从智能化共性问题看柳林煤矿智能化未来发展方向

董兴旺

(柳林县能源局,山西 吕梁 033399)

智能化作为煤矿发展的新阶段,现已在柳林煤矿企业中推行了2年,目前柳林县区域内共有煤矿28座,生产3号和9号煤层,总生产能力约为4 205万t/a。现阶段,柳林已建成包括贺西煤矿、双柳煤矿、华晋一矿、华晋二矿、寨崖底煤矿、兴无煤矿在内的6个智能化综采工作面。为了丰富和探索煤矿智能化生产和建设模式,柳林采用多种方法进行煤矿智能化建设,努力实现井下少人化目标,并与设备厂商一同探索井下无人化作业的技术与下一步智能化的发展方案,尽早实现井上井下系统智能化联动。根据计划，柳林2022年将推动7个智能化综采工作面及22个智能化掘进工作面。

理想情况下,相同的采煤工作面如果没有采用智能化技术,每个班次通常需要安排25人;完成采煤工作面的智能化建设工作后,每班次只需安排9人即可完成所有的工作。每天需要3个班次,则煤矿生产可以节省48人次,每名煤矿工作人员的人力成本方面按照15万元/a进行计算,则工作面每年可以节省人力成本720万元。采煤效率应在原有基础上提升42.86%～57.14%[1]。但现实情况是智能化的推进不是一蹴而就的事情,在实际的智能化建设工作中产生的经济效益并没有达到预期,其中既有智能化推进过程中的共性问题,也存在着个性问题。

1 智能化发展的共性问题

1.1 煤矿智能化认识和理念不统一

机械化、自动化、信息化和数字化是智能化的基本内涵,但是在实际智能化推动过程中容易出现将智能化与上述单一概念混淆的情况。此外,智能化的推进在前期投入较大,许多人抱着短视的眼光看待智能化的建设工作,认为智能化与之前的煤矿自动化的区别不大,无需投入过大成本去推进。实际上这种观念严重阻碍了智能化的发展进程,“你不做我不做”的观念会使本该大力发展的煤矿智能化甚至是工业智能化的进度放缓。众所周知,智能化重在智能,而信息化、数字化作为智能化发挥作用的基础需要大量的数据模型作为支撑,只有足够多的数据样本才能促进智能化技术和设备的不断发展。

1.2 煤矿智能化发展不平衡

由于我国煤层赋存条件复杂多样,不同赋存条件的矿井开展智能化建设时的技术路径、难易程度、效果等均不相同。目前,我国煤矿智能化发展不平衡,这种不平衡存在于多个方面,如不同矿区的智能化建设基础、不同省份或同一省份不同地市智能化建设的推进过程、纵向煤矿井上井下及横向各类系统之间的智能化开发水平、智能化需求与实际软硬件技术之间、投入与产出比之间等均可能存在差异[2]。

1.3 智能化煤矿5G应用场景和生态匮乏

5G作为新一代的信息技术,具有大带宽、广连接、低时延等显著优点,但是在实际应用过程中不同厂商的5G网络系统架构不统一。这就导致智能化矿山这一个包含着近百个子系统的巨大系统在运行过程中处处卡壳,不能发挥其真正作用,同时对本该实现的煤矿智能化效果大打折扣。而造成这一局面的底层逻辑是网络架构的开发工具系统或软件并不掌握在中国手里。这就导致系统的开发在底层网络架构上天然的被物理隔断,在开发工具和系统标准没有统一的情况下就形成了“各自为政”的情况,导致现在5G专利空在中国,却不能够充分发挥5G系统的作用。

智能化的发展应该形成一个良性的发展循环,如图1所示。只有将开发端、系统建设端、应用场景端有机地联系在一起,并形成循环,才能切实解决数据格式尚未实现统一、网络通信协议兼容性差、业务系统兼容性差、系统间协同控制兼容性差等问题。

图1 智能化良性发展循环

1.4 资金投入保障不足

煤矿智能化建设需要较大的资金投入,但是一些效益较差的企业智能化发展资金不足,特别是短期收益不明显,将影响企业投入的决心,主要表现在:煤矿智能化投入整体强度仍然偏低,企业间差距较大;煤矿智能化建设完成的初期经济效果甚微;智能化矿山产生的庞大数据流缺少专业人才对数据的深度挖掘和解析;缺乏可以量化考核智能化建设效果的评定体系。

2 柳林煤矿智能化存在的问题

2.1 信号传输问题

在煤矿智能综采面的各类机械都加装信号传输器后,由于井下的复杂情况,信号在传输过程中总会存在失真和延时等情况,特别是由于行程传感器精度差,无法执行贯导给出的准确指令。

2.2 视频辅助技术问题

在采煤机械可以智能化学习并完成自适应采煤工作前,井下采煤工作情况仍然需要监控视频全方位无死角地将井下情况传输给地面调度,以便对井下的复杂状况及时作出反应。但是井下工作的摄像头容易沾染煤灰,即使采用防尘摄像头依然会存在视频画面不清晰、煤岩识别不明确的问题,极大地影响了地面工作人员对于井下情况的判断,降低了煤矿生产效率。

