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        ★ 科技引領 ★

        智能化煤礦建設若干問題研究與思考

        唐恩賢1,李 川2,3

        (1.西安科技大學能源學院,陜西省西安市,710051;2. 陜西延長石油礦業有限責任公司, 陜西省西安市,710075;3.中國礦業大學礦業學院,江蘇省徐州市,221008)

        摘 要 智能化開采、智能化礦井建設是煤炭企業實現高質量發展的必然選擇。分析了我國智能化礦井建設歷程和智能化采掘技術迭代發展的趨勢,結合當前行業智能化礦井建設現狀,研究認為現階段礦井智能化仍處于初級水平,為更好地推進智能化煤礦建設,提出以下應把握的幾個問題和具體建議:災害治理永遠是礦井智能化建設的前提;礦井智能化的核心是采煤、掘進智能化;準確把握行業智能化礦井建設,當前絕大多數煤礦應以礦井升級改造為主;具有嵌入式技術的智能化裝備是煤礦智能化實施的必然要求等。

        關鍵詞 智能化開采;智能化煤礦建設;關鍵問題;嵌入式技術;移動機器人研究

        煤炭是我國的主體能源,2020年我國煤炭產量仍達39億t 。黨的十九大報告指出:“我國經濟已由高速增長階段轉向高質量發展階段”;國家八部委在《關于關于加快煤礦智能化發展的指導意見》(發改能源[2020]283號)中指出,“煤礦智能化是煤炭工業高質量發展的核心技術支撐”[1]。加快煤礦智能化發展、建設智慧煤礦是煤炭工業發展的戰略方向[2]。我國智能化煤礦建設是基于礦山自動化技術和物聯網技術相結合而提出的[3],井工煤礦的最終目標就是實現井下無人操作。2014年陜西煤業化工集團黃陵礦業公司一號煤礦較薄煤層智能化采煤工作面的成功建成,開創了我國煤礦智能化開采的先河[4]。經過5年多來的發展,到2020年底,全國已建成400多個智能化采掘工作面。智能化開采已經上升到國家層面,并成為行業共識,全國已掀起一股智能化開采的浪潮,推動我國煤炭工業的第四次技術革命。

        1 我國煤礦智能化礦井建設現狀

        1.1 煤礦智能化建設發展脈絡

        我國煤礦開采的作業方式,經過了傳統的人力作業—(半)機械化-綜合自動化-智能化開采(工業互聯網)4個階段的發展過程,最終目標是實現“智慧化礦山”。

        自20世紀80年代到20世紀末,我國煤炭開采經歷了機械化、自動化的發展過程。同時,液壓牽引與電牽引采煤機、電液控液壓支架、井下人員定位、通風、瓦斯等監控技術與裝備開始在全國各類煤礦推廣應用,為煤炭企業安全高效生產發揮了重要作用。智能礦山建設的提出是信息時代與知識經濟發展的必然結果[5]。煤礦實現機械化開采后,進一步開展自動化開采,進而再實現智能化開采成為世界采礦界不懈追求的目標。信息技術的發展促進了煤炭智能化建設,比如:基于計算機技術的自動化采礦技術,基于信息技術的數字化采礦技術,基于互聯網技術的礦山物聯網技術等,這些技術的發展為智能化開采奠定了堅實基礎。

        2000年之后,隨著我國通信、工業以太網技術的發展,逐步形成了深度融合云計算、大數據、人工智能等科學技術的5G技術生態,為煤炭行業的智能化發展提供了基礎保障[6]。同時,在智能化煤礦總體構架建設、應用場景分析、關鍵裝備與產品研發、行業標準制定等方面也取得很大進步。王國法院士團隊[7-8]闡述了煤礦智能化建設的原則和總體要求,給出了煤礦智能化標準體系構架及建設思路,并在設備研發方面做了大量工作;范京道、李川、閆振國等[9]提出了包含智能煤礦內涵和定義、智能煤礦基礎搭建、智能煤礦頂層設計等內容的智能煤礦總體架構建設方案;何滿潮院士[10]提出了5G +N00 礦井的遠程無人化智慧采礦模式。

