張登山，邢海龍，張澤

（內(nèi)蒙古鄂爾多斯市國(guó)家能源集團(tuán)神東柳塔煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209）

柳塔煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市伊金霍洛旗境內(nèi)，井田面積13.6185km2，地質(zhì)儲(chǔ)量1.83億t，可采儲(chǔ)量0.89億t。礦井采用平硐、斜井聯(lián)合開(kāi)拓方式，開(kāi)拓系統(tǒng)簡(jiǎn)單、信息自動(dòng)化基礎(chǔ)扎實(shí)、提升空間大。2021年1月29日，柳塔煤礦組織召開(kāi)智能化建設(shè)推進(jìn)會(huì)，成立了以礦長(zhǎng)為組長(zhǎng)的煤礦智能化建設(shè)領(lǐng)導(dǎo)小組，負(fù)責(zé)指導(dǎo)煤礦智能化建設(shè)工作，抽調(diào)專人成立了智能礦山執(zhí)行組、智能運(yùn)維隊(duì)，全面負(fù)責(zé)智能礦山建設(shè)項(xiàng)目組織、審核和實(shí)施推進(jìn)工作，確保智能化礦山建設(shè)各項(xiàng)工作穩(wěn)步推進(jìn)。

根據(jù)國(guó)家能源局下發(fā)的文件《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》和《國(guó)家能源集團(tuán)智能礦山建設(shè)方案》指導(dǎo)意見(jiàn)，柳塔煤礦結(jié)合自身發(fā)展，從綜采、掘進(jìn)、主運(yùn)、輔運(yùn)、供電、供排水、通信網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)、機(jī)器人、通風(fēng)與安全10個(gè)方向全方位建設(shè)智能化礦井。計(jì)劃在2022年底建成智能綜采工作面初級(jí)1個(gè)、智能掘進(jìn)工作面中級(jí)2個(gè)，目前已實(shí)施完成了主運(yùn)輸系統(tǒng)無(wú)人值守項(xiàng)目，成為公司第一家主運(yùn)輸無(wú)人值守實(shí)施單位，同時(shí)完成了主通風(fēng)機(jī)房、變電所、水泵房、壓風(fēng)機(jī)房固定崗位無(wú)人值守。

圖1

1 柳塔煤礦智能化建設(shè)目標(biāo)

2021年，柳塔煤礦智能礦山建設(shè)在原有的自動(dòng)化、信息化建設(shè)的前提和基礎(chǔ)上，分階段進(jìn)行智能化升級(jí)改造建設(shè)，構(gòu)建涵蓋智能采煤、智能掘進(jìn)、智能通風(fēng)、智能一體化管控平臺(tái)、災(zāi)害預(yù)警、固定崗位無(wú)人值守、云計(jì)算中心、通信網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)的智能礦山示范工程。到2022年實(shí)現(xiàn)“六個(gè)100%目標(biāo)”，即100%采煤工作面實(shí)現(xiàn)智能化、100%掘進(jìn)工作面實(shí)現(xiàn)智能化、100%固定崗位實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守、100%主要災(zāi)害實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)預(yù)警、100%通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、100%實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人全覆蓋。為此，要重點(diǎn)做好以下幾項(xiàng)工作：

一是加快推進(jìn)采掘智能化工作面建設(shè)，首先在22103綜采工作面進(jìn)行列車設(shè)備和自移機(jī)尾智能化建設(shè)，實(shí)現(xiàn)“四崗合一”，22104綜采工作面全面建成智能化工作面，建立地面集控中心，實(shí)現(xiàn)工作面采掘、運(yùn)輸、供電、供液、視頻等一體化控制。積極引進(jìn)智能化錨運(yùn)破一體機(jī)、人員接近防護(hù)系統(tǒng)、多組合智能饋電開(kāi)關(guān)等新技術(shù)，著力提高掘進(jìn)智能水平。