2.3 液压支架自动跟机丢架问题及移架不到位问题

液压支架受流量的影响,特别是与推溜或移架平行作业时,存在3种情况:一是时间到，停止移架直接执行开架程序;二是煤机速度过快,在移架的同时执行开架程序,导致移架不到位;三是工作面有小的构造或支架前方有矸阻挡,或者支架先导阀、主阀有异物,导致支架执行速度慢。

在红外线自动感应跟踪煤机运行过程中,有些支架未能感应到煤机信号,存在大约5%～7%的丢架情况。

2.4 井下三维建模精度问题

井下建模的精度问题主要反映在激光扫描上。首先,煤矿井下工况环境属于GB 3836.1—2010《爆炸性环境第1部分:设备通用要求》规定的爆炸性环境,要求在该场景下使用的电气设备必须具备矿用安全标志证书和防爆合格证。三维激光扫描系统的防爆改造是难点之一[3]。其次,在煤矿井下环境作业时,三维激光扫描系统自身的位姿必须通过惯性测量单元和里程计确定,由于组成惯性测量单元的陀螺仪存在漂移问题,长时间累积计算会产生较大误差[4]。

2.5 其他系统问题

地质保障系统、辅助运输系统、综合保障系统、安全管控系统、分选系统、煤矸石回填系统和经营管理系统均符合山西省能源局关于印发《全省煤矿智能化建设评定办法(试行)》的要求,但是在整个工业生态系统中的运行、数据对决和数据深度分析方面还有所欠缺。

2.6 人才储备不足

煤矿设备进行了智能化,但是智能化人才的储备却没有跟上煤矿智能化的脚步。目前煤矿智能化后有关人才储备的问题主要表现在以下几个方面:

1)对于智能化设备的应用知识和理论还停留在中层领导没有做到充分下沉一线和吸纳新的相关技术员的程度。

2)与设备厂商的交流不充分,还单纯地停留在买卖双方的服务与被服务关系,缺乏进一步有关机械实操、技术进步、数据收集和反馈等情况的后续交流。既阻碍了系统智能化的进程,也影响了从业人员对煤矿智能化建设的观感。

3)地方监管部门缺少懂理论、懂技术的专业人员,缺少对地方煤矿智能化工作的指导,没能做到因地制宜、按矿施策和后续的经验总结工作,缺乏对成功经验的有效推广。

4)缺少和国内高校的技术交流,以至于不能很好地与智能化技术发展接轨;缺少对地方高校相关专业培养方案的了解,使得产学脱节，不能很好地适应日新月异的煤矿智能化发展;缺少和职业技术高校的联动,煤矿智能化不仅是中高层领导和行业的事情,更是与一线技术人员密切相关。煤矿智能化的进步不该只是系统和机器的进步,更应该是操作人员素质的进步。

3 从国内案例看柳林煤矿智能化发展之路

国内主要的采煤大省为山西、内蒙古和陕西。以下分别以山西王家岭12309综放工作面、内蒙古三一智造无人矿车和陕西黄陵二号矿大采高智能化采煤控制技术为典型案例进行分析。

3.1 王家岭煤矿12309综放工作面

王家岭煤矿12309工作面智能化开采,是基于智能化现状及工作面特征,分别从支架放煤机的精确控制、顶煤精准探测及煤矸识别技术、自动跟机放煤控制技术3个方面建立智能化综采放顶煤控制系统;通过在工作面设备上配备负荷监控(煤量扫描装置+负荷监测平台)、三机工况监测与控制、系统定位及防碰撞等装置,实现“前部记忆截割、后部智能放煤,远程集中控制”的智能化开采[5]。具体综采设备系统如表1所示。

表1 王家岭12309智能综采工作面设备明细表

王家岭12309工作面采用四六制生产组织方式进行生产,其生产人员组成主要为工作面巡检工、机头机尾超前支护工、监控员及远程放煤监控工。工作面人员配置如图2所示。这种井下综采工作面的人员配置模式能够保证井下机器运转和远程监控室的及时干预,并能够对支架自移不到位做出及时调整。在支架自移不能达到100%准确，采煤机不能做到完全自适应巷道的情况下,王家岭12309综采面的人员配置可以在目前智能化初级阶段有效解决上述支架移动不到位、干预机器不及时等问题。

图2 12309工作面人员布置图

3.2 三一智矿的无人矿车

自2021年第四季度至今以来,三一智矿已与内蒙古鄂尔多斯潮脑梁煤矿、民达煤矿、呼伦贝尔东明煤矿达成了矿山无人化开采、运输、排弃的无人驾驶运营试点。未来无人驾驶也必将在各大煤矿进行普及。煤矿智能化生态系统中也会加入无人驾驶集群控制子系统。相比于内蒙古较为平坦的地势,吕梁乃至山西整个地区地势相对陡峭多山,在普通的车辆与总机进行数据交互的基础上,还要实现车车交互的情况。这样既可以保证车辆之间的有序行进,也可以保证云管控平台对车辆情况的及时介入。