        1.2 智能化采煤技術

        煤礦智能化建設經過5年多的發展,技術也在不斷升級完善,采礦技術從1.0時代也發展到了3.0時代,從技術發展的角度正逐步向4.0時代邁進。目前,智能化開采的核心是以電液控技術、網絡技術為基礎,以“采煤機記憶截割+增強感知高清視頻場景在現+人工遠程輔助干預”的地面采煤模式[11]。

        1.0時代是以綜采工作面中部“三機”協同,巷道遠程控制的采煤技術;2.0時代是以全工作面增強感知+“三機”協同+全工藝自動化作業技術系統,井下巷道或地面控制中心均可遠程控制的“一鍵啟?!?,兩端頭實現超前支架自移的配套作業技術;3.0時代是以地質勘探勘測數據為基礎,建立工作面靜態三維模型,形成以地質模型+數據規劃+自主決策的全工作面自動化作業技術系統,同時可應用大數據、分析決策、精準控制等技術實現采煤機自主截割,工作面無人開采。2014年智能開采3.0時代的技術體系在黃陵礦業公司一號礦進行工業試驗獲得成功,工作面中部煤機截割速度達到7 m/min,割三角煤速度達到5 m/min,模型精度達到150 mm左右,取得突破性進展。

        1.3 智能化掘進技術

        目前,煤炭行業的智能化掘進,從現場的裝備配置及應用來看,是在傳統綜掘的基礎上,進一步升級的快速掘進系統,是以掘錨一體機和TBM盾構機為代表的裝備系統。掘錨一體機,主要用于煤巷掘進,月進尺達到2 000~3 000 m/月,取得較好應用效果。TBM盾構機主要用于巖巷掘進,從應用情況來看,月進尺達到400 m以上,應用效果非常好,這2項技術裝備的應用,大大緩解了礦井生產接續緊張的局面,為加快推廣智能化掘進技術發揮了巨大作用。該系統具備如下功能:①實現掘、支、運一體化。掘進落煤、臨時支護、運煤、永久支護一體化,可實現部分工藝同時作業。②實現掘進遠程控制。在掘錨一體機后方約20~30 m設置操控平臺,操作人員利用視頻監控操作掘進機,按設定的截割模型實現自動截割。③實現導航定位,中心偏移自調整。利用紅外控制器,控制截割頭按設定的路線割煤,防止超挖,提升自動化水平。④設置電子圍欄。在掘進作業期間,若有人員靠近電子圍欄設定區域,立即發出報警信號并自動切斷電源,保障安全掘進。同時,工作面現場視頻畫面實時上傳地面調度室,提升安全管理水平。

        1.4 安全生產與生產經營管理系統

        目前大型現代化煤礦基本都建設了綜合自動化管理平臺,對井下人員定位、礦壓、通風、瓦斯、防滅火、水文、煤塵等指標可進行實時監測,地面瓦斯抽采、主通風機運行、水電供應系統、主帶式輸送機等均實行運行狀態監測及遠程控制。生產輔助系統使用機器人巡檢,固定崗位無人,取得明顯減人效果。同時,這些煤礦大都建設了“三網一張圖”系統,可進行產供銷全流程的信息化管理,基本能實現生產經營領域的信息共享。

        2 智能化礦井建設需要把握的幾個問題

        2.1 災害治理永遠是礦井智能化工作的前提

        智能化環境感知代替不了災害治理,災害治理達標是礦井安全生產的前提,否則智能化礦井的安全運行就不會實現。2021年初以來,全國多處煤礦出現的煤與瓦斯突出、礦井突水等事故,再次給我們敲響了警鐘。安全大于天,加強災害治理的基礎理論研究,強化日常管理,夯實煤礦安全生產與監督管理的長效機制,仍是企業安全生產的根本。以技術為支撐,以精細管理為抓手,以裝備為保障,三者并重,實施“人-機-環-管-物”的閉環管理,才能徹底消除安全隱患,智能化礦井才能根基牢固。因此對災害治理的達標評價,應作為智能化礦井建設的前置條件,實行安全一票否決。

