煤矿带式输送系统监测与安全保障关键技术研究与应用.pdf

2023 年 8 月Aug.,2023doi：10.3969/j.issn.1672-9943.2023.04.042煤矿带式输送系统监测与安全保障关键技术研究与应用（枣庄矿业（集团）有限责任公司蒋庄煤矿，山东 枣庄 277519）摘要 虽然目前我国煤矿运输系统的机械化、信息化和智能化程度较高，但各环节的信息不能有机融合。为确保煤矿带式输送系统安全运行，提升设备的运行效率，改善职工的工作条件，根据现场工况研究相适应的运行安全监控系统，依托智能技术，对输送带运行速度、煤流量和异物识别进行监测和控制，并对获取的数据进行优化分析，得出控制系统的最佳运行状态，从而显著提高输送机的输送效率，实现智能监测管理和运行，提升能效。关键词 煤矿带式输送机；AI 智能监测；节能调速；智能运行中图分类号TD528.1文献标识码B文章编号1672蛳 9943（2023）04蛳 0132蛳 030引言在煤矿运输系统中，带式输送机是煤矿生产的主要运输设备，更是耗能大户，确保其高效运行，对整个矿井的生产至关重要。另外，一旦运输机相关事故发生，将会直接造成输送带停机、煤矿生产停止。因此，对输送机进行 24 h 安全监控，实现输送机智能化运行是当前带式输送机技术的发展方向，也是煤流输送系统无人化运行的必然趋势。1项目研究的意义及背景带式输送机在设计时由于要考虑生产过程中出现的过载情况，在选择驱动电机时通常都会保留足够的功率裕量。而在实际生产中，带式输送机通常很难达到满载状态，容易出现“大马拉小车”的现象咱1暂。根据带式输送机运量智能化调速、“煤多快转、煤少慢转、无煤待机”、提高带式输送机运行效率、节能降耗已成为各大煤矿企业的诉求，也是目前各大煤矿企业的研究重点。前期研究表明，主要从设备和运行 2 个层面提高输送机的能效。通过新引进高效率的输送机虽然能降低能耗，但需要额外的投资来更换设备。本研究从运行的角度入手，根据运煤量的多少，实时调整输送机的带速，从而显著提高输送机的输送效率，提升能效。蒋庄煤矿与中国矿业大学合作，融合动态计量与计算机视觉技术，智能监控输送带的开停状态、瞬时流量及设备的供电情况，从而提供输送机运行效率分析信息，实现带式输送机的安全、智能、高效运行。针对固体物料计量，蒋庄煤矿采用非接触式光波皮带秤，其动态误差为0.5%，最大误差不超过1%。为避免测量精度受外界因素的干扰、保障煤流的安全输送，项目引入 AI 智能识别高速摄像仪。该摄像仪基于计算机视觉的实时煤量估计，其计量精度能够满足主煤流带式运输系统的运量估算、变频调速以及能效评估的要求，对煤流大小进行测量后，利用动态优化技术，建立基于电机动态模型的输送机能耗模型，实时控制变频器的输出频率，从而使其按照与其输送量相匹配的速度运行，以实现经济运行。该研究采用先进的数字化视频技术、AI 图像智能识别技术以及模糊控制技术，利用煤矿井下胶带运输机沿线的视频监控图像，监视和识别输送带运行状况，对锚杆、矸石、堆煤、非法运人等异常情况进行识别，通过视频智能识别分析，输出报警信号，并能控制输送带停车，能够有效遏制重大事故的发生。2带式输送系统监测与安全保障关键技术2.1带式输送机故障诊断技术在故障诊断子系统中，为了能够实现控制系统功能，主要利用地面控制计算机、井下 PLC 控制主站和 3 个分站来完成带式输送机的控制动作。其中地面控制计算机用于监视和控制井下设备；控制主站主要是采集各个分站信号、与地面控制计算机进行通信、与就地操作箱进行数据交换、采集机头的各个传感器信息、与故障诊断系统进行数据交换、控制报警器以及整个系统。驱动电机故障诊断方案如图 1 所示。能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 4 期Vol.48 No.41322023 年 8 月Aug.,2023吴显辉，等煤矿带式输送系统监测与安全保障关键技术研究与应用图 1驱动电机故障诊断方案为了实现带式输送机驱动电机的故障诊断功能，采用数字信号处理（Digital Signal Processing，DSP）作为核心数据处理单元，在 DSP 芯片内嵌入多相系统算法程序，通过应用电流传感器采集电动机电流来检测驱动电动机的运行状态。这相当于是在 DSP 内集成了电动机故障诊断系统，不需要使用任何的外部硬件；利用机器学习技术对检测到的传感器数据进行分析和处理，给出驱动电机的故障状态和故障类型。依据该技术方案及故障诊断原理，针对现场使用最多的永磁同步电机建立数学模型进行专项研究，优化故障诊断和控制策略。通过转子失磁、定子匝间短路的故障分析和诊断方法进行分析和信息融合后，数据可信度分配具有更明显的可分性，故障诊断的精度可靠性显著提高。