同忻矿井安全高效开采智能技术_李征祥.pdf

第39卷第1期2023年2月山西大同大学学报（自然科学版）Journal of Shanxi Datong University(Natural Science Edition)Vol.39 No.1Feb.2023同忻矿井安全高效开采智能技术李征祥1，赵丽娟1*，李迎1，王宜康1，侯均洪2（1.山西大同大学煤炭工程学院，山西 大同 037009；2.重庆一三六地质队，重庆 401147）摘要：同忻矿作为千万吨级别的矿井，在依托互联网技术的基础上，建成了特厚煤层智能综放工作面，拥有了智能放煤关键技术，并且对工作面的设备进行升级，提高了工作效率，还可以通过远程控制和监控系统实现“可视化远程控制+自动化控制”的操作，提高了矿井的安全性。同忻矿智能化矿井的建设，推动了煤炭安全高效生产和自动化水平，为工作人员提供便利的同时也极大的方便了企业管理，促进了煤矿智能化发展的可持续性。关键词：智能化开采；智能综放工作面；安全智能监测中图分类号：TD821文献标识码：Adoi：10.3969/j.issn.1674-0874.2023.01.018山西是我国重要的煤炭能源基地，在全国的煤炭生产和煤炭科技进步中有着举足轻重的地位，提高煤炭开采的机械化、信息化、智能化水平，推动煤炭安全高效生产1-5，是煤炭行业发展的主要趋势。山西提出了转型发展、跨越发展和以煤为基、以煤兴产、多元发展的重大发展战略，提出要围绕煤炭装备制造业高端化，形成集采煤、掘进、输煤、井下基础配件为一体的煤机设备产业链，实现由采掘文明向制造文明的转变。智能化开采是综采技术发展的新阶段，也是煤炭工业技术革命和升级发展的必然要求。智能感知、智能决策和自动控制是智能化开采的三要素6。智能开采区别于一般自动化开采的显著特点是设备具有自主学习和自主决策功能，具备自感知、自控制、自修复的能力。具备这样能力的智能化综采系统才能充分的响应生产环境变化，实现真正意义上的智能化开采，实现有线条件下的无人开采目标。1 特厚煤层综放智能化工作面同忻煤矿于2016年8月建成全国首个特厚煤层智能综放工作面7，之后又相继建成了 8201、8202、8305、8209和8102等多个智能化工作面，系统更加完善可靠。目前矿上智能化工作面融合了采煤机智能记忆割煤、工作面视频监控技术、远程集中控制技术、液压支架跟机自动化及电液控技术、地面及井下“一键”启停等多项新技术，实现了正常连续生产过程中工作面无人操作，所有设备都实现了自动精准控制8。同忻煤矿是晋能控股煤业集团第一个实现了全矿智慧化开采的矿井，极大改善了煤矿工人的作业环境，提高了生产效率和安全系数，真正实现了“自动化减人、智能化无人”的目的9。同忻煤矿智能体系结构框图如图1。同时8102综放工作面实现远距离供电和远距离供液，8209和8305工作面实现了远距离供液，对供液设备及供电设备运行方式进行升级改造，将工作面供液泵站和供电设备布置在工作面外部，有效减少了顺槽内设备列车数量10。通过多点辐射的方式，一个供液站可以为多个工作面供液，减少了设备投入，有效降低了生产成本。设备不在顺槽内布置，便于维护保养，降低了煤尘、震动等因素对设备的影响，能更好地保证设备供电质量和乳化液配比质量，更好地服务于生产11-13。2 特厚煤层智能放煤关键技术2.1 智能放煤关键技术同忻矿 8102 工作面作为首个智能化放煤工作面，较之前工作面相比，在原有的压力传感器、推移收稿日期：2022-10-19基金项目：2019年山西省高等学校科技创新计划项目2019L0754；2021年中央引导地方科技发展资金项目YDZJSX2021B021；2021年山西省高等学校教学改革创新项目J2021485；2022年中国博士后科学基金 2022M723391作者简介：李征祥（1998-），湖北咸宁人，硕士研究生，研究方向：智能开采技术。赵丽娟(1986-)，女，安徽六安人，博士，副教授，通信作者。E-mail：文章编号：1674-0874（2023）01-0088-062023年行程传感器、支架红外线接受传感器等基础上，又增加了主顶梁、掩护梁、后摆梁及测高传感器等智能设备14。