3.3 黄陵二号矿大采高智能化采煤控制技术

黄陵二号矿于2017年根据二号矿内的416工作面的实际情况建立并投入使用了大采高智能化综采工作面控制系统。智能化综采系统中的全自动控制启停技术、跟机自动化与记忆截割高效协同技术、设备防碰撞控制技术、支架自适应控制技术等属于业内一流水平值得推广学习。

4 煤矿智能化发展方向

煤矿智能化发展不是一蹴而就的,现在所实现的智能化技术只是煤矿智能化的冰山一角,还有许多方向和举措有待探索实现。

4.1 加深煤矿5G生态系统的开发与拓展

5G作为更先进的网络技术,完全能够满足高清视频监控图像传输的需求。以华为5G CPE终端设备Pro版为例,数据传输上行峰值为250 Mb/s,下行峰值为1.65 Gb/s,在满足高清视频数据传输的情况下,仍有足够的带宽支持通话、视频、数据交换、远程控制等多种数据业务[6]。首先,将井下综采面的一张网实现,让井下各类机械和子系统之间的数据实现交互;其次,尝试将地面各类可替代岗位机械智能化成立子系统模块,然后尝试将井上、井下的所有子系统并入整个系统网络中,形成一个井上、井下联动的巨型系统。按照此发展进程,必须要攻克信号传输速度问题及系统后台的算力问题,这也是现阶段煤矿智能化发展技术方面的必经之路。

4.2 完成对机械设备的智能化升级改造

4.2.1采煤机

控制中心在操作采煤机工作进程中,若是遭遇煤岩界面异常,会对已经收集到的各项数据实施整理与分析,调整与标准化记忆路线,然后调高采煤机前后位置的滚筒,并在采煤机定资、定位协助下快速调整好切煤路线,并设定好正确的采煤机牵引速度[7]。

4.2.2液压支架

对于液压支架,需要对其内部系统进行一定的改进和优化,从而解决其结构不统一的问题。若液压支架与电液控制系统之间无法进行协调作业,会导致液压支架只是作为生产附加品起到相应的作用。因此需要对液压支架和电液控制系统进行统一处理,同时在此技术上采用传感器、控制器和机械结构互相联合的方式来降低支架成本,在一体化升级工作逐渐推进的情况下,液压支架的智能化水平得到进一步的提升[8]。总的来说,煤矿机械智能化,应向着能学习、能适应、能联动的方向发展。

4.3 拓宽智能机器人应用面

机器人参与生产工作有利于缓解劳动力短缺的问题,同时可以提高整个工作过程的安全性,实现高效准确的施工[9]。对于煤矿智能化机器人来说,不能将思维局限,各类分项工作的机械替代化是拓宽煤矿智能机器人研究的重要方向,例如掘进机器人、喷浆机器人、支护机器人、救援机器人等。先机械再智能,一步一个脚印完成井下智能机器人种类的开发和应用,真正实现井下工作从有人到少人再到无人的发展目标。

4.4 实现决策科学落实,不忘经营可持续生产

煤矿企业推动矿山智能化时,要以不能放弃安全生产为首,同时对智能化期间收集到的数据指标进行解析,确保智能化可持续建设,不能因为智能化建设而顾此失彼。煤矿管理层要充分发挥企业VCXV组织机构作用,整合管理获得的智能化建设进程中的信息,利用网络技术建立先进的工作模式,保证建设过程中决策的科学性和合理性[10]。

4.5 建设高校—煤矿—设备厂商间联动的人才培养模式

产学研合作一直是行业得以发展进步的重点,现在智能化人才储备不充足的问题正是产学研合作在智能化建设工作方面的缺失。高校不懂煤矿对于新型人才的需求,依然按照旧的教学方案去培养;煤矿企业没有加强对于智能化人才的招聘需求,营造好相关专业的就业环境;设备厂商没有充分了解煤矿的实际生产需求,盲目地研究开发和优化系统,导致不同子系统之间的兼容、合并运行工作越来越难开展。只有高校与煤矿对接人才需求,才能培养出有技术有学历的专项人才。同时煤炭企业自身做好对内部门职责优化调整,对外加强人才招聘,营造好智能化人才需求环境才能倒逼市场完成相关职业技术的培训。对于设备厂商来说,煤矿企业要起到沟通桥梁的作用,加强煤矿企业与设备厂商、设备厂商与设备厂商之间的沟通交流。三者需要共同发力才能早一步实现煤矿智能化进程目标。

5 结语

本文针对柳林现已建成的智能化煤矿所发现的问题以及国内煤矿智能化建设的先进经验做了分析。煤矿智能化未来的发展要着眼于5G技术的应用、机械设备的智能化改造和智能机器人的深度研发,在保证可持续生产的前提下加速建成高校—煤矿—设备厂商间联动的人才培养模式,真正实现煤矿智能化的全方位建设。