楊俊哲 羅 文 楊俊彩

(神華神東煤炭集團有限責任公司，陜西省神木市，719315)

神東礦區(qū)自1985年開工建設(shè)以來，隨著開采范圍和深度不斷加大，優(yōu)質(zhì)煤層資源量逐年減少，資源賦存條件和地質(zhì)構(gòu)造日趨復(fù)雜，礦井安全管理難度越來越大。隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展、人民生活水平的提高和勞動人口紅利的消失，企業(yè)普遍出現(xiàn)了招工難現(xiàn)象。尤其是煤炭企業(yè)大都遠離城市，作業(yè)環(huán)境偏遠，生活、居住、醫(yī)療、教育資源相對匱乏。為破解上述面臨的安全、用工難題，神東煤炭集團積極與科研院所、設(shè)備廠家聯(lián)合攻關(guān)，在榆家梁煤礦43305工作面進行了神東礦區(qū)首個真正意義上的自動化開采試驗，取得了1.5～2.0 m厚煤層最高日產(chǎn)9730 t的生產(chǎn)記錄，實現(xiàn)同等條件下少用工15人的成績。隨后在石圪臺煤礦應(yīng)用天地瑪珂公司的視頻全景拼接技術(shù)和集中控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了遠程集中操控和一鍵啟停，為實現(xiàn)工作面無人開采奠定了基礎(chǔ)。以錦界數(shù)字礦山示范礦井為標志，形成了具有神東煤炭集團乃至國家能源集團特色的數(shù)字礦井建設(shè)模式。

1 神東智能采煤技術(shù)的發(fā)展歷程

20世紀90年代，神東礦區(qū)引進了成套綜采設(shè)備，實現(xiàn)了全機械化開采工藝。2004年開始探索自動化開采工藝，通過引進進口自動化割煤技術(shù)，與國內(nèi)相關(guān)廠家合作、消化、吸收，研發(fā)出了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的綜采自動化技術(shù)；神東礦區(qū)綜采自動化技術(shù)先后經(jīng)歷了自動化1.0、自動化2.0、自動化3.0和自動化4.0階段。

(1)自動化1.0階段：1997年，神東礦區(qū)引進了第一套綜采電液控制系統(tǒng)，首次通過電液控方式，取代了手工操作，實現(xiàn)了液壓支架單機自動化控制，提高了生產(chǎn)效率，降低了勞動強度，但對自動化割煤及設(shè)備聯(lián)動等技術(shù)難題沒有完善的解決方案，如圖1所示。

圖1 自動化1.0階段

(2)自動化2.0階段：2004-2008年，分別在榆家梁礦、大柳塔礦、哈拉溝礦、錦界礦等共試驗了7個綜采自動化工作面，實現(xiàn)了工作面中部采煤機記憶割煤和支架跟機拉架。該階段主要特征是以進口設(shè)備及控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)了采煤機記憶割煤、支架自動跟機拉架、遠程控制和數(shù)據(jù)上傳功能。以PLC為控制核心，分布式控制設(shè)備，數(shù)據(jù)實時上傳，采煤機、三機等遠程啟停。在自動化1.0基礎(chǔ)上增加了采煤機跟機拉架和遠程操作，如圖2所示。

圖2 自動化2.0階段

(3)自動化3.0階段：2008-2014年，在榆家梁煤礦43305面實施薄煤層自動化工作面，實現(xiàn)了支架跟機自動化、采煤機記憶割煤、采煤機隨機視頻、機頭遠程控制采煤機等技術(shù)。該階段主要特征是控制系統(tǒng)核心使用IPC工控機代替PLC。系統(tǒng)接口標準化程度高，操作系統(tǒng)實時性強。應(yīng)用高清攝像機視頻拼接技術(shù)，集控臺司機可以利用全景畫面進行遠程操作，如圖3所示。

(4)自動化4.0階段：以區(qū)域自動化建設(shè)和錦界煤礦數(shù)字礦山建設(shè)為代表建成了覆蓋井下的“一網(wǎng)一站”煤礦綜合自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)了井下精確定位、IP廣播、無線和有線調(diào)度通訊、工業(yè)電視的多網(wǎng)融合和共用，統(tǒng)一了接口標準協(xié)議，一套系統(tǒng)控制所有設(shè)備，電控系統(tǒng)全部國產(chǎn)化，實現(xiàn)了采煤工作面控制臺電工、機頭看護工、膠帶機自移機尾司機的“三崗合一”，變電所、水泵房等固定崗位全部實現(xiàn)無人值守。自動化在神東煤炭集團的變遷與發(fā)展如圖4所示。

圖3 自動化3.0階段

圖4 自動化各階段示意圖

2 神東智能采煤技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)