根据顶煤厚度、放煤时间、放煤方式选择在地面操作台进行远程放煤操作，采用3轮顺序放煤、每轮间隔3个支架，每个支架从接收信号到放煤结束时间为40 s，通过选择放煤顺序(机组上行还是下行、放煤范围等)，根据倾角传感器进行1个月的试验，确定了最佳放煤口的大小为210280 mm(回高位行程为260 mm)；同时结合测高传感器，根据支架行程，可以适当调整放煤口大小，这样三轮放煤保证了后流煤量充足，同时放煤口的大小又进一步保证了大块矸石不会掉入后溜，从而避免了对设备的损坏和对煤质的影响15。根据目前试验情况，8102工作面实现了自动化放煤。2.2 智能煤量过载放煤报警装置皮带斜巷顺槽控制中心增加了煤量监测报警系统（如图2）。设置当前后溜的电机电流超过180 A、转载电流超过200 A时，此时位于斜巷配电点的报警系统就会预报：“电机过热”语音。该报警语音通过斜巷配电点经塞瓦向工作面各个塞瓦发出语音报警，从而使工作面人员能够意识到煤量大，岗位工种就会做出相应的反应，如机组司机停止割煤、支架工停止走架、放煤工停止放煤，保证各部运输机煤量不过载，避免安全事故的发生。图1 同忻矿井安全高效开采智能技术结构框图(b)工作面塞瓦语音及报警装置(a)斜巷配电点语音报警装置图2 煤量监测报警系统3 同忻矿综放工作面装备智能化3.1 设备应用的升级为了更好预防8102工作面在初次来压期间和见方来压期间矿压治理以及在工作面煤流系统方面的影响，8102工作面较之前工作面存在以下改变：（1）改变支架选型。中间支架阻力由之前的李征祥等：同忻矿井安全高效开采智能技术89山西大同大学学报(自然科学版)2023年15 000 kN增大到目前的21 000 kN，端头支架阻力由之前的21 000 kN增大到30 000 kN。截止目前，工作面共来压17次，每次来压过程中工作面最大压力均达到58 MPa以上。但是通过这几次来压情况看，来压过程中工作面炸帮小，有的几乎没有，说明21 000kN的支架能够很好地应对工作面压力，对工作面顶板能够很好地进行支撑。（2）改变支架护帮板的大小。21 000 kN支架的护帮板较之前工作面有很大改变，增加了护帮板的长度，能够有限的支护煤壁和顶板破碎区域的顶板，对进一步防止工作面漏顶有很大好处。（3）增加前梁侧护。该工作面支架较之前增加了前梁侧护功能，工作面自开采至今，头半部分顶板破碎，架间漏煤严重，增加了前梁侧护功能后，能够有效减少架间漏煤。（4）增大前后流电机功率。工作面前后溜电机由之前的1 050 kW增大到目前的1 200 kW。截止开采至今，未出现压后溜现象。增加电机功率主要考虑该工作面是目前同忻矿倾斜长度最长的工作面，同时又考虑到该工作面煤层较厚的原因。3.2 远距离供液供电的应用该工作面首次使用远距离供液供电，同时将操作台人员从串车位置迁至皮带头位置，真正实现了将人员从工作面和顺槽解放出来。使用远距离供液供电有以下优势：（1）减少了移动串车工作量。远距离供液供电缩短了串车的长度，由原来的 230 m 缩短为目前的88 m，极大方便了检修班拉移串车，减少了工作量。（2）对巷道的适应性更强。之前遇到巷道起伏坡度比较大时，必须稳设2个回柱车，同时必须增加阻车器的数量，保证不发生跑车危险。但是现在串车数量大幅减少后，对巷道的适应性更强，安全系数更高。（3）适应复杂地质条件的能力更强。8102工作面为同忻矿首个孤岛工作面，与两侧采空区均留设6m的小煤柱16，按照8305单侧小煤柱开采情况，6 m小煤柱比之前38 m大煤柱开采，压力有所缓解，但是压力显现仍然严重，采用远距离供液供电后，因为无移变和液泵等重型车，当发生底鼓和帮鼓等情况时，适应能力更强。（4）泵站的稳定性增加。采用远距离供液后，三台液泵均稳设在远距离供液站处，不用随串车迁移，增加了泵站的稳定性能，便于安装、管理和维护，拆卸更加方便，维修空间增加，同时输送乳化油时，不再使用人工进行搬移，节省了大量的劳动力。（5）可重复服务多个综采工作面。选取合适的远距离供液站位置，可以供多个回采工作面使用，减少设备拆除、安装、修理等费用，降低生产成本。（6）避免停采时串车长带来的困难。现阶段煤业集团为多回收煤炭资源，减少停采煤柱过大造成的煤炭损失，要求缩短停采煤柱，最低为80 m，而采用远距离供液供电后，串车长度的减少，有效避免了小煤柱停采时设备列车过长存放带来的困难。3.3 综放工作面远程控制一体化综放工作面远程控制一体化操作台位于进风顺槽与盘区搭接斜巷处，将人员从综放工作面解放出来。该远程控制和监控系统（如图3）主要包括机组远程控制系统、液压支架远程控制系统、三机远程控制系统、皮带远程控制系统、贝克语音通讯系统、视频监控系统等。