2.2带式输送机节能控制技术带式输送机节能控制技术是利用光波皮带秤和计算机视觉技术实时动态测量煤流，对带式输送机的运行阻力和功率消耗进行建模，使用深度神经网络（DNN）建立煤流量、输送带运行速度和系统总功率的节能优化模型，采用模糊控制构建带式输送机驱动电机变频器的控制策略，并使用 PLC 实现基于模糊规则的驱动电机变频。该技术主要由基于视觉技术的带式输送机煤流量检测装置、带式输送机变频调速控制装置及矿井输煤系统智能控制管理平台 3 部分组成。具体内容及成果如图 2 所示。图 2煤流智能控制系统具体实施途径：（1）设计一种基于遗传算法的模糊 PID 控制器，使其能够根据煤流量的变化进行自动调节，从而实现带式输送机的智能运行。（2）针对井下带式输送机煤流量检测技术存在的问题，提出了一种基于视觉技术的煤流量快速、准确的检测方案。（3）实现带式输送机调速控制，将输送带的运行速度与实时煤流量建立关系，根据煤流量的变化自动进行速度调节，从而实现智能控制。带式输送机在进行调速控制时，一个关键问题就是如何根据煤流量的检测结果，给出一个最优的输送带运行速度值，从而保证带式输送机处于满载状态下运行，以实现优化节能控制。煤流量快速、准确检测方案如图 3 所示。T、棕 参考值T、棕 反馈PLC控制器PWM发生器PWM1PWM6DSP 算法电流传感器显示屏故障检测与决策与故障信号同步的参考系环网交换机图中未标注图形释义：防爆摄像头激光发射器各种监测传感器矿井输煤系统智能控制管理平台工业以太网基于视觉技术的带式输送机煤流量检测装置带式输送机 n#电动机 n#变频器 n#电动机 1#变频器 1#PLC 控制器PROFIBUS带式输送机变频调速控制装置1332023 年 8 月Aug.,2023图 3煤流量快速、准确检测方案2.3带式输送机智能管理技术为实现矿井输煤系统的可视化监控及智能管理，利用 Visual Studio 2019 开发平台并基于 C#.NET语言设计矿井输煤系统智能控制管理平台软件，通过该软件对井下输煤系统的主要设备进行信息采集、处理及显示，并利用 MySQL 数据库技术对众多数据进行存储，通过对数据的分析和处理来帮助企业的管理人员制定合理的生产计划。智能管理系统实时显示栏能够用于显示当前设备实时采集的画面、摄像头参数及状态，以及经图像处理算法模块获取的煤流量等信息，它还是软件进程可视化的窗口。在鼠标双击设备栏内的某一摄像头设备后，其监控画面及煤流量检测结果等信息将会在实时显示栏实时展示和动态更新。该管理系统如图 4 所示。图 4智能管理平台系统画面通过系统的智能监测和管理，实现煤流监测，以实现煤流智能运行。在实践现场中，从煤流量检测结果曲线的波动情况及走势可以看出，本文提出的带式输送机煤流量检测方案能够对煤流量进行快速检测，并且检测结果与实际的煤流变化趋势相匹配。2.4基于零样本学习的输送带异物检测技术异常检测是计算机视觉领域一个比较经典的问题，它旨在区分正常样本和非正常样本。从字面上看，像是普通的二分类问题，其实不然。异常检测有一个内在的属性：样本极其不平衡，即正常样本非常多，不正常样本非常少。极端情况，训练阶段见不到任何不正常样本，该问题就变成了单分类问题了。本文提出的 GANomaly 方法，就是针对这种极端情况的。主要解决途径有：针对煤矿特殊的工矿环境，提出改进亮通道先验的低照度图像增强算法；针对异常样本较难捕获且异物种类繁多，采用零样本学习检测异常图像；针对样本较少，融合注意力机制和跳跃连接机制，提升检测的准确率。在 GANomaly 算法结构基础上，将原来的蝶形编码器部分加入跳跃连接，并且减去第二部分的编码器，以此来减少网络复杂度。Skip Connection 又叫做跳跃连接，通常用于残差网络，并且在较深的网络中，具有解决训练过程中梯度爆（下转第 165 页）图像预处理煤流量计算瞬时截面积计算激光条纹中心线提取及断线修补皮带轮廓激光条纹中心线煤流激光条纹中心线S驻Xi驻Hi000.000煤流量/%频率/Hz速度/（m/s）电流/A000.000煤流量/%频率/Hz速度/（m/s）电流/A4162.515.8煤流量/%频率/Hz速度/（m/s）电流/A000.000煤流量/%频率/Hz速度/（m/s）电流/A煤流量 频率速度电流枣 矿 集 团 蒋 庄 煤 矿 智 能 煤 流 控 制 系 统北十二部皮带智能煤流调速北十一部皮带智能煤流调速北二皮带智能煤流调速煤流量 频率速度电流调速设置实时值实时值实时值实时值调速设置调速设置调速设置手动调频：手动调频：手动调频：手动调频：HzHzHz远方手动远方手动远方手动自动调频允许自动调频允许自动调频允许自动调频允许Hz16远方手动北一皮带智能煤流调速集中监控 一键控制 智能调速 安全管控 故障诊断 在线监测 参数设置 曲线查询000煤流量 频率 速度 电流90807060504030204.504.003.503.002.502.001.501.0010090807060504030203530252015105能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 4 期Vol.48 No.4建设单位：徐州兆恒工控科技有限公司2021-08-23T22：04：561342023 年 8 月Aug.,2023（上接第 134 页）炸和梯度消失的问题。