神東礦區(qū)在探索自動化開采的過程中，逐步形成了以記憶割煤、跟機拉架、視頻拼接、遠程干預(yù)、協(xié)同控制為核心特征的智能采煤技術(shù)。

2.1 記憶割煤技術(shù)

采煤機記憶割煤是在人工操作和機器學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，采煤機按照學(xué)習(xí)的情況進行重復(fù)記憶割煤。人工割煤時，通過安裝在采煤機搖臂和行走部件上的傳感器，監(jiān)測記錄采煤機對應(yīng)位置的行走方向、傾向、走向角度和滾筒位置數(shù)據(jù)。激活自動化記憶割煤時，采煤機根據(jù)存儲的歷史數(shù)據(jù)自動調(diào)整滾筒高度，實現(xiàn)自動化割煤，并可通過自動化參數(shù)設(shè)置對工作面規(guī)律性的變化進行調(diào)整，如圖5所示。

采煤機記憶割煤有3種作業(yè)工藝：

(1)采煤機底滾筒隨動割煤。該工藝要求必須有1名采煤機司機跟機操作，在低采高條件下，當采煤機速度超過6 m/min時，跟機操作困難，安全隱患大，勞動強度高，工作面生產(chǎn)能力受到嚴重制約。

(2)采煤機記憶割煤。該工藝通過采煤機記錄的人工割煤數(shù)據(jù)進行自動割煤，但該工藝不能對工作面內(nèi)的設(shè)備運行狀況、煤層變化、人員進入等進行自動監(jiān)測與調(diào)整，工作面人員及設(shè)備運行安全、煤質(zhì)得不到保證。

(3)采煤機記憶割煤加遠程干預(yù)工藝。該工藝通過采煤機或支架上的攝像頭對工作面進行遠程監(jiān)視與記錄，可通過遠程干預(yù)實時調(diào)整采高，并且解決工作面內(nèi)人員和設(shè)備的安全問題。

宮頸內(nèi)膜樣腺癌、絨毛狀腺癌的ER和PR 同時陽性率高于其他病理亞型，但無明顯統(tǒng)計學(xué)差異;不同病理亞型之間無統(tǒng)計學(xué)差異。宮頸腺癌、黏液腺癌、絨毛狀腺癌、內(nèi)膜樣腺癌、透明細胞癌中ER、PR同時陰性率較陽性率高，具有統(tǒng)計學(xué)差異(P<0.05)，見表1。

圖5 采煤機記憶割煤示意圖

2.2 跟機拉架技術(shù)

跟機拉架技術(shù)是通過液壓支架與采煤機的耦合聯(lián)動，實現(xiàn)采煤機割煤后，液壓支架滯后一段距離按照事先設(shè)定的規(guī)則自主完成前移支架和推移刮板輸送機。在工作面兩端頭位置，液壓支架可配合采煤機實現(xiàn)斜切進刀，跟機拉架技術(shù)如圖6所示。

圖6 跟機自動拉架示意圖

采煤機和支架之間的信息交互、工作面液壓系統(tǒng)的自動控制功能是實現(xiàn)跟機拉架的關(guān)鍵。實現(xiàn)跟機拉架需要滿足3個條件。

(1)獲取采煤機準確位置。獲取采煤機位置有兩種方式：一是紅外線采集采煤機位置，二是通過與采煤機通信實現(xiàn)。

(2)工作面設(shè)備可靠度要高。包括工作面設(shè)備傳感器運行正常且采集數(shù)據(jù)準確、傳感器與控制臺通信正常、所有支架液壓與電控系統(tǒng)工作正常，能保證支架動作到位。

(3)控制臺各自動化參數(shù)設(shè)置正確。

具備上述條件后，通過液壓支架上的紅外線接收器接收采煤機紅外線信號，檢測采煤機的位置和方向，提供液壓支架與采煤機聯(lián)動信息。通過集中控制系統(tǒng)實現(xiàn)采煤機與液壓支架的聯(lián)動。主要難點在于支架移架速度與采煤機速度不匹配、移架或推移刮板機不到位、支架接頂不嚴、護幫板收打不到位、傳感器或通信故障等。

2.3 自動找直技術(shù)(LASC)

在工作面推采過程中，為使支架和刮板機姿態(tài)及受力狀態(tài)最佳，應(yīng)保持工作面直線度且與走向保持垂直。為實現(xiàn)該目標，需結(jié)合地理信息系統(tǒng)，準確獲取采煤機的位置和運動參數(shù)，實現(xiàn)采煤機的自主導(dǎo)航割煤，并通過截割模型將采煤機運行數(shù)據(jù)與液壓支架電液控制系統(tǒng)關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)“三機”聯(lián)動。該技術(shù)的核心是安裝慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、搖臂擺角傳感器、采煤機位置測量系統(tǒng)等實現(xiàn)采煤機精確定位、采高實時測量、煤機速度與方向測量、煤機機身姿態(tài)檢測、工作面直線度測量等，輔助以工作面地質(zhì)模型，可實現(xiàn)保持工作面平直、采煤機自動調(diào)高等功能。

