煤矿智能矿山自动化开采技术与应用_蔡峰.pdf

煤矿智能矿山自动化开采技术与应用蔡峰1，王陈书略2，黄韶杰2(1 中国中煤能源集团有限公司，北京100020;2 中煤信息技术 北京 有限公司，北京100020)摘要:国民经济快速发展，对煤炭资源的需求不断加大，如何提高煤矿生产效率成为社会关注的热点问题。煤矿智能化是煤炭生产方式变革的新方向，当前正处于煤炭智能化开采的初级阶段。煤炭的智能化发展依赖对数据的有效利用，大容量的数据传输成为煤炭智能化开采面临的基础问题。本文研究介绍了煤矿智能矿山自动化开采技术系统的内涵，探讨智能矿山自动化开采技术的应用。关键词:煤矿工程;智能矿山;自动化开采技术中图分类号:F4063;TD67文献标识码:B文章编号:10080155(2023)02013003国民经济不断发展，我国对能源的需求量空前增多，风、水、核能等新能源受限于开发技术，无法支撑经济发展。近年来，煤炭在我国能源结构中占比不断下降，但其在短期内无法被取代。研究安全高效的煤炭开采技术是实现能源可持续发展的有效途径，我国在20 世纪 70 年代引入了综合机械化装备，经过多年发展，从消化吸收到创新赶超取得了巨大发展。煤炭产能大幅提升，但未改变井下人工操作为主要生产手段的状况。国家提出了中国制造 2025 的发展目标，机器代替人工、无人化智慧矿山的发展是必然趋势。国内专家根据我国煤炭赋存形式开展系统研究，党的十九大以来，国家能源集团领军企业努力建设具有全球竞争力的一流能源集团，选择智能矿山自动化开采的项目试点，包括系统建设与采掘设备等子系统的自动化改造。1 煤矿智能矿山自动化开采技术研究煤炭开采是社会关注的重要话题，工业革命后成为推动社会发展的动力，在各行业占据重要地位1。随着时代的发展，石油、天然气等新型能源出现，但煤炭因储量丰富而被称为重要能源。我国多样的地质条件孕育了丰富的煤炭资源，但大量地消耗煤炭资源使煤炭储量大幅削减，煤矿开采中出现视线不清晰、工作环境恶劣、工作危险性大等问题，需要应用智能矿山自动化开采技术，减少安全隐患。11 煤矿智能矿山内涵智能矿山是对数字矿山的自然延伸，数字矿山实现了矿山整体及相关现象的数字化再现，实现生产过程与安全保障的信息化监控，矿山物联网是数字互联网技术的自然发展，利用智能装置对物理世界的感知识别2。智能矿山以数字与物联网为基础，实现生产环节的可视化与物理矿山的虚拟化，是对生产经营流程的再造，是将信息提炼为决策指挥转化为执行能力的过程。智能矿山建设是管理体制与技术创新的结合，主要特征是数据资源的全共享、业务管理的全透明、生产过程的全记录。通过深化信息化与智能化技术，对减员增效、打造安全绿色的智能现代化矿山有着极为重要的作用。智能矿山建设的关键是梳理规范业务流，实现机电生产与环保等业务数据的传递。以 ISA95 为模型设计智能矿山架构，智能矿山的主要技术手段是矿山物联网，以基础设备层支持人员设备信息等基础数据的感知3。在基础设备层、生产控制与执行层，从调度管理的角度构建以虚拟矿山为基础的远程井下精准控制。设置经营管理层，实现环节流程再造。智能化的要点是发现模式与知识，架构中要分层实现支持纵向关键信息的传递，实现生产一线到数据挖掘再到经营决策建设，实现矿山装备自动化、队伍专业化、管理精益化、环境生态化的目标。煤矿智能矿山的自动化设计中要综合信息化技术手段，结合企业的生产经营情况，依据设计框架实现信息化管理，信息化设计框架分为基于工业基础构建自动化综合平台与集团企业网结合业务管理平台。12 智能矿山自动化开采关键技术智能矿山的关键特征是物理层感知范围广泛，为上层应用提供可靠的原始数据。应用层决策支持智能，与海量数据感知对应，要求支持海量感知数据的高宽带集成化传输技术。要积极探索适合大型矿业集团的大数据中心建设模式，为保证智能矿山建设顺利进行，要从系统优化与协同管理角度促进流程再造4。