煤礦智能化開采系統研究與應用

張立剛

（徐州立創通信科技有限公司，徐州 221116）

1 工作面設計概述

11221工作面位于礦井西翼12采區B10煤層的北部，工作面設計走向長度為1 192 m，傾向寬度為200 m，總平面積為241 393 m2，設計可采儲量面積為223 933 m2，可采儲量約137 萬t。其中，上巷設計長度為1 199 m，下巷設計長度為1 300 m，上巷斷面寬為4.5 m、高為4 m，下巷設計斷面寬為4.5 m、高為4 m，兩巷掘進方位為245°。工作面配套設備情況如表1 所示。

表1 工作面配套設備情況

2 智能化系統功能概述

智能化綜采工作面通過安裝傳感器，實現對采煤作業的遠程監測監控，使工作面具備自動記憶割煤的能力[1]。通過引入高精度慣導系統，對接電液控等子系統實現工作面的自動取直和液壓支架的遠程自動化控制。通過建設順槽監控中心，對支架電液控制系統、采煤機、乳化泵站、刮板機、轉載機、破碎機及順槽運輸系統進行聯合控制，實現設備的遠程集中聯合控制管理，使系統能夠根據運輸系統負荷的大小，自動調控采煤機的生產能力。通過有線網絡和無線網絡，實現采煤機在工作面環境下的可靠通信，以及與工作面視頻、語音、數據信息的遠程傳輸。通過智能視頻識別和大數據分析，實現相關設備姿態識別和故障提前預警，實現工作面協調、安全、可靠的智能化生產作業[2-3]。

2.1 液壓支架電液控制部分設計

每臺液壓支架配置以下組件。第一，1 臺支架控制器，用于采集各類傳感器數據信息，控制支架各動作及通信。第二，1 臺16 功能16 接口主閥組，用于支架電液控制。第三，1 件壓力傳感器，實現立柱下腔壓力監測，根據監測數據實現壓力預警、分析功能及頂板狀態。第四，1 件位移傳感器，監測推移行程，支架推移千斤頂預留有位移傳感器安裝位置。第五，1 件采高傳感器，檢測支架的當前高度。第六，1 件紅外接收器，實現采煤機定位，實現支架自動跟機移架、跟機噴霧、收伸縮量、收護幫。第七，1 件支架警示燈，實現支架預警功能閉鎖、動作、安全狀態的分色警示，保障人員安全通行?？刂破骷蔁o線接收器，系統配置20 件支架無線遙控器，實現支架單獨動作和成組動作。

2.2 工作面集控中心功能設計

工作面集控中心分為順槽集控中心和地面控制中心兩部分。順槽集控中心為井下所有設備控制的“大腦”，可實現各設備的數據監測和遠程控制，能夠將電液控制系統、工作面人員位置識別系統、工作面三機、自移機尾、順槽皮帶運輸及各類開關等的數據融入系統，并參與智能化工作面的控制與保護。工作面集控中心設計時，應預留能將本系統接入全礦井自動化系統的接口和協議，通過井上下數據傳輸系統上傳系統采集的所有數據，并在井下和井上計算機上進行顯示和控制。綜采工作面各系統集成到同一控制平臺，使用同一數據庫[4]。

首先，集控中心為一體化操作間，內設2 臺主機對工作面設備進行控制，6 臺顯示器用于顯示設備運行畫面和視頻圖像。其次，集控中心設置本質安全型操作臺3 臺（支架、采煤機、運輸三機），包含控制按鈕、急停按鈕硬件設備，用于控制綜采工作面的設備。再次，集控中心安裝1 臺帶語音對講的云臺攝像儀，在地面實時與集控中心人員保持通信。最后，集控中心配置1 臺不間斷電源設備（Uninterruptible Power Supply，UPS），保證集控中心及交換機持續不少于4 h 供電，防止突然斷電造成系統軟件崩潰及數據無法正常上傳。

2.3 自動化控制系統具備各系統的接入及實現功能

2.3.1 電液控系統功能

液壓支架配備電液控制系統跟隨采煤機在全工作面范圍自動完成支架伸縮護幫、移架、推溜、噴霧除塵等動作，具備遠程控制功能，同時實時在線監測工作面液壓支架立柱的支護阻力、推移行程，并將實時數據傳輸到工作面智能集控中心。