圖7 自動找直現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)圖

2.4 工作面視頻拼接與監(jiān)控技術(shù)

工作面視頻拼接與監(jiān)控技術(shù)是指將綜采工作面內(nèi)的設(shè)備運行整體狀態(tài)以畫面形式實時呈現(xiàn)的技術(shù)，用于作業(yè)人員遠程實時查看工作面內(nèi)采煤機滾筒、液壓支架、刮板機的運行狀態(tài)。當發(fā)現(xiàn)工作面生產(chǎn)條件有變化、工作面或設(shè)備偏離正常工作軌跡時，作業(yè)人員通過集控臺對工作面設(shè)備進行人工干預(yù)操作，如當液壓支架的拉架、推溜不到位或者工作面遇到頂板變化時人工遠程干預(yù)調(diào)整。該技術(shù)的核心是現(xiàn)場場景的智能識別、捕捉和感知、動態(tài)追蹤和接力、實時處理和畫面拼接再現(xiàn)技術(shù)。最終目的是實現(xiàn)遠程實時、連續(xù)地監(jiān)護采煤機前后滾筒姿態(tài)和全工作面的生產(chǎn)狀況。通過該套視頻采集、傳輸及顯示系統(tǒng)，實現(xiàn)了對自動化綜采工作面的全程視頻追蹤，為無人工作面的實現(xiàn)夯實基礎(chǔ)，視頻拼接截圖如圖8所示。

2.5 遠程干預(yù)技術(shù)

遠程干預(yù)是在工作面設(shè)備故障、運行不正?；蛎簩淤x存發(fā)生變化時，操作人員可遠程發(fā)現(xiàn)并對設(shè)備進行人工調(diào)整，以防止影響工作面正常割煤或出現(xiàn)安全事故。實現(xiàn)途徑為在原有控制系統(tǒng)中加裝一套遠程集中控制系統(tǒng)，如圖9所示，通過通信光纜將采煤機遙控器移至控制臺，將作業(yè)人員從工作面移至工作面主控制臺處，使作業(yè)人員可以根據(jù)工作面控制臺計算機提供的數(shù)據(jù)和信息，對采煤機和液壓支架自動割煤過程中出現(xiàn)的問題，實施遠程人工干預(yù)。主要技術(shù)難點為干遠程控制技術(shù)和視頻監(jiān)視系統(tǒng)的可靠性不高。

圖8 視頻拼接截圖

圖9 集控中心架構(gòu)圖

2.6 數(shù)據(jù)集成通信技術(shù)

為解決神東礦區(qū)工作面設(shè)備類型多、廠家多、接口不統(tǒng)一、協(xié)議不統(tǒng)一造成的自動化工作面數(shù)據(jù)上傳與集成困難的問題，實現(xiàn)智能開采模式的可復(fù)制、設(shè)備的可替換，起草并制定《礦山機電設(shè)備通信接口和協(xié)議標準》，達到井下設(shè)備“即插即用、自識別”的目標。《礦山機電設(shè)備通信接口和協(xié)議標準》分為《以太網(wǎng)EtherNet/IP協(xié)議規(guī)范總則》、《擴展對象庫》、《采煤機設(shè)備行規(guī)》等11個部分。

3 神東智能采煤技術(shù)應(yīng)用案例

錦界煤礦31114工作面位于31煤層一盤區(qū)集中輔運大巷一段北側(cè)，煤層底板標高1119.1～1135.5 m。工作面運輸平巷推進長度5189 m、回風(fēng)平巷推進長度5254.6 m，切眼長度369.4 m，沿工作面回采方向推進時，煤層整體變化不大，煤層傾角為1°，結(jié)構(gòu)簡單，煤層相對穩(wěn)定；煤層厚度3.05～3.53 m，平均厚度3.27 m。工作面可采面積為1927415.3 m2，工業(yè)儲量813萬t。

工作面直接頂巖性為粉砂巖，局部夾細砂巖薄層，平均飽和抗壓強度41.6 MPa，直接頂屬于II類中等穩(wěn)定頂板?；卷攷r性為細砂巖、粉砂巖，平均飽和抗壓強度為40.9 MPa，屬于I～II級，局部存在偽頂，巖性為泥巖，直接底為粉砂巖或泥巖，平均飽和抗壓強度為37.3～41.2 MPa，工作面底板分類屬IV類、中硬類底板，具體如表1所示。

