煤炭企業轉型升級經驗介紹之中國煤炭科工集團——我國煤礦智能化采掘技術的新進展

中國煤炭科工集團董事長 王金華

我國煤礦智能化采掘技術的新進展

　　智能化開采是在機械化開采、自動化開采基礎上，信息化與工業化深度融合的煤炭開采技術的深刻變革，是指在不需要人工直接幹預的情況下，通過采掘環境的智能感知、采掘裝備的智能調控、采掘作業的自主導航，由采掘裝備自動、獨立完成采掘作業過程。智能化開采具有三大技術內涵：①采掘設備具有智能化的自主采掘作業能力；②實時獲取和更新采掘工藝數據，包括地質條件、煤岩變化、設備方位、開采工序等；③能根據開采條件變化自動調控采掘過程；當智能化采掘設備與自動調度決策集為一體，即形成智能化開采工作麵。
　　針對我國煤礦綜采工作麵生產過程複雜、開采裝備係統龐大、作業環境惡劣等特點，煤炭行業產學研通力合作，經過“十二五”期間不懈探索努力和技術攻關，我們攻克了綜采成套裝備感知、信息傳輸、動態決策、協調執行、高可靠性等關鍵技術，研製出具有自主知識產權的綜采成套裝備智能係統，根據技術現狀提出了“無人操作、有人巡視”的智能化開采生產模式，實現了綜采成套裝備巷道及地麵控製的智能化遠程控製開采，技術和實際應用達到了國際領先水平，滿足了中國煤炭能源革命的需求，引領了我國煤炭科學開采的發展方向。
　　中國煤炭科工集團太原研究院整合優勢資源，進行工藝、裝備創新，成功開發了“掘支運三位一體高效快速掘進係統”。該係統把傳統的掘進、運輸、支護等分步實施的工序，通過新技術裝備有機整合在一起，有效解決了掘進、支護、運輸的同步進行、連續作業問題，實現了掘錨平行作業、多臂同時支護、連續破碎運輸、長壓短抽通風和智能遠程操控的高效一體化運行，第一次在煤礦井下實現了真正意義的綜合掘進機械化，極大地提高了我國煤巷掘進的速度，創造了新的世界紀錄。
　　一、國外智能化開采技術
　　近幾年來，煤炭開采技術裝備發展以澳大利亞、德國和美國等發達國家為主導。煤炭開采領先技術包括澳大利亞聯邦科學院的LASC技術和美國Joy公司的IMSC技術，以下簡要介紹智能化新技術的應用情況。
　　（一）澳大利亞的LASC技術
　　澳大利亞綜采長壁工作麵自動控製委員會(Longwall Automation Steering Committee, LASC)開展了煤礦綜采自動化和智能化技術的研究，采用高精度光纖陀螺儀和定製的定位導航算法，應用於工作麵設備，取得了三項主要成果：采煤機三維精確定位（誤差±10cm）、工作麵矯直係統（誤差±50cm）和工作麵水平控製，完成了工作麵自動化係統原型，同時實現了采煤機自動控製、煤流負荷平衡、巷道集中監控等。通過鑽孔地質勘探和掘進相結合的方式，描繪工作麵煤層的賦存分布，通過陀螺儀獲知采煤機的三維坐標，兩者結合實現工作麵的全自動化割煤，該創新成果突破了煤岩識別難題，另辟蹊徑解決了采煤機準確割煤問題。LASC核心技術包括：采煤機的三維空間定位、自動工作麵拉直、保持工作麵平直、自動調高控製、3D可視化為遠程監控提供虛擬現實等。
　　（二）美國的IMSC技術
　　智能開采服務中心(Intelligent Mining Service Center, IMSC)是美國JOY公司推出的一種適用於長壁工作麵的遠程智能增值產品/服務係統，可實時監控煤礦設備運行，根據出現的報警、故障信息，及時發郵件或電話通知礦井工程師進行調整。智能開采服務中心每日、周、月和季度向礦井提交運行03manbetx 報告，指導礦井提高運行管理水平，合理安排設備檢修。作為一種增值產品/服務，在澳大利亞布裏斯班的Anglo礦業公司總部設置總調度室，對所管轄礦井進行實時監控，利用數據監測與03manbetx 係統，03manbetx 生產過程設備運行參數，對礦井生產給予指導，取得了提高產能、減人提效的經濟效益。
