采煤工作面智能化建设关键技术的应用研究.pdf

CHINA COAL VISION煤炭新视界煤 矿 采 掘采煤工作面智能化建设关键技术的应用研究刘磊，邵波（枣庄矿业集团新安煤业有限公司，山东 济宁 277600）摘 要：采煤工作面的智慧化和掘进工作面的智慧化是煤矿企业“智慧矿山”发展的核心。针对采煤工作面的智能化建设，探讨采煤工作面智能化发展历程及智能化采煤工作面技术架构，重点对智能化采煤工作面关键技术进行分析，总结智能化采煤工作面应用效果。关键词：采煤工作面；智能化建设；关键技术中图分类号：TD82文献标识码：A0引言采煤工作面智能化是煤矿企业生产力发展的重要标志，也是一代又一代采煤人梦寐以求的梦想。如今，这个梦想随着现代科技的迅猛发展而即将成真。网络信息技术、人工智能技术、控制技术等现代技术综合应用到煤炭开采技术中，实现采煤工作面由机械化、自动化到智能化的新阶段，生产方式发生重大改变。然而，与发达国家相比，我国采煤工作面智能化发展的先进程度还有待提高，煤矿普及应用程度差别较大，距离全面形成生产力还有相当一段距离，因此要不断探索、改进提高。1采煤工作面智能化发展历程枣矿集团各煤矿生产均面临着结构性缺员、地质条件复杂、安全压力大等问题，特别是新安煤业公司受南四湖自然保护区影响，采煤工作面生产面临更多困难，如果仍然按照传统的煤矿开采方式，不能保证安全生产。煤矿在矿井原有的智能化、信息化系统基础上，通过充分融合大数据分析、5G 技术和云计算等手段，在矿山中探索并建立智能化采煤工作面。其过程经历了“三步走”：首先，逐步实现机械化采煤设备向自动化采煤设备的过渡；其次，建立远程监控体系，实施对采煤工作面实时监测和控制；最后，建立具备智能化技术手段的管理控制平台，实现对采煤工作面的智能化高效管理和控制1。2智能化采煤工作面技术架构针对煤炭企业智能化采煤工作面，有关技术专家对其做出技术界定，即：采煤工作面中的生产装置包括采煤机、液压支架和运输机等必须具有相应的独立感知、独立管理操作的自动化功能，基于物联网、工业大数据以及云计算等技术手段来实现。智能化采煤工作面的建设需要应用的关键技术主要包括：三维地理数据建模、采面设备位置信息收集、采煤机精确惯性导航和定位系统、环境和设备状态感知、智能交互技术、多源信息融合技术以及采煤自动化软件平台技术和协同控制技术等。煤矿在智能化采煤工作面技术构架的搭建中，综合应用上述技术，以实现工作面的高效、安全、智能化运行。技术体系的构建见图 12。图 1 智能化采煤工作面技术构建示意图3智能化采煤工作面关键技术分析3.1 采煤空间三维地质信息建模技术精确程度较高的三维地质信息模型是煤矿企业进行智能化煤炭开采作业的重要媒介。由于开采条件的复杂化和地理测量手段的局限，使采煤工作面的三维地质建模技术成为影响智能化采煤工作的重要因素。采煤空间三维地质信息建模技术是一种基于地质勘探数据的数字模型建立方法。它能够将采煤区域的地质信息进行三维建模，从而为采矿活动提供重要的数据支撑。具体来说，这种技术主要包括以下几个步骤：109煤炭新视界CHINA COAL VISION煤 矿 采 掘首先，利用地质勘探手段获得采煤区域的地质信息，如地层岩性、构造特征等3。其次，采用数学建模和计算机技术，将这些地质信息转化为数字模型，即采煤区域的三维地质模型。最后，通过对这个模型进行分析和处理，提取出有用的地质信息，如煤层厚度、煤质等，以支持采矿活动的决策。此外，采煤空间三维地质信息建模技术还可以为采煤掘进提供更加科学和精准的规划和设计方案，减少施工过程中的安全风险和环境影响。同时，在煤炭资源的智能开采和利用方面，也可以利用这项技术实现更高效的煤炭开采。采煤空间三维地质信息建模技术在矿业勘探中具有广泛的应用前景，它能够为采煤行业提供有力的技术支持，使采煤活动更加安全、有效，实现采煤掘进作业的可持续发展4。3.2 环境和设备状态感知技术煤层地质内外环境的演化状态以及采掘作业运载设备正常运转状态的感知是采煤工作面智能化建设的基础。采煤作业的环境相对复杂，面对粉尘、煤屑等干扰因素的影响，对于传感器的可靠性以及稳定性提出更高层次的要求。将光纤传感器技术、5G 通信技术应用到采煤工作面中，不仅能够最大程度地提升工作面的状态感知能力，而且能够为后续的采煤掘进作业提供精确引导。