二是大力推進(jìn)固定崗位無(wú)人值守建設(shè)，在已實(shí)施固定崗位無(wú)人值守的基礎(chǔ)上，對(duì)主運(yùn)輸系統(tǒng)配電點(diǎn)移變、組合開(kāi)關(guān)等進(jìn)行遠(yuǎn)控改造，應(yīng)用智能除鐵、智能集中潤(rùn)滑、油脂在線監(jiān)測(cè)等技術(shù)。變電所安設(shè)電力監(jiān)控管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在線電能質(zhì)量分析、防越級(jí)跳閘、電子掛牌、智能告警等功能。水泵房具備與水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)預(yù)警與控制功能，根據(jù)涌水量自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵臺(tái)數(shù)、自動(dòng)切換排水管路，對(duì)用水量進(jìn)行預(yù)分析，實(shí)現(xiàn)按需供水。

圖2

三是建立智能一體化管控平臺(tái)，貫通生產(chǎn)執(zhí)行層與控制層數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)應(yīng)用與智能分析、災(zāi)害精準(zhǔn)預(yù)警及專家決策等，具備礦井子系統(tǒng)的集中展示、集中遠(yuǎn)程控制、移動(dòng)監(jiān)測(cè)急停、關(guān)聯(lián)分析、故障診斷與決策等功能，為優(yōu)化礦井生產(chǎn)提供決策依據(jù)。

圖3

四是構(gòu)建4G（5G）網(wǎng)絡(luò)+萬(wàn)兆環(huán)網(wǎng)+無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的礦井傳輸通道，在采掘工作面實(shí)施5G網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，為礦井的生產(chǎn)系統(tǒng)提供可靠的傳輸平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)礦井人員定位系統(tǒng)、無(wú)軌膠輪車監(jiān)控、無(wú)線通訊系統(tǒng)、應(yīng)急廣播系統(tǒng)、安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、工業(yè)電視系統(tǒng)的高度融合，建設(shè)一體化通信系統(tǒng)。

圖4

五是推廣機(jī)器人、特種車輛研發(fā)及應(yīng)用，推進(jìn)實(shí)施井下?lián)岆U(xiǎn)作業(yè)機(jī)器人、膠帶機(jī)巡檢機(jī)器人、變電所水泵房巡檢機(jī)器人、水倉(cāng)清理機(jī)器人、掏槽機(jī)器人等，研發(fā)應(yīng)用膠輪錨桿鉆車、混凝土泵送車、噴漿車、管路抓舉車、鉆孔車、膠輪電纜收放車等特種車輛，減輕工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度、勞動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，提高作業(yè)效率。

圖5

2 柳塔煤礦智能化建設(shè)主要經(jīng)驗(yàn)

作為神東公司固定崗位無(wú)人智能化示范煤礦，柳塔煤礦率先實(shí)現(xiàn)主通風(fēng)機(jī)、主運(yùn)輸無(wú)人值守改造，目前正積極探索智能集中潤(rùn)滑、智能除鐵、油質(zhì)在線監(jiān)測(cè)、巡檢機(jī)器人等技術(shù)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)所有井下固定崗位無(wú)人值守。

主通風(fēng)機(jī)不停機(jī)切換及無(wú)人值守系統(tǒng)指的是，主扇通風(fēng)機(jī)負(fù)責(zé)礦井通風(fēng)的重要工作，風(fēng)機(jī)采用一備一用形式，備用通風(fēng)機(jī)要求10min之內(nèi)開(kāi)啟。傳統(tǒng)的風(fēng)機(jī)切換模式不能提前對(duì)備用風(fēng)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，易出現(xiàn)備用風(fēng)機(jī)因意外無(wú)法啟動(dòng)導(dǎo)致礦井停風(fēng)事故，影響煤礦安全生產(chǎn)。主通風(fēng)機(jī)不停機(jī)切換及無(wú)人值守系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)備用通風(fēng)機(jī)帶載啟動(dòng)試驗(yàn)功能，是礦井主通風(fēng)系統(tǒng)安全運(yùn)轉(zhuǎn)的重要保障。

2.1 現(xiàn)有礦井通風(fēng)系統(tǒng)及切換方式

目前礦井主通風(fēng)機(jī)因?qū)C(jī)械、電氣部分進(jìn)行檢修，需要每月切換一次，切換過(guò)程中存在以下問(wèn)題：

切換過(guò)程中主通風(fēng)機(jī)先停機(jī)后再啟動(dòng)備用通風(fēng)機(jī)，如備用風(fēng)機(jī)因異常無(wú)法正常啟動(dòng)，主通風(fēng)機(jī)已經(jīng)停轉(zhuǎn)，容易造成停風(fēng)事故。