　　二、我國智能化開采技術
　　我國煤礦的智能化開采在最近十年尤其是“十二五”期間取得了長足的進步，開啟了我國智能化開采的新時代。以采煤機記憶截割、液壓支架自動跟機及可視化遠程監控為基礎，以生產係統智能化控製軟件為核心，實現了在地麵（或巷道）綜合監控中心對綜采設備的智能監測與集中控製，確保工作麵割煤、推溜、移架、運輸、消塵等智能化運行，達到了工作麵連續、安全、高效開采,另辟蹊徑地詮釋了國內智能化開采技術的新概念。
　　（一）智能化開采新模式的探索
　　當前國內的智能化開采技術水平，在控製係統架構、控製方式、響應時間、智能功能、工作麵人數、產能等主要技術指標方麵處於國際領先，開發了“巷道監控中心可視化遠程控製割煤，采場無人操作”的新技術，創新“無人跟機作業，有人安全值守”的開采理念，在采煤過程中做到工作麵內無人操作，構建了“以工作麵自動控製為主，監控中心遠程幹預為輔”的工作麵智能化生產模式，設計了人工幹預下模糊控製多工序的采煤工藝，實現了智能采煤技術的深刻變革。
　　智能開采控製技術打破了傳統的以單機裝備為主、總體協調的研製思路，建立了以成套裝備總控製網絡信息綜合決策為主、單機裝備為執行機構的體係結構。將采煤機、液壓支架、刮板輸送機、轉載機、破碎機、巷道膠帶機、供液係統、供電係統等裝備有機結合起來，構建成一個相互聯係、相互依存、相互製約的采煤係統，依據係統控製決策模型03manbetx 結果，實現對綜采成套裝備的協調管理與集中控製。
　　1、智能化開采技術
　　工人隻需坐在綜采工作麵自動化監控中心即可通過顯示器觀察到工作麵設備的運行情況，通過語音通信進行調度、聯絡、調控，通過操作台遠程操控工作麵上的相關設備，實現在監控中心對所有綜采設備進行遠程控製。地麵調度指揮中心對綜采設備的遠程監控將綜采工作麵采煤機、液壓支架、運輸機、泵站及供電係統等有機結合起來，實現了在地麵調度指揮中心對綜采工作麵設備的遠程監測、操作以及各種數據的實時顯示等，為地麵生產、管理人員提供實時的井下工作麵生產及安全信息。
　　實現智能化開采，需要對采煤方法和工藝進行技術創新，主要包括：
　　一是采煤機自動化開采工藝：具備適合工作麵采煤工藝的記憶截割程序，實現采煤機在工作麵的自動記憶截割運行。在采煤機牽引部安裝位置傳感器，通過控製器的數據處理模塊，計算采煤機的位移信息，輸入到數學模型，精確實現采煤機位置定位。
　　二是支架及刮板機跟隨采煤機隨機自動化工藝：其基礎技術是液壓支架的電液控製及采煤機的記憶截割，需要對綜采工作麵三機設備適時進行工況檢測、姿態檢測和故障診斷等，保證整個工作麵設備在最佳狀態下運行。具備數據遠距離傳輸功能，讓用戶在巷道監控中心和地麵監控室隨時了解采煤機的整機實時運行狀態。
　　三是煤流負荷反饋采煤控製工藝：實時檢測刮板運輸機上的煤流分布負荷，通過變頻技術控製刮板運輸機的傳輸速度，實現工作麵采裝運的自動協調運行。
　　2、煤岩監測技術
　　現階段綜采工作麵自動化還需要高清晰度的視頻監控。每隔6台支架安裝1台用於監控支架的礦用本質安全型高清晰攝像儀，安裝在支架的頂梁上，照射方向與工作麵平行。每隔3台支架安裝1台煤壁監控攝像儀，安裝在支架的頂梁上，照射方向與工作麵垂直。采集的視頻數據通過工業以太網傳輸到礦用顯示器，並增加了圖像處理後的煤岩分界標線。