在改进算法结构中 Skip Connection 主要用于解码器和生成器相对应层之间的连接，由于通过层之间的直接信息传输，保留了局部和全局的信息，使得解码器更好地重建图像，由此解决 Ganomaly 算法梯度弥散的缺点。注意力机制类似于人类大脑，当接收较多信息时，能够从中选择一部分对自己有用的信息进行处理，而相对于其他重要性比较小的信息则选择性忽略。也就是说，注意力机制在处理信息时，对重要信息赋予较高的权重，而不相关信息赋予较低的权重，并且不断地对权重进行调整，适用于各种环境。该 Attention 机制可以在生成器模型中结合上采样和下采样相同层的特征图，使得模型更好地捕获图像目标特征，同时避免上采样过程中图像特征细节丢失。该技术应用的优点有：一种独特的无监督对抗训练模型；不受异常情况种类的限定，能够对突发情况进行判别；生成器部分加入 Attention 机制，较好地捕捉感兴趣的图像特征，提高算法的精确度；在公开数据集和输送带运输图像数据集上的性能上优于现有算法。3结论本研究从动态计量和计算机视觉技术入手，利用动态优化方法对输送机的能耗进行建模，从而实现带式输送机的安全智能高效运行，利用基于人工智能技术的安全管理系统，可有效减少异物对输送带的损害，避免人员非法作业对带式输送机的损害。该研究成果在北十采区应用后，每月减少运输事故造成的非正常检修 5 次，平均每次影响生产约 3 h，则每月减少影响时间 15 h，按原煤产量300 t/h、原煤单价 700 元/t 计算，则每月可实现创效 315 万元；同时，系统使用永磁直驱设备安全高效、智能调速运行，平均节电约 27.6 万 kW h/a，按电价 0.6 元/kW h 计算，则节约电费约 16.56 万元/a；另一方面主运煤流系统安全高效运行，提高了自动化控制水平，减少了岗位操作人员 12 人，按人均年收入 12 万元计算，则每年可节约人工费用约 144 万元。综上所述，每年可实现经济效益3 940.56 万元。通过对安全生产过程进行智能识别，实现煤流系统的自动化、高精度、无人值守过程的分析和管控，从而提升带式输送机安全生产预防水平。同时，探索在智能化条件下的安全生产管理模式的创新，也大大提升了带式输送机的安全管理水平。参考文献1雷汝海，赵强.矿井带式输送机节能优化与智能控制系统研究 J.煤炭技术，2017（12）：184-186.作者简介吴显辉（1982-），男，高级工程师，毕业于贵州工业大学电子信息工程专业，长期从事矿井大型设备关键技术、智能化装备技术研究工作。收稿日期：2022-11-18从图 4 可以看出，在工作面底板下 45 m 附近发现 1 处异常区，命名为 1 号异常。该异常主要分布在切眼右侧 518613 m 范围内，贯穿整个工作面，异常核心靠近运输巷一侧。因此推断其可能为底板太原组灰岩岩溶裂隙相对发育并赋水所致。后期，针对音频电透视圈定的 1 号异常区进行了探放水工作，打钻过程中出现卡钻及塌孔现象，终孔后钻孔未出水。依据矿方提供的最新采掘工程平面图，1 号异常位置位于工作面内次一级向斜构造的轴部，该区域应力较为集中，异常主要受构造影响岩性变化所致。3结论（1）采用音频电透视技术能够有效地对 4322工作面底板下含水层中的异常区进行探测，从探测结果及验证情况来看，工作面底板下 70 m 深度范围内岩层的富水性整体相对较弱。（2）音频电透视探测结果具有多解性，探测的低阻异常区客观存在，需要针对异常区域进行钻探验证，以确定异常的性质和真伪。（3）矿井物探的异常分析及防治水患要从多方面着手，只有将物探结果与已知水文地质资料结合起来，并综合分析钻探资料，才能有效保障矿井的安全生产。参考文献1王晓蕾，王晶，姬治岗，等.中国煤矿资源勘察及开采过程中的物探技术现状及发展趋势 J.科学技术与工程，2021，21（4）：1237-1248.作者简介沈永坤（1986-），男，工程师，毕业于河南城建学院测绘工程专业，长期从事煤矿防治水工作。收稿日期：2022-12-27能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 4 期Vol.48 No.4165