        2.2 現階段礦井智能化仍處于初級水平

        智能化煤礦是現代采煤技術與信息化技術融合的產物。從目前現場應用條件看,在煤層賦存相對穩定、變化較小的煤礦應用較好,對煤層賦存條件較復雜的傾斜煤層等的應用還有待進一步研究[12]。從智能化開采系統本身來看,現在的煤礦智能化是以采煤機記憶截割+生產運輸系統的遠程集中控制來實現的,是利用采煤機的自主學習功能,在礦井綜合自動化基礎上實現的智能化。因此,也就決定了現階段智能化礦井建設的初級階段特征。當前煤礦全時空多元信息融合感知還遠遠達不到要求;數據存儲運用的作用還不足;分析決策、數字孿生協同控制、系統故障自診斷及分析預警、工作面礦壓與支護耦合自適應機理等方面還需要進一步研究。

        2.3 礦井智能化離不開采煤、掘進兩個核心的智能化

        智能化礦井是采煤、掘進為主體的智能化。具體是要把采掘工藝用數字化描述并轉為機器語言,把過去由人工操作,全部轉換成由高級智能機器來操作。實現采煤、掘進作業數字化的目標,才接近真正的智能化。智能化開采是多專業、多學科融合的系統工程,是以采礦理論為統領,融入計算機、電子信息、網絡、大數據等技術融合的巨系統。因此,實現智能化開采是衡量智能化礦井的必要條件。尤其現階段的智能化掘進,要把掘進工藝優化與裝備自動化、智能化相融合,需要以鉆錨自動化,支護參數設計,錨桿結構優化及材料改進,掘錨平行作業的研究為突破口,開發實用可靠的支護工藝、材料與裝備。

        2.4 準確把握行業智能化礦井建設,絕大多數煤礦應以礦井升級改造為主

        根據國家能源局等八部委下發《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》要求的3個階段性目標,以及公布的71處智能化示范礦井建設礦井名單,其中改造型礦井63處,新建礦井8處。改造型礦井的采掘裝備智能化的功能版本較低,改造難度大,涉及機械、電子、控制等方面的技術,開采條件復雜的工作面設備位姿,傳感器網絡的改造難度更大。因此,前期方案的制定、工程總體設計要科學合理,否則欲速則不達,不但滿足不了智能化升級改造的總體效果要求,還造成更大的浪費。對于礦井網絡系統的改造升級,要立足當前,謀劃長遠。加快對“5G+工業物聯網”技術研究,把5G技術的低延時、低能耗、泛在網的優勢和物聯網的感知識別普適化、異構設備互聯化、網絡終端規?;忍攸c相融合。尤其是應用場景的研究,用識別定位技術,M2M技術的優越功能,實現機器對機器,點對點的通信,遠距離收集信息、設置參數與發布指令。利用信息物理系統(CPS)針對井下系統戰線長、設備監控點多、安全監測廣等特點,通過3C(通信、計算、控制)技術有機融合與深度協作,建設系統構架,定制智能化礦井的發展規劃。

        2.5 具有嵌入式技術的智能化裝備是實現煤礦智能化的必然要求

        煤炭行業傳統的采掘裝備,單機自動化程度比較低,無法滿足自動化、智能化運行的基本要求。具有嵌入式技術的裝備是集計算機的軟硬件、傳感器技術、集成電路技術、電子應用技術于一體的新型裝備。該新型裝備具有自感知,是集信息接收、傳遞、處理、發布指令等功能于一身的自組網智能裝備,是未來智能化礦井發展的必然要求,也是裝備制造企業理念創新、產品轉型升級的必然要求。

        2.6 綜合自動化系統要提升集成網絡價值

        當前,礦井綜合自動化系統基本是礦井原來各種系統的簡單集成,集成網絡價值未得到提升,具體表現在如下幾個方面:①感知手段傳統單一,集中式的傳感裝置在某個子系統內難以按實際要求構建靈活實用的邏輯系統,缺乏傳感器層面的信息融合;②缺乏泛在感知網絡,基本沒有統一的井下無線覆蓋感知層網絡,存在很大的感知盲區,不能保證安全感知全覆蓋;③缺乏應用層面的信息融合,煤礦綜合自動化平臺實現了已有子系統的網絡化集成,但各個應用子系統之間的聯動與信息融合智能決策沒有應用,虛擬世界與物理世界的深度融合還遠未實現。