　　3、遠程控製技術
　　設在巷道監控中心的計算機控製采煤機和液壓支架等開采設備的各種動作，通過遠程計算機進入記憶截割，采煤機在工作麵按設定工藝程序自動運行，自動調高、臥底、加速、減速；通過遠控計算機，可以根據工作麵運行情況隨時幹預調整采煤機的運行。礦用本安型采煤機操作台，主要用於在巷道控製中心內遠程集中控製三機設備的啟停、斷電急停以及對采煤機進行遠程操作，從而提高工作效率，減輕工人勞動強度，改善作業環境。
　　4、連續推進技術
　　在綜采工作麵的三直兩平中，輸送機保直是基礎。由於煤層的起伏和地質環境的變化，工作麵設備的非可視測量是一個技術難題，還要考慮采煤機截割時工作麵煤塵對測量結果的影響，不能簡單地采用地麵常規的激光定位技術和經緯測量技術。根據綜采工作麵需要，相鄰支架定位的偏差不能超過10cm，采用激光矩陣測量技術實現了支架對齊的要求，從而保證了輸送機的平直度。
　　（二）“十二五”期間智能開采技術的發展水平
　　我國在“十二五”期間投入研發力量，在煤礦智能開采技術上取得了突破，達到了煤炭開采的國際領先水平：直接減少采煤工作麵操作人員，由原來的30-50人/班減少到3-7人/班，人員的減少為煤礦安全高效生產提供了有力的技術保障；將工人從危險、惡劣的工作麵內解放到相對安全的巷道監控中心，顯著降低了工人的勞動強度，改善了工人的勞動環境。在同等的地質、生產技術條件下提高了產量，顯著提高了煤礦經濟效益。
　　智能化開采是一次采煤工藝的飛躍，提升了我國煤礦的綜采技術水平，對煤礦安全高效生產、行業技術進步、產業升級具有重要意義。實現采煤生產的技術革命需要開發技術的飛躍性突破，綜采工作麵從自動化到智能化技術係統，集成了越來越多的現代科學技術功能。
　　自從2010年以來，智能化工作麵已在國內主要的產煤地區試驗和生產，先後在神東、寧煤、中煤、陝煤、同煤、陽煤、平煤、晉煤、峰峰、新集口孜東等礦區40多個工作麵進行了探索與應用。例如，根據神華寧煤綜采工作麵中厚煤層賦存特點、地質條件，應用智能化技術突破傳統模式的采煤工藝方法，實現了中厚複雜地質條件綜采工作麵的安全、經濟、高效開采，其某一智能化工作麵開采情況如下表。
表1 神華寧煤中厚煤層智能化工作麵生產統計

　　綜采工作麵是一個在地球內部幾百米深度的隨時遷移的立體矩形采場，由於在采煤過程中打破了煤層中的應力平衡，受到礦山壓力、瓦斯和地下水等多種因素的侵害影響，需要針對性的應對技術才能使開采順利進行，智能化開采技術發展帶來了新的技術難題。
　　（三）存在的問題和發展方向
　　1、地質圍岩智能探測難題
　　智能探測是指對采場未知區域的自動探查和檢測，結合巷道掘進數據和鑽孔數據生成工作麵三維地質模型，能準確反映出煤層起伏、傾角、斷層、陷落柱等地質構造，用於指導采煤機俯仰采控製和搖臂調高、煤岩自動識別、圍岩控製等，也包括對未采煤層區域的超前地質精確探測，以保障智能化采煤裝備的高效運行。
　　2、開采智能決策難題
　　目前的智能化開采係統，以過程化控製為核心。但是與生產管理過程還沒有有效地銜接，未進行有效的信息集成和互通，不能有效地對綜采關鍵設備進行智能管理，為生產管理者提供決策建議。由於開采地質條件的不斷變化，煤層賦存的不可預知性，因此開采智能化還不能完全離開人的智慧，需要發揮機器和人各自的特長，規避人機各自的短處，現階段還不能完全離開人的幹預和控製。
　　設備可靠性問題：智能化離不開高可靠的綜采設備，在此基礎上增加感知、決策、控製和智能化功能，由單機向成套裝備智能控製轉變。