其中，机组远程控制系统可实现采煤机记忆割煤、智能调高和远程干预控制；液压支架远程控制系统可实现“可视化远程控制+自动化控制”以及自动决策并控制液压支架中部跟机、斜切进刀、端头清浮煤、转载机自动推进等动作和工作面自动连续生产；贝克语音通讯系统可实现工作面语音通讯、急停闭锁机组和支架功能；视频监控系统是在每6个支架配备3台矿用本安型摄像仪，安装于支架的顶梁上，实时跟踪采煤机、自动完成视频跟机推送、视频拼接等功能，实现了生产系统无盲区高清视频监控17。该装置的优点可概括为：安全，工作环境好，作业人员少，生产效率高等。(a)智能集控室(b)远程控制中心图3 智能集控台远程控制中心902023年图5 智能选煤厂监控系统3.4 智能皮带机巡检机器人在运输皮带巷安装巡检机器人（如图4），实现了对巡检区域的环境监测、设备状态监测。并与集控中心进行可靠、稳定、即时的数据交互，将现场温度、声音、图像等数据实时传输给监控中心，可以实现对胶带机的带面、托辊、机架、物料等实时监视，遇到异常情况可以智能识别并可以拍照上传、报警等18；同时可以对经过区域环境、电缆、管路异常状况进行智能识别报警，与经过区域的传感器、基站等可以进行数据交换，达到代替人工巡检的目的。图4 智能皮带机巡检机器人4 安全环境智能化监测系统4.1 井下智能交通管理系统井下交通管理系统和车载管理系统的有效的结合，具有以下功能：（1）通过车载定位再由4G无线通信网络回传井下车辆信息，再通过井下交通管理系统显示井下车辆实时动态信息。（2）井下车辆信息可实现数据存储、查询下井上井的时间和车辆历史轨迹重演功能。（3）车辆区间测速及LED显示，对上行下行测速区段内车辆进行测速，如果有超过井下行驶速度，并通过摄像头抓拍取证，超速则记录违章，并可生成相应的罚单。（4）红绿灯控制及闯红灯拍照，主要路口红绿灯控制，利用地磁传感器自动控制，达到车辆通过时红绿灯实时变换，有效提醒交叉口过车注意安全。4.2 智能选煤厂集控系统洗煤厂主控系统（如图5）的主要监控有重介系统、压滤系统、原煤产品三部分，监测从原煤出井至精煤仓整个洗煤环节，其中监测内容有皮带开停、储煤仓仓位、浅槽分选机入料密度、高岭岩旋流器系统等。实现了对洗选设备的远程监控和一键启停控制，减少了现场工作人员，极大降低了洗煤厂噪声大、高粉尘环境对人员的伤害。李征祥等：同忻矿井安全高效开采智能技术91山西大同大学学报(自然科学版)2023年4.3 智能装车监控系统智能装车监控系统监控整个装车过程设备及煤流信息数据。四座精煤筒仓仓位、24 台给煤机开停、751 皮带开停、缓冲仓吨位、定量仓吨位及专车设备数据监控模拟显示如图 6。实现了对装车过程的远程监控，无需现场跟踪整个装车过程，降低了工人的劳动强度，而且对整个装车过程掌握更加清楚。参考文献1 王国法，庞义辉，任怀伟，等.煤炭安全高效综采理论、技术与装备的创新和实践 J.煤炭学报，2018，43（4）：903-913.2 王国法，徐亚军，张金虎，等.煤矿智能化开采新进展 J.煤炭科学技术，2021，49（1）：1-10.3 王国法，张德生.煤炭智能化综采技术创新实践与发展展望 J.中国矿业大学学报，2018，47（3）：459-467.4 王国法，范京道，徐亚军，等.煤炭智能化开采关键技术创新进展与展望 J.工矿自动化，2018，44（2）：5-12.5 王国法，杜毅博.智慧煤矿与智能化开采技术的发展方向 J.煤炭科学技术，2019，47（1）：1-10.6 吴亚军，王亚军，杨树新，等.特厚煤层综放工作面智能化开采研究与实践 J.中国煤炭，2020，46（11）：49-57.7 高永军.智慧之路聚势而强中国大唐国源矿业智慧矿山建设纪实 J.中国煤炭工业，2022（3）：24-26.8 孙炎宾.全面推进科技兴安着力打造智慧矿山 J.中国煤炭工业，2018（7）：56-57.9 李振.煤矿机械设备电气自动化技术的应用研究 J.内蒙古煤炭经济，2022（8）：19-21.10 乔永军.综采工作面远距离供液系统动态仿真研究 J.上海工程技术大学学报，2019，33（2）：154-158.图6 智能装车监控系统4.4 安全监测监控系统安全监测监控系统主要监测全矿环境的安全运行情况，实现数据实时传输，如模拟量(一氧化碳、温度、风速、风压等传感器采集传输数据)及开关量(设备开停状态、风门开闭状态、风机运行状态等)的显示、设备状态模拟动画显示以及报警、记录等功能，为领导层提供生产决策依据，以提高矿井的安全性和自动化水平19-20。