備用通風(fēng)機(jī)故障時(shí)需恢復(fù)主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行，造成系統(tǒng)切換時(shí)間長(zhǎng)，存在安全隱患。

2.2 礦井主通風(fēng)機(jī)不停機(jī)切換關(guān)鍵問(wèn)題分析

(1)切換過(guò)程中同時(shí)開(kāi)啟主、備用通風(fēng)機(jī)主蝶閥時(shí),會(huì)產(chǎn)生風(fēng)路短路，造成備用通風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)。

(2)備用通風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生對(duì)正向啟動(dòng)的阻力，降低了啟動(dòng)的成功率。

(3)雙機(jī)同時(shí)工作時(shí)如何使通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量盡可能平穩(wěn)過(guò)渡。

2.3 礦井主通風(fēng)機(jī)不停機(jī)切換系統(tǒng)方案

通過(guò)在主扇主蝶閥和電機(jī)之間增加了連接風(fēng)筒，風(fēng)筒上安裝輔蝶閥，按照系統(tǒng)程序設(shè)定時(shí)間先開(kāi)啟備用風(fēng)機(jī)輔蝶閥、備用風(fēng)機(jī)，停止主風(fēng)機(jī)，同步開(kāi)、關(guān)兩臺(tái)風(fēng)機(jī)的主蝶閥，最后關(guān)閉風(fēng)機(jī)輔蝶閥，實(shí)現(xiàn)主扇切換的智能化，最終實(shí)現(xiàn)主扇不停機(jī)切換，如圖6所示。

圖6

主要步驟如下：

（1）主用風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，打開(kāi)備用風(fēng)機(jī)輔蝶閥。

（2）啟動(dòng)備用風(fēng)機(jī)，使備用風(fēng)機(jī)與主用風(fēng)機(jī)同時(shí)運(yùn)行。

（3）30s后主用風(fēng)機(jī)自動(dòng)停機(jī)。

（4）10s后主用風(fēng)機(jī)主蝶閥關(guān)閉，同時(shí)備用風(fēng)機(jī)主蝶閥打開(kāi)，2個(gè)風(fēng)機(jī)主蝶閥進(jìn)行同步開(kāi)關(guān)。

（5）風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常后，關(guān)閉主用、備用風(fēng)機(jī)輔蝶閥，風(fēng)機(jī)不停機(jī)切換成功。

該方案消除了備用通風(fēng)機(jī)冷備狀態(tài)下能否正常運(yùn)行的不確定，避免舊切換模式中備用通風(fēng)機(jī)突然故障無(wú)法啟動(dòng)的隱患，降低了備用通風(fēng)機(jī)啟動(dòng)的風(fēng)阻，提高了啟動(dòng)的成功率。經(jīng)過(guò)實(shí)際檢測(cè)，主扇不停機(jī)切換技術(shù)切換時(shí)間約為90s，且井下不會(huì)出現(xiàn)風(fēng)流間斷的現(xiàn)象。

2.4 礦井主通風(fēng)機(jī)無(wú)人值守方案

基于可編程序控制器與智能視頻為核心的主扇風(fēng)機(jī)無(wú)人值守系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)機(jī)性能參數(shù)、工況參數(shù)的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制，具備以下功能：

（1）可以實(shí)現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)主用風(fēng)機(jī)與備用風(fēng)機(jī)切換功能。

（2）實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)起動(dòng)、停機(jī)及2臺(tái)風(fēng)機(jī)切換過(guò)程中風(fēng)門及其他輔助設(shè)備的自動(dòng)聯(lián)鎖控制。

（3）通過(guò)各種傳感器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)分析，對(duì)風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況顯示與保護(hù)實(shí)現(xiàn)一體化的控制與在線監(jiān)測(cè)功能。

（4）系統(tǒng)具有風(fēng)機(jī)動(dòng)畫(huà)動(dòng)態(tài)顯示、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、故障報(bào)警、信號(hào)遠(yuǎn)程檢測(cè)、畫(huà)面調(diào)度上傳等功能。