31114工作面基本初次垮塌正常涌水量115 m3/h，最大涌水量250 m3/h；生產(chǎn)期間正常涌水量425 m3/h，最大涌水量850 m3/h。工作面除采煤機、乳化泵和噴霧泵外，全部為國產(chǎn)設(shè)備，采用常州聯(lián)力集中控制系統(tǒng)如表2所示。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

表2 工作面設(shè)備配備明細表

隊伍生產(chǎn)班定員10人，考慮輪休、學(xué)習(xí)等，每班出勤7人。班長1人，采煤機司機1人，支架工1人，三崗合一1人，超前支護工3人，全隊定員較非自動化工作面少用工15人，節(jié)約用工成本210萬元/a，工作面月生產(chǎn)能力51萬t，工效402 t/工，生產(chǎn)效率提高17.54%。

4 智能開采技術(shù)展望

神東煤炭集團通過多年的自動化開采實踐，以工作面自動化、視頻拼接與監(jiān)控、遠程干預(yù)等手段初步實現(xiàn)了工作面的少人、無人開采，取得了一定的成績。但是煤礦井下地質(zhì)條件多變，已揭露圍巖的特征及裝備狀態(tài)感知、獲取及辨識難度大，開采擾動下圍巖動態(tài)變化規(guī)律等動態(tài)變化，因而無法準確推理尚未揭露煤巖的賦存狀態(tài)及其演化趨勢，不能做到整個開采系統(tǒng)的“透明化”，導(dǎo)致裝備無人化割煤缺乏分析判斷。同時井下惡劣的作業(yè)環(huán)境對視頻遠程干預(yù)技術(shù)應(yīng)用構(gòu)成了很大的挑戰(zhàn)。當工作面粉塵濃度大時，能見度很低。因此，需進一步研究新的圖像識別與視頻增強技術(shù)，以解決惡劣環(huán)境下的視頻拼接與監(jiān)控難題。

依據(jù)國家能源局《能源技術(shù)創(chuàng)新“十三五”規(guī)劃》、《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃》(2016-2030年)，神東集團著力研究基于透明工作面構(gòu)建、采煤機智能調(diào)高、煤巖識別等核心技術(shù)為特征的全智能、自感知、自調(diào)節(jié)的真正意義上的井下無人開采技術(shù)。

神東集團正在試圖通過激光掃描裝置，實現(xiàn)全工作面的掃描和集成，并結(jié)合地測數(shù)據(jù)和參照坐標，構(gòu)建具有絕對坐標的數(shù)字化工作面模型。從地理信息系統(tǒng)中導(dǎo)入地質(zhì)數(shù)據(jù)，將地質(zhì)數(shù)據(jù)自動轉(zhuǎn)換成三維地質(zhì)模型，并保存到地質(zhì)模型庫中。通過激光掃描(SLAM)井下巷道空間生成點云并導(dǎo)入，與三維地質(zhì)模型集成，形成高精度井下空間模型。在綜采面割煤過程中，動態(tài)掃描工作面新開采空間并將點云導(dǎo)入，及時更新井下空間模型。與工作面綜采設(shè)備聯(lián)線集成，及時獲取工作面各種傳感信息，傳感信息被保存到傳感信息庫中。利用最新的井下空間三維模型、綜采設(shè)備三維及物理模型、工作面?zhèn)鞲袛?shù)據(jù)，通過虛擬現(xiàn)實，能夠基于綜采工作面當前狀態(tài)對未來一段時間的推進過程進行預(yù)演，提前發(fā)現(xiàn)問題，為生產(chǎn)提供指導(dǎo)信息。透明工作面建設(shè)如圖10所示。

圖10 透明工作面構(gòu)建示意圖

目前，神東集團正在榆家梁煤礦43101工作面試點以透明工作面構(gòu)建技術(shù)為基礎(chǔ)，以視頻識別、測煤厚雷達、采煤機隨機電纜自動拖拽等關(guān)鍵突破點進行工作面無人巡視，自動化割煤嘗試。

2020年4月，神東集團將試用一套來自波蘭法穆爾公司的薄煤層綜采工作面“黑龍”系統(tǒng)成套設(shè)備，是介于刨煤機與長壁采煤機之間的新型產(chǎn)品，其特點是煤層剝落方式采用旋轉(zhuǎn)滾筒，行走方式采用鏈牽引系統(tǒng)驅(qū)動，截割采用垂直進刀方式，提高推進效率，自動化將更容易實現(xiàn)，具有專用的電纜拖曳裝置，避免電纜重復(fù)折返破壞和卡阻、掉道，預(yù)期可以完全實現(xiàn)工作面無人開采。