化開采,另外急需培養(yǎng)大量的中高端技術(shù)人才以適應(yīng)技術(shù)革新。

結(jié)束語

???從嚴(yán)格意義上講，智能化開采1.0只是工作面無人化開采征途中的一小步，為無人化開采提供了一條技術(shù)途徑。智能化開采是復(fù)雜的系統(tǒng)工程，應(yīng)綜合考慮裝備、環(huán)境、地質(zhì)、采礦、技術(shù)人才等多方面因素，是多種領(lǐng)域技術(shù)的交叉與綜合，真正實(shí)現(xiàn)全智能自適開采還有很長的路要走。

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