综采工作面智能化采煤技术分析

武永旺

摘要：在智能制造时代背景下，煤炭行业逐步迈入智能化发展新阶段。随着我国煤矿开采技术的不断发展，传统的人海战术已不能满足当前高效安全生产的需要，如何实现煤矿安全生产、提高劳动生产率成为摆在煤炭行业面前的重大课题。本文针对目前煤矿井下作业人员不足、劳动强度大、生产效率低等问题，以某矿综采工作面为研究对象，从系统架构设计到应用场景构建等方面进行深入分析，并提出具体的解决方案。

关键词：智能制造；采煤；架构分析

DOI：10.12433/zgkjtz.20232436

随着国家工业化和信息化水平的不断提升，传统制造业逐渐向“智能制造”“数字经济”转型升级。在中国智造2025规划和能源革命的推动下，我国煤炭工业也在加快推进数字化转型进程。随着信息技术、大数据和人工智能等新一代信息技术不断应用于煤业领域。作为典型的资源型产业，煤业的发展与国家能源战略息息相关，因此，如何提升煤炭行业整体水平以及促进清洁化发展是当下亟须解决的问题。近年来，国内各大煤炭企业纷纷加大对自动化装备的投资力度以及积极探索智能化采煤技术路线，然而，对于企业而言，智能开采系统建设及运行维护成本高、数据获取难度大且难以共享、数据质量差且无法及时处理等问题仍制约着整个行业快速发展。

一、智能化采煤技术基本理论

（一）综采工作面智能化开采的概念及特点

1.智能化开采的定义及其内涵

智能化是指通过使用先进的科学技术来改善生产过程，提高生产力水平。而综合机械化是指将机械化的各种设备有机组合，形成新工艺流程，不仅可以有效降低工人操作难度和风险，还可以减少人工投入从而降低生产成本。由此可见，综合机械化是采用现代科技手段使采矿活动更加科学合理的一种方式。智能化是利用先进的信息通信技术和计算机技术，实现煤矿生产过程的全面优化。具体而言，在保证安全生产的前提下，通过应用物联网、云计算、大数据分析等技术，对煤矿的作业环节进行全生命期管理。例如，实时监控井下人员位置，实时监测井下温度变化情况，自动生成安全保障措施方案，自动生成产量计划，等等。此外，综合机械化是将传统的单一设备或多种设备的组合模式转变为以大型机电设备和专用设备为主体的多级递进式的复合式现代化装备体系结构。

2.智能化的主要特点与优势

智能化和自动化是相互联系又有区别的概念。自动化是在一定条件下，机器能按照人的要求完成规定的功能，如按时间或按顺序动作等。而智能化是一种高度复杂的人机系统，其核心是知识，即人类在长期实践中积累起来的经验知识以及由这些知识所形成的技能技巧等，是人适应环境的结果。因此，从本质上看，“自动化”属于被动性劳动，“智能化”属于主动性劳动。人工智能具有高度的自学习性和自我完善能力（即具有无限的潜力），能够不断根据外界条件的变化调整自身的状态，从而获得最佳的工作效果，并最大限度地避免人为错误发生的可能性。

3.智能化采煤的主要特征

综采工作面的智能化主要是基于“三高”（高效率、高安全性和高可靠性）原则。具体而言，通过应用先进的物联网技术，实现对煤炭资源的全方位感知，进而实现对煤炭资源的高效采集和精确处理，同时借助工业互联网平台和大数据平台，建立集煤质检测、运输调度和生产控制于一体的信息化管控体系。此外，还通过构建无人驾驶矿车系统以及无人巡检机器人系统等来实现矿井的精准定位和安全高效的生产运行。

（二）智能化采煤工艺与技术的主要原理

1.煤矿开采过程及其基本规律

在作业过程中，随着原煤不断被开采，需要将它们运送到指定的位置进行后续加工和处理。在这一过程中，不仅涉及人员之间的配合和协同问题，而且存在着大量的设备之间、人与设备之间的协调配合关系。因此，要想提高工作效率和降低生产成本，就必须充分考虑各相关设备的协调配合问题。目前，我国大多数煤矿的综采工作面均采用“长壁式+大倾斜+综合机械化+自动控制系统”模式组织生产。其中，综合机械化是利用各种先进的技术装备代替人工完成一些繁重且重复性的操作任务的过程，自动控制系统是通过使用传感器获取井下各个系统的信息并通过计算机对这些信息的分析处理后发出指令来控制整个系统的运转过程的一种装置或软件程序的总称。