2.3.2 采煤機控制系統功能

采煤機采用全中文彩色大屏幕圖文顯示，可實現操作提示、實時顯示工況運行數據參數、故障診斷的人機對話界面。采煤機具有煤機位置、左右搖臂高度、功率、漏電、過壓、過流、溫度、油溫、油位及開機預警等多項指標的監測及保護功能，可同時實現滾筒切割軌跡記憶功能、記憶截割、“三角煤”機架協同控制，以及瓦斯濃度和牽引速度聯動控制等功能。

采煤機通過Modbus 總線協議向智能集控系統提供數據，將運行狀態實時上傳到工作面智能集控中心，實現在工作面智能集控中心和地面監控中心對采煤機實時遠程監測與控制。

2.3.3 工作面三機功能

工作面三機為刮板機、破碎機、轉載機。智能工作面系統通過工作面內的有線和無線網與三機的控制器進行連接，獲取三機運行數據，包括三機各電機電流、電壓、溫度、運行功率、故障等信息，同時具備監測工作面語音喊話器的閉鎖被拍下的位置，監測各設備的啟停狀態。

2.3.4 泵站供液系統功能

泵站供液系統將行業標準協議上傳到集控中心，并在集控中心顯示，包含清水泵、乳化泵、增壓泵的工作狀態、遠程就地控制模式、油溫油位、乳化泵出口壓力及壓力差、液箱液位及乳化液配比濃度、水箱液位溫度等，同時具備泵站運行故障報警的顯示功能。

2.3.5 視頻監控系統功能

提供對工作面開采現場、關鍵設備運行狀況的視頻輔助監測。在刮板機尾、破碎機、皮帶機尾、皮帶機頭位置安裝帶有云臺旋轉功能的攝像頭，可在集控中心遠程控制云臺旋轉調整攝像頭的角度和焦距，實現固定點垂直方向和水平方向全方位視頻監測。系統支持地面的同步觀看與錄像，地面錄像不少于1 個月，支持擴展。視頻監控具有水霧和煤塵穿透功能，視頻攝像頭具有自清潔功能。

2.4 工作面人員定位系統功能

人員定位系統沿用工作面無線基站，在支架上配備定位標簽，通過人員定位卡識別人員在液壓支架的位置，達到自動跟機時自動動作閉鎖，實現人員安全保護。

工作面人員攜帶識別標識卡，確定工作面內每一個人員的精確位置，定位誤差不大于50 cm。工作面人員位置、人員數量、人員在工作面運動軌跡等信息能在上位機上顯示。當人員出現在危險區域時，所在區域的支架從控閉鎖，并配合聲光報警燈實現危險區域聲光報警，同時具備集控界面人員位置提示。系統可設置本架及鄰架安全閉鎖架數，具備自動跟機時設定根據人員位置閉鎖移架、降柱等影響人身安全的動作，但不影響正常鄰架、隔架動作。

2.5 工作面環境監測聯動功能

工作面集控中心通過與安全監測監控系統的雙向通信，顯示工作面環境氣體的狀態，如一氧化碳、二氧化碳、甲烷、氧氣濃度、風速、溫度等，并利用安全監測系統的數據保障聯動。

2.6 視頻分析預警系統功能

利用工作面支架上安裝的帶云臺攝像機，通過自動跟機程序，實時感知采煤機作業位置、人員作業狀態。系統基于感知數據進行分析，能夠識別大煤塊、護幫板、煤機滾筒狀態、人員狀態等。視頻系統參與設備與設備、人與設備之間的安全預警及控制。例如，檢測到人員闖入刮板機區，立即停止采煤機、刮板機等相關設備運行。

通過視頻分析護幫板當前伸縮狀態，能夠識別人員不安全行為，包括工作人員越位、采煤機附近出現工作人員及人員入侵危險區域等。例如，在設備運行過程中，工作面人員一旦越位，系統會立即預警并自主停機控制。通過檢測攝像頭視野內或紅外識別運輸機區域的煤流情況，可以計算運輸機的視頻幀和總視頻幀的比例，從而確定運輸機煤流流量大小[5]。

2.7 三維可視化模型構建

利用先進的地質探測技術，通過數字孿生工具輸入采煤工作面地質信息，三維自動建模通過模型準確呈現整個工作面的工程地質條件，從而實現整個采煤工作面的三維可視化，及時指導生產進行適當調整。

3 結語

隨著我國煤炭走向現代化，煤礦綜采智能化工作面與日俱進，實現采煤無人值守已經是煤礦行業最突出的一個課題。實現煤礦智能化綜采，不僅是國家面臨的問題，也是國際上面臨的一個難關。文章設計的煤礦智能化開采系統將為煤礦智能化綜采提供一定的助力。