光学传感技术是当前处于领先地位的传感器技术之一，该技术能以应用于风速传感器、分布式温湿度传感器、振动传感器、甲烷传感器等矿用传感设备的方式，解决现有矿用传感器感知信息不全、精确度不高的现状问题，有效提升采煤工作面状态感知的准确性和广度。此外，应用 5G 通信技术、NBIOT 等现代化技术手段，能够为采煤工作面提供稳定的网络信号传输，再结合煤矿采煤作业的发展规律以及经验数据，搭建出“人-机-环”运转状态实时诊断和识别的模型，就能够实现对采煤工作面设备运行状态的高精度感知5。3.3 采煤机高精度惯性导航定位技术在自动化、智能化采掘作业流程中，对采煤机的精确导航与操控可以使得采煤作业面呈垂直方向并与巷道的走向处于正交状态，使支架与刮板输送机受力良好。惯性导航技术通过陀螺仪或者加速度计来确定目标物体的实际定位信息，使用高准确度的惯性导航系统可实现采煤机的精准导航，从而完成对采煤过程的高效监控和自动找直线控制。为解决惯性导航和采煤机之间数据通信、起始点校准、支架推移调整控制等难点，采煤机就可配备高精度惯性导航定位系统。该系统由高精度陀螺仪和惯性导航系统两部分组成，能够实时测量并记录采煤机在三维空间的位置和运动轨迹，并根据采煤工作面的特定条件生成液压支架电液控制推移刮板输送机所需的数据，同时通过射频发射器与支架电液控制器进行信息通信，实现对液压支架的精准控制及刮板输送机的智能控制。3.4 智能化综采工作面控制系统智 能 化 综 采 工 作 面 控 制 系 统 由 采 煤 机、液 压 支架、刮板输送机、破碎机、转载机和供电系统组成，通过以太网和现场总线等技术手段建立起采煤工作面的视频系统。智能化综采工作面控制系统能够实现设备和视频信息的实时、动态监控，通过对采煤设备的自动化控制，实现人机分离的采煤作业。该系统的软件平台具备自动化监测和控制功能，包括采煤机工况显示、运输设备工况显示、液压支架工况显示、泵站系统工况显示、采煤设备保护信息显示以及语音系统状态显示等。这一平台不仅可以实现采煤工作面的自动化控制和监测，而且系统具备的故障定位查询功能，能够使得相关管理人员在监控中心及时对视频进行查询、储存和管理，进一步提高采煤效率和工作安全性6。3.5 采煤技术设备协同控制管理技术在当前阶段的煤矿开采作业过程中，采煤机、刮板输送机、液压支撑、远程控制器和工作面视频等都实现了一定意义上的智能化建设，但是因为没有相对科学的协调联动机制，致使各个系统间出现相互独立的局面。煤矿企业应在煤流量实时感知的基础上，搭建出基于带式输送机、前后刮板输送机监测的智能化决策系统，以此来实现采煤机、液压支架、刮板运输机的协调联动效果，最大程度地提升煤矿采煤工作面的开采效率。采煤技术设备协同控制管理系统需要实现对液压支架、采煤机、泵站等设备的远程集中控制。针对液压支架的远程操作，以电液控计算机画面和视频工作面作为辅助控制手段，实现对液压支架的远距离自动化管理，包括液压支架的减架、升架、拉架的操作，以及对刮板输送机成组式的推移等功能。同时，采煤技术设备协同控制管理系统还需要支持对采煤机运行的远程启停，采煤滚筒的升降、左牵右牵和急停等技术动作的控制。此外，在工作面巷道带式输送机控制方面，采煤技术设备协同控制管理系统集中自动控制具备自动启停和软急停闭锁功能，可通过控制运输设备上的急停按钮实现巷道带式输送机的软急停。在工作面抽水站的集中自动控制管理工作中，双向通信技术的应用实现设备间的信息交互和联动控制，通过识别现场设备的状态，实现远程启停管理以及信息收集，由此来对现场设备的工作状态进行集中性显示等，以更加高效、安全的方式完成采煤作业7。3.6 多源信息融合感知及智能化交互技术在煤矿安全工作状态上的多源信号融合感知及其智能交互技术应用等方面，煤炭企业要结合数字孪生方法，构造出采煤作业面运行过程的动态模型，从而完成对煤矿安全状态的动态化演绎推导。在应用虚拟化、在线仿真技术和虚实融合的交互机制，系统能够对状态演化过程进行智能化交互和干预，以实现110CHINA COAL VISION煤炭新视界煤 矿 采 掘状态演进过程的可视化分析。同时，系统还结合地质信息数据、围岩数据信息、时空数据信息以及关键性设备参数等数据信息，集成环境传感、设备传感、人员传感、实时调度和生产状态等实时数据感知功能。得益于这些现代化技术手段，系统能够全方位地掌握矿井勘探和生产过程中的关键信息，进行精细化的干预和调控8-10。