　　開采惡劣環境下可視化難題：由於開采時產生的煤岩粉塵會嚴重影響視頻圖像的采集，因此需要研究高清晰度和低延時的開采場景再現技術，對人的遠程幹預和機器視覺都能提供實時捕捉現場運行變化的特征。
　　複雜條件下的自感知技術難題：由於地下采煤工作麵條件複雜、時刻移動、千變萬化，對采煤工作麵的條件變化數據實時跟蹤、準確記錄、分析判斷、科學利用等，是采煤智能化遇到的最大技術難題。
　　因此，需要建立綜采工作麵自動化專家決策係統，融合“人、機、環、管”過程的數據及信息，並進行深度數據挖掘，從而建立起一套基於數據挖掘技術的綜采工作麵自動化專家決策係統，實現“預測、預判、預控”，進一步提高科學智能決策水平。
　　3、智能化開采發展方向
　　信息技術尤其是光電技術的發展對煤炭智能化開采的作用越來越大，適時地引入新的技術對綜采自動化技術升級是必要的。
　　一是基於實時三維GIS的開采智能導航技術：智能導航技術是指利用先進的計算機、光電和導航技術對開采設備如工作麵三機和人員進行自動定位，以實現安全監控和精確開采。
　　實時三維GIS的開發，將地理信息、三維可視化及工作麵相關探測技術結合，建立工作麵地質數據模型，分析模型的拓撲關係，開發形成工作麵三維可視化GIS信息係統，為綜采工作麵智能化管理與決策提供科學依據。核心研究內容包括工作麵三維空間定位、工作麵掃描技術、工作麵智能控製技術、三維可視化技術等。本項目建立了工作麵實時GIS係統，實現工作麵實時地質探測和設備定位，解決工作麵地質探測、工作麵三維空間定位、工作麵智能控製等問題，為綜采工作麵智能化控製的實現奠定基礎。
　　二是巡檢機器人在智能化開采中的應用：通過采掘設備加裝智能控製的遙控機器人，以輔助智能化工作麵的維護和管理，通過加裝有合適光源和視覺、聽覺、振動等傳感器，經過人工智能化處理，進行智能化工作麵的自主開采作業。開采機器人是智能化開采係統強有力的補充，將逐步取代人類在危險的綜采工作麵從事一些非日常的工作。機器人技術將是未來采煤智能化技術的發展方向。
　　三、我國煤巷智能化快速掘進新技術
　　一直以來，相對於國內煤礦綜采技術裝備的快速發展，掘進智能化技術進展緩慢。目前國內煤礦巷道掘進普遍采用炮掘、綜掘工藝，而所謂的“綜掘”實際上隻解決了掘進問題，工作麵未形成配套係統，支護、運輸環節落後，設備調動頻繁，人工錨杆支護效率低、勞動強度大、作業環境差。隨著回采規模的不斷擴大，各安全高效礦井存在采掘接續緊張、采掘比例失調、掘進隊伍龐大、井下施工點多、掘進戰線長等諸多問題，對安全生產構成較大壓力。麵對行業的迫切需求，中國煤炭科工集團太原研究院整合優勢資源，進行工藝、裝備創新，成功開發了“掘支運三位一體高效快速掘進係統”。
　　“掘支運三位一體高效快速掘進係統”是用於煤巷快速掘進的成套裝備，由掘錨機、十臂錨杆鑽車、破碎轉載機、可彎曲膠帶轉載機、邁步式自移機尾組成，並集成配套通風除塵、供電、控製通訊等設備。該係統把傳統的掘進、運輸、支護等分步實施的工序，通過新技術裝備有機整合在一起，有效解決了掘進、支護、運輸的同步進行和連續作業問題，實現了掘錨平行作業、多臂同時支護、連續破碎運輸、長壓短抽通風和智能遠程操控的高效一體化運行，第一次在煤礦井下實現了真正意義的綜合掘進機械化。
　　該係統以掘錨機為龍頭，巷道一次成型，采用慣性導航、姿態調整等智能化技術，保障成巷速度與工程質量。掘錨機集落煤、運煤、履帶行走、錨杆支護於一體，采用全寬的可伸縮截割滾筒，機載4台頂板錨杆鑽機和2台側幫錨杆機，作業安全、高效。