5 结语煤矿智能化的发展是煤炭工业技术革命和升级发展的趋势，对煤矿行业的高质量发展起到了促进作用。同忻矿特厚煤层综放智能化工作面的成功建设和应用，不仅提升了自身效益，也进一步推进优化智能化系统的全面发展，为其他矿井的智能化建设提供了经验和技术支持。922023年11 范京道，李川，闫振国.融合5G技术生态的智能煤矿总体架构及核心场景 J.煤炭学报，2020，45（6）：1949-1958.12 范京道，王国法，张金虎，等.黄陵智能化无人工作面开采系统集成设计与实践 J.煤炭工程，2016，48（1）：84-87.13 黄曾华，王峰，张守祥.智能化采煤系统架构及关键技术研究 J.煤炭学报，2020，45（6）：1959-1972.14 魏其东，喜珩珺，尚晓龙.综采工作面自动化控制系统的探索与应用 J.煤炭技术，2017，36（10）：228-229.15 张钊铭.智能化采煤机械发展现状 J.内蒙古煤炭经济，2020（17）：172-173.16 常成.孤岛小煤柱综放工作面支护技术实践探析 J.能源与节能，2021（2）：195-197.17 任文涛.唐口煤矿智能化放顶煤工作面升级改造技术研究 J.矿山机械，2020，48（1）：1-5.18 杨明.综放工作面远程控制自动化系统的应用 J.机械工程与自动化，2020（2）：212-213.19 王国法，任怀伟，庞义辉，等.煤矿智能化（初级阶段）技术体系研究与工程进展 J.煤炭科学技术，2020，48（7）：1-27.20 范京道.大采高工作面智能化综采关键技术研究 J.工矿自动化，2018，44（12）：1-8.Intelligent Technology for Safe and Efficient Mining in Tongxin Coal MineLI Zheng-xiang1,ZHAO Li-juan1,LI Ying1,WANG Yi-kang1,HOU Jun-hong2（1.School of Coal Engineering,Shanxi Datong University,Datong Shanxi,037009;2.Chongqing No.136 Geological Team,Chongqing,401147）Abstract:Tongxin Coal Mine,as a mine of ten million tons,has built an intelligent fully mechanized caving face in extra-thickcoal seam based on Internet technology.It has the key technology of intelligent coal caving,and has upgraded the equipment of theface,which improves the working efficiency.It can also realize the operation of visual remote control+automatic control throughremote control and monitoring system,which improves the safety of the mine.The construction of intelligent coal mine in TongxinCoal Mine has promoted the safe and efficient production and automation level of coal,provided convenience for the staff and alsogreatly facilitated the enterprise management,and promoted the sustainability of the intelligent development of coal mine.Key words:intelligent mining;intelligent fully mechanized caving face;intelligent safety monitoring责任编辑 王东李征祥等：同忻矿井安全高效开采智能技术93