3.7 采煤工作面设备故障诊断技术通过分析相关设备的实时运行监测数据，在煤矿采煤工作面的智能化控制系统中，设备故障诊断技术能够实现对设备故障原因和状态的预警和处理，由此为智能采煤管理系统的科学、有效工作奠定技术保障。煤矿企业监控管理中心已经具备对采煤机、液压支架和刮板输送机等设备故障进行诊断的能力，其故障诊断系统不仅可以检测采煤机的通信故障、分段执行的时限和累计时间、定位错误等，还能判断输送机是否在过载后继续运转，还涉及对液压支架系统的参数错误诊断、输入输出错误诊断、通信错误诊断、人机交互错误诊断、采集数据故障判定、超出量程报超限诊断、数值恒定不变时报故障判定以及安全操作装置故障诊断等方面。对于刮板输送机的诊断方面，可以完成对机械设备各台减速器、电机的工作温度、电压、电流等参数信息的监测判断，由此来完成对机械设备工作数据的信息提示、告警以及数据传输。4智能化采煤工作面应用效果分析经过将上述智能化控制技术手段应用到智能化采煤工作面，并通过不断地磨合和完善，煤矿企业最终成功调试出适合煤矿采煤作业的智能化、自动化系统。在连续性的调试操作过程中，采煤工作面的所有采煤机械设备均能够正常工作并高效安全地进行采煤作业。智能化系统充分考虑了煤矿实际情况，并结合矿井的特点进行优化设计。通过引入智能化技术手段，煤矿实现了对采煤工艺的全面控制和监测，使得采煤工作面的机械设备操作状态参数和采煤工艺性指标都达到了最优状态11-12。第一，采煤工作面的机械设备操作更加稳定和精确。能够实时监测和调整采煤机械设备的工作状态，包括速度、位置、负荷等参数，从而提高设备的运行稳定性和可靠性，采煤工作面机械设备能够更好地适应复杂的煤层地质条件，并有效地避免设备故障和停机造成的生产损失。第二，提升采煤作业的效率和安全性。通过智能化技术手段，能够实现对采煤工艺的精细化管理和优化调整。系统能够自动分析煤层的性质和采煤工况，并根据实时数据进行运算，调整采煤机械设备的工作参数，以达到最佳的采煤效果。这种智能化调整不仅提高采煤的产量和效率，还减少了煤矿事故的发生概率，保障采煤作业的安全性。5结语综上所述，随着煤矿开采科学技术手段的不断创新发展，在采煤作业过程中，推进采煤工作面智能化是实现煤矿企业可持续发展的必由之路。大部分煤矿企业已经开始在实际生产作业中尝试和实践采煤工作面智能化建设，并取得较好的实际应用效果，在实践过程中解决还存在的诸多亟待解决的问题，要加强相关技术研究工作，积极引入国外先进的技术手段和理念，在结合煤矿企业自身发展实际的基础上，不断优化和完善出适合实际发展需要的智能化采煤工作面。参考文献：1付 超 云.智 能 化 采 煤 工 作 面 建 设 关 键 技 术 研 究J.科学技术创新，2021（29）：111-113.2黄书翔.智能化采煤工作面关键技术及应用J.煤炭科学技术，2021（1）：27-34.3魏明华，曾现策，宋忠亮，等.智能化精品采煤工作面创建关键技术研究与应用J.能源技术与管理，2021（2）：25-27.4苏杰，王新坤.寸草塔煤矿综采工作面智能化建设关键技术研究与应用J.煤炭科学技术，2022（S1）：250-256.5王国法，徐亚军，孟祥军，等.智能化采煤工作面分类、分级评价指标体系J.煤炭学报，2020（9）：3033-3044.6杨俊哲，胡博文，王振荣.8.8m 大采高工作面覆岩三带分布特征及分层沉降研究J.煤炭科学技术，2020（6）：42-48.7王虹.综采工作面智能化关键技术研究现状与发展方向J.煤炭科学技术，2014（1）：60-64.8张建国，朱同功，杨党委.深部煤层智能化大采长综采工作面关键技术研究J.煤炭科学技术，2020（7）：62-72.9宁 鑫 隆.大 采 高 综 采 工 作 面 回 采 工 艺 设 计 研 究J.矿业装备，2021（3）：34-35.10 雷照源，姚一龙，李磊，等.大采高智能化工作面液压支架自动跟机控制技术研究J.煤炭科学技术，2019（7）：194-199.11 张科学，李首滨，何满潮，等.智能化无人开采系列关键技术之一综采智能化工作面调斜控制技术研究J.煤炭科学技术，2018（1）：139-149.12 李首滨.智能化开采研究进展与发展趋势J.煤炭科学技术，2019（10）：102-110.责任编辑：张梦111