矿山的智能管理系统框架包括数据的采集处理与用户呈现，智能031DOI:10.13487/ki.imce.023198化开采核心技术包括视频监控技术，可以实现综采工作面实时监控，远程人工干预技术液压支架的自动化运作。综采自动化集中控制技术实现设备的全面监控。在智能化开采技术的应用中，液压支架的自动化是关键，液压机的运行环境复杂，需要大量的技术人员对设备进行实时动态监控，导致了运行成本的增加5。设备应用中出现的问题不能被及时发现，会引发严重的工作质量问题，通过动态监测才能确保运行环境的合理。液压支架自动化技术为保证监控系统的有效应用，实现对工作环境的可视化分析，通过操作系统为自动工作提供帮助，及时发现设备运行的问题。矿山开采企业要保证生命安全，为降低安全事故的发生率，要分析事故发生的原因并积极响应。对工作面情况进行动态监测分析，通过网络连接提高工作的可视化水平，保证指挥作业中心能及时查看井下作业状态。我国很多矿产开采企业建立了完善的综采自动化控制体系，实现了机械设备的全面监控管理，结合工作情况设计合理流程，加强井下与地面的联系，可以实现井下作业的全面可视化管理。2 煤矿智能矿山自动化开采技术设计分析我国的煤炭资源有储量丰富、分布广泛的特点，目前已探明煤炭储量占世界总量的 126%，煤炭在我国不可再生能源生产中占比 60%，煤炭行业是我国经济发展的支柱产业，智能化开采成为煤炭行业关注的重要课题6。我国煤炭资源在一次能源消耗中占比最大，薄煤层在我国分布广泛，具有 983 亿 t 的工业储量，生产设备参差不齐、工艺落后，不能达到矿井可持续发展的要求。煤炭行业发展趋势是应用智能开采技术，研究薄煤层综采智能自动化开采技术对提高煤炭企业效益有重要意义。21 智能矿山自动化开采技术系统近些年来，我国大量消耗煤炭资源，使不可再生煤炭资源储量大幅减少，煤矿开采中经常出现安全事故，需要实时监控矿井情况，及时了解矿井底下机器设备运行状况。开发智能监控系统可以提高开采效率，减少煤矿开采中的安全隐患。煤矿开采主要部分包括掘进工作面巷道开掘与采煤工作面开采，煤矿开采智能监控系统分为掘进机巷道掘进工作与采煤机采煤，为实时监控掘进机工作现场情况安装防爆网络摄像头，井下恶劣的环境难以判断掘进面方向，将三维扫描仪安置在掘进机上，可以为掘进面的采集运输提供信息。矿山智能管理系统通过多种方式采集数据，获得煤矿生产设备的运行状态参数等，传感器利用物联网关键技术在矿井的不同地方部署，并采集安全生产与人员定位等实时数据。数据处理部分由生产日报、安全生产隐患与视频图像等数据处理模块及视频服务器组成，数据处理模块用于管理各类数据，应用服务器是数据处理模块与用户呈现层间的桥梁，提供与数据处理模块进行交换的接口。用户呈现部分通过移动设备安装终端系统发起查询请求，系统功能包括提供用户界面的输入查询请求，向服务器发送用户请求，通过不同的方式呈现数据等。矿山智能管理系统移动终端设计包括结构与功能模块业务逻辑，移动终端系统由 UI用户界面、XML 封装与解析等部分组成。矿山智能管理系统是基于 C/S 结构的系统，客户端与服务器是独立的个体，实现客户端与服务器的通信非常重要，需要定义数据交互格式，商定网络传输协议。22 煤炭智能开采技术问题分析目前，我国煤炭智能化开采处于初级阶段，存在明显的智能化短板效应，智能化保障技术薄弱、工业控制软件的自主性较低等问题突出。煤矿智能化经过多年的研究实践取得了许多宝贵经验，包括中厚煤层智能无人开采技术、智能化开采装备研制等，但智能化开采的部分技术处于突破阶段，智能化开采的综合能力是短板，在感知决策与执行环节存在很多不足。煤炭智能化开采系统由许多子系统构成，决策系统不具备系统间的联动决策能力，开采综合管控系统缺乏不同层级权责划分的联动机制，缺乏基础系统及关联决策模型。3 煤炭智能煤矿自动化开采技术应用发展现阶段，世界能源以化石能源为主。我国化石能源占比超过 85%，煤炭作为我国主体能源的基本局面不变。煤炭、石油、天然气的价格比为 1 7 3，煤炭仍是我国最经济廉价的能源。煤炭高效清洁利用技术的成功应用，表明燃煤发电技术可实现更低排放。