        2.7 采掘工作面輔助作業移動機器人研究滯后

        目前礦井智能化減人主要是減綜采和綜掘工作面的作業人員、礦井主運輸系統及井下固定硐室的崗位人員。除此之外,井下物料的搬運、管道拆除、風筒掛設拆除等輔助作業崗位上仍然需要大量人員,仍是傳統的作業方式。移動機器人替代這些崗位的人工勢在必行。尤其是災變情況下,機器人替代人力作業研究更是迫在眉睫。

        2.8 汽車無人駕駛技術在井工礦井應用尚早

        汽車無人駕駛技術,國外從20世紀80年代開始研究,我國2011年才開始起步。目前采用L2技術的部分自動操作汽車已經上路,稱為“自動駕駛”,但離不開司機;近期更高級別的采用L4技術的車輛正在上路測試,該級別汽車屬于高級別“自動駕駛”,但也離不開司機,只是減少了司機操作的工作量,遇到特殊情況必須人工操作。自動駕駛、無人駕駛,需要車、路、環境(網絡)三要素配合,缺一不可。煤礦井下車輛的使用環境與地面差別較大,而假設不能實現真正的無人駕駛,又與智能化礦山建設的初衷不符。因此,認為只有具備L5級以上技術的無人駕駛技術,才能在煤礦井下應用。

        3 結論

        智能化開采、智能化礦井建設是煤炭企業實現高質量發展的必然選擇。智能化生產把煤礦工人從危險的作業環境中解放出來,從繁重的體力勞動中解放出來,可實現“無人則安,少人則安”,是以人為本的煤炭企業擔當的社會責任和企業核心價值觀的體現。然而在當前煤礦智能化發展過程中,對現實問題要有清醒認識,發展中要圍繞核心、突出重點,解決難點痛點問題,以期使煤炭企業的智能化礦井建設之路更加平穩健康發展,企業職工能獲得更多的幸福感、自豪感,國家能源安全的“壓艙石”也能更加穩固。

        參考文獻:

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        [12] 王國法,劉峰,孟祥軍,等.煤礦智能化(初級階段)研究與實踐[J].煤炭科學技術,2019,47(8):1-36.

        Research and thoughts on several key issues of intelligent coal mine construction

        TANG Enxian1, LI Chuan2,3

        (1. College of Energy Engineering, Xi'an University of Science and Technology, Xi'an, Shaanxi 710051, China;2. Shaanxi Yanchang Petroleum and Mining Co., Ltd., Xi'an, Shaanxi 710075, China;3. School of Mines, China University of Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu 221008, China)

        Abstract Intelligent mining and intelligent mine construction are the inevitable choices for coal enterprises to achieve high-quality development. By analyzing the construction process of intelligent mines in China, the iterative development trend of intelligent mining technology, and the current situation of intelligent mine construction of coal industry, it was considered that the intelligent mine was still at the primary level at this stage. In order to better promote the intelligent construction of coal mines, several key issues and specific suggestions should be grasped were put forward, which included that disaster management was always ahead of mine intelligent construction; the core of intelligent mine was the intelligent coal mining and excavation; to accurately grasp the industry intelligent mine construction, most of mines should focus on mine upgrading and transformation; intelligent equipment with embedded technology was an inevitable requirement for the implementation of intelligent coal mine.

        Key words intelligent mining; intelligent mine construction; key issue; embedded technology; mobile robot research

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        引用格式:唐恩賢,李川.智能化煤礦建設若干問題研究與思考[J].中國煤炭,2021,47(10):45-48.doi:10.19880/j.cnki.ccm.2021.10.007

        TANG Enxian, LI Chuan. Research and thoughts on several key issues of intelligent coal mine construction[J]. China Coal, 2021, 47(10):45-48. doi:10.19880/j.cnki.ccm.2021.10.007

        作者簡介:唐恩賢(1962-),男,陜西藍田人,正高級工程師,西安科技大學客座教授,原陜煤集團黃陵礦業公司總工程師,主要從事煤礦智能化開采方面的技術與管理研究。E-mail:3143573018@qq.com

        通訊作者:李川(1987-),陜西銅川人,在讀博士,高級工程師。E-mail:lc19870222@163.com

        中圖分類號 TD823

        文獻標志碼 A

        (責任編輯 康淑云)

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