煤矿智能化综采工作面系统设计与关键技术探讨

发表时间：2020-07-23T01:45:27.002Z 来源：《中国科技人才》2020年第7期 作者： 黄天尘

[导读] 当前，我国煤炭开采技术正面临着百年一遇的发展机遇期，人为远程操控采煤、智能化采煤、透明化采煤等技术已经成为煤科院和煤炭企业的热议话题和研究内容，国内很多大型煤矿也纷纷探索智能化开采技术的应用。本文基于现有的智能化综采技术，从智能化、大数据等方面出发，力求探明智能化综采工作面系统的整体架构和关键技术，为矿区营造更安全、更高效的开采环境，培育发展新动能。黄天尘

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摘要：当前，我国煤炭开采技术正面临着百年一遇的发展机遇期，人为远程操控采煤、智能化采煤、透明化采煤等技术已经成为煤科院和煤炭企业的热议话题和研究内容，国内很多大型煤矿也纷纷探索智能化开采技术的应用。本文基于现有的智能化综采技术，从智能化、大数据等方面出发，力求探明智能化综采工作面系统的整体架构和关键技术，为矿区营造更安全、更高效的开采环境，培育发展新动能。

关键词：智能化开采；多源信息融合；地质模型；虚拟仿真 引言

现阶段，我国煤矿工作面智能化控制技术还刚刚起步，煤炭开采的主要方式仍为传统综合机械化采煤，存在着人员数量多、工作效率低和现场操作安全等问题，无法避免操控不当情况发生，人员、设备的安全性无法得到保障。因此，智能化综采工作面应运而生。智能化的应用，不仅能保证煤炭开采质量，还能降低工人劳动强度，提高生产效率，达到减人提效的效果。鉴于此，本文提出了综采工作面智能化系统设计与关键技术方案。

1煤矿智能化开采技术发展现状的分析

近年来，我国综采工作面智能化开采技术得以飞速发展，但技术仍不成熟，大多仍停留在单机设备上的自动化功能，不能形成完整系统，不同设备之间的运用与控制，各自独立，没有形成集中控制，达到集中管理。虽然国内不少煤矿在工作面进行了包括记忆割煤、远程视频干预监控、工作面自动找直、红外热成像煤岩识别等手段在内的诸多智能化开采尝试，但这些技术均存在一定的局限性。例如，采煤机记忆割煤技术只适用于煤层走向平缓、无断层的工作面，很难适应复杂的地质条件；远程视频干预监控技术可利用视频与网络技术将采煤人员的视力拓展延伸，但实质上开采过程仍过分依赖于操作人员经验与主观判断，缺乏客观依据，而且还常常面临观察视角受限于摄像头位置、光照度低、煤尘干扰等问题；工作面自动找直技术主要依赖于惯性导航系统描绘煤机运动轨迹，在信息反馈时效上具有一定滞后性；目前煤岩识别技术主要应用于红外热成像技术，但其主要判断滚筒与煤岩摩擦产生热度在红外成像上的差异，只能对滚筒调高进行即时、定性的指导，对于待开采区域无法给予有效的指导信息，难以实现真正智能化开采。 2智能化综采工作面系统设计 2.1系统架构

智能化综采工作面系统架构，是由生产系统、视频通讯系统、检测装置、数据分析、报表分析和具体的运行管理等部分组成的多个复杂系统的集合。各子系统能够有机结合，不仅包含单个工作面系统集成及数据上传和多个工作面系统集成及数据上传网络体系，更为突出、关键的是基于煤炭地质开采、生产状况而开展的工作面检测集成系统，即就是如何解决待开采区的不透明和不确定性，给予操作人员及智能化系统的客观、科学的信息基础与开采指导。这就要求基于地质地理勘探信息，对工作面开采过程进行全方位、全方面地实时感知、信息集成与自适应智能化分析控制，并根据感知数据进行智能分析，从而进行自适应开采操作，以实现真正的智能化、无人化开采。 2.2智能化综采工作面关键技术

1）三维激光扫描与地质综合勘探技术。在开采前和开采过程中，通过抗干扰能力强、能够有限定位的三维激光扫描技术进行获取工作面和巷道轮廓三维坐标数据，同时综合利用多种物理勘探、地面测绘及钻探技术，快速有效获得工作面地质模型，即时了解工作面煤层情况和客观数据，为智能化开采提供有效保障。

2）惯性导航及各类传感技术。利用高精度的惯性导航仪器，通过测量加速度和陀螺仪的角运动，计算出采煤机运动速度和位置。但要考虑的是，采煤机属于频繁振动设备，长时间运行必然会导致陀螺仪与加速计的误差累积。因此，为了克服这个缺点，通常需要多种导航系统，以惯性导航作为主要定位部件，并辅助以雷达等其他辅助设备进行误差修正与纠偏。另外，需要增加工作面各类传感器，不仅包括监测工作面安全生产主要设备工况的传感器，还包含利用信息技术实现科学生产过程管理的传感器及系统。

3）数据采集、实时通讯与存储技术。基于“千兆工业以太网+5G”技术，对综采工作面的控制信号、视频图像的解码、大量数据的传输以及储存，达到远程操控综采工作面的目的，尽可能减少数据传输延时，实现数据实时传输。通过智能化管理平台处理、加工、过滤、整理，以统一的形式发送给云数据库，云服务平台对云数据库进行主从分布式数据库管理和负载平衡管理，做到数据容灾保护，为数据分析提供稳定可靠的数据源基础。

4）多源信息融合与虚拟仿真技术。通过将工作面的多源数据进行融合、整理、分类，解决数据冲突、进行数据合并后，综合推导界定与现实综采工作面状态最接近的虚拟数字化工作面状态。利用动态三维建模技术，建立工作面环境的动态三维模型，时刻掌握工作面环境下的各综采装备的实时位置、姿态与工况，得到动态装备仿真模型，然后再将环境与装备统一，最终在计算机内完全重现工作面的状态，为智能化开采提供工作面整体环境的综合分析和开采指导。

5）地面集控及移动端监测技术。通过地面分控中心实现对矿井综采工作面的任何设备进行汇总，并投影至显示大屏，对工作面真实的生产情况进行还原，可以对现场情况进行直观查看，以便地面管理人员对整个矿井生产进行统筹管理。同时，利用手机、平板电脑等移动客户端实现工作面综合工况和关键信息的预览、一键启动记录、违规操作记录、故障汇总、操作汇总和有害气体监测情况进行实时监控。 结语

通过综采工作面智能化控制技术发展的需求入手，分析了现阶段发展现状和存在缺陷，从智能化、大数据等方面提出了综采工作面控制系统架构，指出了现有综采工作面关键技术的突破方向。分析认为，现有的工作面综合自动化系统是以过程化控制为核心，设备间配合度较差，效率低，与生产过程脱节，没有高效实时地实现信息集成和互通，无法为提供决策依据的问题。基于此，深入研究煤矿综采工作面智能开采技术是十分必要的。 参考文献：

[1]王国法，张德生．煤炭智能化综采技术创新实践与发展展望［J］．中国矿业大学学报，2018，47（3）：459-467． [2]梁伟．煤矿综采工作面安全管理研究［J］．资源信息与工程，2018，33（2）：81-82． [3]丁玉坤．论综采工作面安全管理的相关问题［J］．黑龙江科技信息，2019（33）：32．