　　履帶式轉載破碎機采用履帶行走，同時作為可彎曲膠帶轉載機的牽引頭車。有大容量鏟板式料鬥，可對浮煤進行清理；集成滾筒式破碎機構。破碎轉載機緊跟掘錨機，將掘錨機截割下的大塊煤進行破碎後，轉運到可彎曲膠帶轉載機上，並由其再次轉載到邁步式自移機尾的膠帶上，將煤炭運出，實現連續運輸。
　　十臂錨杆鑽車機載的10台鑽機同時對頂板、側幫全方位錨杆支護，與掘進、運輸過程互不影響，掘錨分離，提高支護效率。掘錨機、破碎機的司機在十臂錨杆鑽車上遠程操作，保證人員在可靠的支護環境下作業；采用統一的控製平台，依托設備高度自動化及係統集中協調控製功能，實現掘、錨、運多個作業單元聯動、連續運行。
　　膠帶轉載機的重疊搭接行程消耗完之後，啟動邁步式自移機尾，快速延伸膠帶。膠帶的搭接行程可達150m，掘進150m延伸一次膠帶，滿足一個圓班的生產需要。
　　係統采用長壓短抽的通風方式，集成了高效負壓濕式除塵器，實現人員在新鮮風流下作業，降塵效果顯著，避免了設備頻繁調動造成人員傷害。建立工作麵防爆無線控製網絡及視頻通訊網絡係統，通過數據基站與地麵控製中心進行數據交互。
　　新係統的掘進速度每分鍾0.3m，運輸能力每小時1500t，可實現50m無線遙控，具備日進150m、月進4000m以上的能力，成巷速度提高4倍多。機組中的核心單機裝備已實現遠程控製、自動及半自動化運行，實現了相互配合、協同動作，構建了一個自動化、數字化、信息化的協同控製係統，其綜合智能化程度已達到國內領先水平。
　　新係統於2014年8月在神東大柳塔礦使用，截止2016年4月，掘進巷道2.8萬米，平均月進尺2400m，小班最高進尺85m，圓班最高進尺158m，月最高進尺3088m，大幅減人提效，刷新世界紀錄。目前已針對不同礦區的煤層結構和地質條件進行係列化設計，衍生出“掘機錨+運錨機”、“掘進機+運錨機”等多種配套形式，並在神東礦區、黃陵礦業集團、陽泉煤業集團、潞安礦業集團等地推廣使用。
　　“掘支運三位一體高效快速掘進係統”突破了長期製約井下掘進效率的瓶頸，打造了協調、連續、高效作業的掘進工作麵，實現了減人增效，為掘進工作麵無人化搭建了平台，推動了煤礦生產技術與工藝的變革。該係統於2015年6月成為國家安全生產監督管理總局“自動化減人、機械化換人”科技強安專項行動內容之一,是中國煤炭科工集團推科技創新取得的又一個新成果，是我國煤機行業的又一項重大突破。
　　四、結論
　　通過對智能化采掘的開發研究和工程實踐，推動了采煤產業技術的轉型升級，取得了一係列的技術突破，結論如下：
　　（1）智能化開采將工人從危險的采場解放到相對安全的巷道中甚至地麵，是邁向煤礦本質安全最重要的一次進步。
　　（2）智能化開采提高了投入與產出比，節能安全，減人提效，是一次采煤產業的技術革命。
　　（3）通過研製智能化開采裝備，提升了我國機電製造業和智能控製的整體水平。
　　（4）掘支運三位一體高效快速掘進係統把傳統的掘進、運輸、支護等分步實施的工序，有機整合，整體運行，有效解決了掘進、支護、運輸的同步進行、連續作業問題，實現了掘錨平行作業、多臂同時支護、連續破碎運輸、長壓短抽通風和智能遠程操控的高效一體化運行，創造了煤巷掘進速度的世界紀錄。
　　（5）我國煤礦智能化采掘技術尚處於起步階段，從技術、工藝和管理上還有許多未解決的問題，需要在傳感、監測、控製、物聯網和開采智能機器人等方麵加大研發力度。智能化采掘技術是實現我國煤礦轉型升級、減人提效的新技術，也是世界煤炭技術革命的新方向。

（來源：煤炭工業網）