通過(guò)將主扇風(fēng)機(jī)的自動(dòng)控制集中到地面調(diào)度室,操作人員只需在調(diào)度室就可實(shí)現(xiàn)設(shè)備的啟停及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)、風(fēng)速、風(fēng)量、振動(dòng)等參數(shù)集中監(jiān)控，應(yīng)用基于AI的圖像識(shí)別技術(shù)，對(duì)無(wú)人值守通風(fēng)機(jī)蝶閥開(kāi)啟、電機(jī)溫度等進(jìn)行智能識(shí)別分析，對(duì)作業(yè)人員進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域、安全帽規(guī)范佩戴等情況實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)區(qū)域巡視崗位進(jìn)行監(jiān)督，確保巡視人員履職履責(zé)。

主運(yùn)輸無(wú)人值守系統(tǒng)的應(yīng)用。柳塔煤礦主運(yùn)輸系統(tǒng)現(xiàn)有膠帶機(jī)4部，分別為上倉(cāng)膠帶機(jī)、主斜井膠帶機(jī)、西膠運(yùn)膠帶機(jī)、22煤主運(yùn)膠帶機(jī)，帶寬為1200mm，膠帶強(qiáng)度為1600N/mm，膠帶運(yùn)行速度為4.5m/s，運(yùn)輸能力為2000t/h。

由于主運(yùn)系統(tǒng)設(shè)備點(diǎn)多面廣，運(yùn)行過(guò)程稍有不慎易造成運(yùn)輸故障，這就要求無(wú)人值守集控系統(tǒng)具備高性能控制器和高可靠通訊系統(tǒng)，可以快速對(duì)突發(fā)的事故進(jìn)行正確研判，及時(shí)預(yù)警停機(jī)。通過(guò)部署網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、球機(jī)等設(shè)備，將采集到的信息實(shí)時(shí)傳送至集控中心，24h進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻分析，通道智能識(shí)別算法，識(shí)別井下的多種安全隱患和違規(guī)行為。

膠帶機(jī)帶面斷裂和撕裂一直運(yùn)輸管理的重點(diǎn)，尤其是在膠帶機(jī)無(wú)人值守，如未及時(shí)發(fā)現(xiàn)帶面斷裂和撕裂情況，將會(huì)造成嚴(yán)重后果。因此需安裝鋼絲繩輸送帶無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)和縱向撕裂識(shí)別裝置，在線檢測(cè)輸送帶斷裂和縱向撕裂，出現(xiàn)異常時(shí)可及時(shí)報(bào)警停機(jī)。

（1）智能視頻管理系統(tǒng)：在膠帶機(jī)輸送機(jī)卸載點(diǎn)、落煤點(diǎn)和驅(qū)動(dòng)部、儲(chǔ)帶倉(cāng)、除鐵器、機(jī)尾等位置安裝高清攝像機(jī)，監(jiān)控視頻實(shí)時(shí)傳至集控室，集控室可實(shí)時(shí)監(jiān)控和記錄現(xiàn)場(chǎng)膠帶機(jī)上煤流和設(shè)備運(yùn)行實(shí)況，智能分析圖像、數(shù)據(jù)異常情況，及時(shí)推送報(bào)警信息或停機(jī)。

圖7

視頻監(jiān)控軟件具有圖像窗口、告警窗口、通信連接窗口、控制窗口等輔助界面，通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò)配置管理安防集成管理平臺(tái),包括視頻監(jiān)控、智能、報(bào)警等各子系統(tǒng)集中接入管理，各系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)支持圖形化顯示,具備報(bào)警、視頻監(jiān)控、大屏電視墻、LED屏等設(shè)施的多種聯(lián)動(dòng)功能；提供告警時(shí)狀態(tài)顯示，事件欄提示，報(bào)警對(duì)話框提示，支持告警抓拍，告警錄像功能，告警日志自動(dòng)關(guān)聯(lián)告警錄像。

應(yīng)用基于AI的圖像識(shí)別技術(shù)，對(duì)無(wú)人值守膠帶機(jī)堆煤、跑偏和異物進(jìn)行智能識(shí)別分析；對(duì)作業(yè)人員進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域、安全帽規(guī)范佩戴等情況實(shí)時(shí)監(jiān)控，可快速發(fā)現(xiàn)人員違章，車輛違停、逆行等行為；對(duì)固定區(qū)域巡視崗位進(jìn)行監(jiān)督，確保巡視人員履職履責(zé)。