智能煤矿的自动化开采是煤炭生产新方向。智能矿山的研发关乎集团部门业务流程再造，需要在集团层面进行统一规划及周密部署，要总结煤炭智能煤矿自动化开采技术的实践经验，把握智能煤矿自动化开采技术的未来发展方向。31 智能煤矿自动化开采技术实践榆神矿区位于榆林市北部神木以西，锦界煤矿东西长 12km，原设计生产能力 10Mt/a，主运输系统采用集控化胶带输送机。智能矿山自动化开采技术已实现井下综采，运输通风以自动一体化操作为目标，以跟进相互配合与灵敏感知远程监控操作为手段，以建设生产控制执行系统为核心，实现全自动统计分析、全过程监控人机状态。锦界智能矿山建设总体规划包括设备生产控制执行层与决策支持管理层。系统自动化控制技术包括工作面设备、泵站控制技术及无线通信、视频监控技术。图 1 为智能矿山自动化管理架构。131图 1智能矿山自动化管理架构智能煤矿工作面设备控制系统通过安设无线通信设备，实现集中控制器对采煤机的远程控制，采煤机根据切眼记忆轨迹割煤，改造采煤机电控系统加装采高传感器，采煤机在工作面行走时根据监测齿轮脉冲确认位置，左右牵引部上方安装复位传感器，采煤机行走靠近磁铁时，系统监测到复位信号，液压支架安装红外发射器，使集控系统对采煤机进行精确定位。转载机设负荷传感器，集控系统接收数据对刮板输送机发出停机命令。锦界煤矿由集控系统控制，自动化采煤技术在综采工作面成功应用，形成综合机械化自动割煤工艺，通过两端三角煤的折返点控制采煤机，执行规定的割煤动作。煤矿自动化开采的操作步骤包括根据记忆采高卧底调整左右滚筒高度，机尾极限位置到三角煤折返点，根据设定高度值调整到前滚筒高度;机尾三角煤折返点到机尾极限位置，停牵引自动返刀。锦界智能煤矿自动化开采技术的应用实现了采煤机双向轨迹的自动记忆切割功能，杜绝记忆割煤中采煤机滚筒误割转载机的现象;有效补充记忆割煤中控制不足，减少采煤机自动割煤工艺中人工干预工作量。减少正常生产时工作面的作业人员，降低工作强度，减少员工的职业健康危害;马蒂儿处安装集控系统，实现综采工作面自动化，节约人力成本。锦界煤矿已实现综采工作面自动化，但要实现无人化开采还需突破集控等核心技术;遇到特殊地质构造时，集控操作系统误差大，需要人工干预作业;工作面生产时煤岩粉尘等影响影像采集的清晰度。32 智能矿山自动化开采技术发展方向智能矿山自动化开采技术未来的发展趋势是研发准确的地质信息系统，应用智能矿山物联网技术。矿产资源的地质信息随着工作进度发生变化，地质信息准确是智能矿山的基础，需要合理应用相关设备分析采集的数据，保证矿井内全信息透明化，确保智能化建设水平的提升。我国在地质勘探中广泛应用 3D 技术，可以在日常管理工作中提高效率。要实现智能化矿山，需要不断地创新完善技术。智能化矿山开采中，GIS 技术的应用可实现数据研发，建立透明化开采技术，保证工作的安全。矿山开采中，物联网技术的应用可以构建井下工作人员管理体系，物联网技术与云技术结合应用可以加强数据管理。通过物联网的位置服务建立管理体系，分析工作环境，可以实现网络的自主功能，加强设备人员管理，提高设备的使用安全性。在物联网云计算中，以分步计算为前提，通过构建大数据体系，实现对数据的综合分析。智能矿山的目标是实现开采工作的全面安全管理，确保自动化技术与设备的有效结合。矿山企业的智能化开采可以代替人工开采，提高生产效率。实现智能矿山开采技术的发展，需要制订合理的规划目标。4 结语智能矿山的自动化开采是我国矿山行业的主要发展方向，主要的技术特征是物联网大数据与智能决策，将信息提炼为决策指挥转化为执行能力，通过应用智能自动化开采技术可以保证工作效率提升，促进生产智能化，为我国现代化经济社会的发展提供资源支持。构建智能矿山的基础是规范各领域业务流与数据流，做到全业务数据的贯通，实现业务的整体衔接和一体化管理。智能矿山的显著特征是对知识智慧学习推理形成执行能力，构建具备数据挖掘平台，进行支持集团等多层面高效决策是智能矿山建设的重