圖8

（2）運(yùn)行參數(shù)綜合自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：該系統(tǒng)主要由無(wú)線監(jiān)測(cè)傳感器、PLC控制柜和智能分析系統(tǒng)組成。無(wú)線監(jiān)測(cè)傳感器負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集膠帶機(jī)運(yùn)行溫度、振動(dòng)等數(shù)據(jù)，PLC柜負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的收集、轉(zhuǎn)換工作，智能分析系統(tǒng)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)匯總分析，提供決策依據(jù)。

設(shè)備溫度和振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)通過(guò)溫度傳感器和振動(dòng)傳感器對(duì)電機(jī)、滾筒溫度和電機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，將信號(hào)采集數(shù)據(jù)通過(guò)PLC控制柜上傳到集控室，數(shù)據(jù)超限時(shí)會(huì)自動(dòng)彈窗報(bào)警，便于值班人員第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)異常，及時(shí)通知現(xiàn)場(chǎng)人員進(jìn)行處理。

圖9

（3）鋼絲繩芯帶面無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)：采用X射線成像技術(shù)，在輸送機(jī)正常工作狀態(tài)下，不與輸送帶帶面接觸，全方位實(shí)時(shí)探傷和檢測(cè)，在任何工況狀態(tài)下將鋼繩芯輸送帶的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以X光成像的形式實(shí)時(shí)上傳至地面計(jì)算機(jī)，經(jīng)過(guò)專用軟件分析，對(duì)輸送帶的內(nèi)部鋼絲繩銹蝕、斷繩、接頭抽動(dòng)和輸送帶表面劃傷、掉膠、縱撕進(jìn)行準(zhǔn)確診斷，并進(jìn)行定位，避免輸送帶的橫斷和縱撕事故。

系統(tǒng)運(yùn)行前先對(duì)帶面進(jìn)行一次全面掃描形成參考圖，之后每次監(jiān)測(cè)系統(tǒng)會(huì)將當(dāng)前圖和參考圖進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)圖片變化來(lái)分析皮帶接頭及帶面情況。該系統(tǒng)可將各種缺陷分類列舉出來(lái)，方便人員維修，同時(shí)檢修人員還可以通過(guò)錄像回放詳細(xì)的查看帶面情況，避免了現(xiàn)場(chǎng)操作造成人員X射線輻射的傷害。

圖10

（4）輸送帶縱撕在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：通過(guò)激光發(fā)射器在膠帶機(jī)底帶面上呈現(xiàn)出輪廓線，通過(guò)攝像頭對(duì)輪廓線進(jìn)行拍攝成像，系統(tǒng)對(duì)輪廓線進(jìn)行在線識(shí)別，可以根據(jù)帶面縱撕后緊并狀態(tài)、開(kāi)縫狀態(tài)、重疊狀態(tài)進(jìn)行智能分析，判斷帶面的損壞情況后及時(shí)報(bào)警、停機(jī)。

圖11

3 智能化建設(shè)規(guī)劃

煤礦智能化建設(shè)對(duì)煤礦變革具有重要意義，柳塔煤礦在智能化發(fā)展中將牢固樹(shù)立“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開(kāi)放、共享”的發(fā)展理念，以實(shí)現(xiàn)煤炭資源的安全、高效、綠色、智能開(kāi)采為主線，以建設(shè)智能化礦井為抓手，圍繞煤炭工業(yè)與物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等深度融合的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，大力推進(jìn)智能系統(tǒng)、智能裝備的技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用，全面提升煤礦智能化水平，實(shí)現(xiàn)減員增效，降低員工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高員工幸福指數(shù)。

下一步，柳塔煤礦將重點(diǎn)抓好煤礦智能化建設(shè)頂層設(shè)計(jì)和任務(wù)落實(shí)工作，積極對(duì)標(biāo)集團(tuán)先進(jìn)示范單位，注重激發(fā)智能化技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用活力，著力培養(yǎng)一批結(jié)構(gòu)合理、素質(zhì)優(yōu)良的智能化專業(yè)技能人才，建立組織機(jī)構(gòu)健全、保障措施有力、培養(yǎng)體系完善、考核機(jī)制科學(xué)、輿論宣傳有力的智能化建設(shè)工作新機(jī)制，跳起摸高，開(kāi)啟“二次創(chuàng)業(yè)”新征程，為建設(shè)世界一流智能煤礦而努力奮斗！