2.智能化的内涵及主要特征

在传统煤矿中，受到各种客观条件的影响，如巷道狭窄，通风不良等，传统的“人—机—电—液”联合自动化系统无法完全满足实际需求。随着科学技术的发展，人们逐渐开始探索新的技术路线和方法来解决这一问题。例如，通过对大量传感器的安装与布置，使整个矿井中的所有设备都具备一定的自主性，再如，根据不同工况下所要求的目标值进行合理的优化设计等。但是这些方法仍然存在一定的不足之处。为了能够更好地发挥其应有的作用，需要研究如何将传感器与计算机结合起来共同完成相应的功能。由此可见，“人—机—电—液—网”一体化集成已经成为未来智能化的主要发展方向之一。

3.智能化采煤工艺技术的基本内容

智能化采煤工艺技术的具体实施方式包括以下四个部分：一是通过在地面部署一台具有感知功能的服务器，对井下各相关系统进行监测并采集数据。二是由服务器向地面上的监控平台发送相应指令信号给相应的执行机构从而实现对现场设备的自动控制。当执行机构达到预定的目标值时，则向服务器反馈相应的信息。同时对于超出设定值的参数则及时发出报警信号提醒值班人员进行处理并采取进一步措施。三是通过安装在井下的传感器，实时地收集、分析、处理井下环境的各种数据，然后将这些数据上传到监控平台上。四是由监控平台根据实际情况来调整各个系统的运行状态和参数设置，最终达到提高生产效率的目的。

二、综采工作面智能化技术

（一）综采工作面智能化技术现状

国外已经普遍采用了“人—机—控—屏”（即一个操作员控制多台设备，每台设备上安装一块显示屏）的方案。该方案可以有效解决当前煤矿安全生产过程中存在的突出问题，为煤炭工业的持续稳定发展提供有力支撑。然而，这种方案的缺点在于它只能实现单点控制且不能保证整个工作面的连续作业。因此，为了克服以上缺陷并且提高工作效率，许多国家已经开始着手研发一种能够实现全矿范围内多点控制的解决方案。

（二）综采工作面智能化技术存在问题

目前，大多数企业所采用的“人—机—电”智能一体化控制系统，其功能主要是将各种传感器与计算机相结合，利用先进的数字通信技术和网络传输技术来实现远程操控。然而，这种系统不仅成本高而且维护难度较大。另外，“人—机—电”一体化控制系统仅能针对某一特定地点或某一特定空间内进行集中管理，并不能够满足矿井安全生产的需求。因此，“人—机—电”智能一体化控制系统仍然无法从根本上解决煤矿安全生产中出现的种种难题。

“人—机—电”智能一体化控制系统的功能较为单一。当出现紧急情况时，工作人员往往会手忙脚乱。同时，该系统主要采用单线制通信方式进行数据传递和信号处理，如遇到停电等突发状况时将会导致数据丢失、信号中断等问题。此外，“人—机—电” 一体化控制系统对人员的要求较高且操作复杂繁琐。因此，在面对恶劣的工作环境或者复杂的生产任务时，“人—机—电”智能一体化控制系统往往会出现反应不及时的情况并造成事故发生。

随着现代科学技术的发展，人们开始意识到传统的“人机合一”式自动化模式已无法适应现代化矿山建设发展的要求。传统的人力操作模式不但效率低下而且容易发生人为失误，进而影响整个矿区的正常运转及人员安全。为此，人们开始寻求更加先进、高效、安全的自动化管理模式以代替传统的“人力+机械”式自动化模式。但是传统的人力+机械型自动化模式的局限性非常明显，即运行速度缓慢，运行精度低，使用费用昂贵。因此，要想真正做到无人值守，就必须采取更为先进的自动化手段取代人工劳动，从而降低生产成本，提升工作效率。

（三）智能化采煤工作面系统的主要思路

根据煤矿的作业特点，结合当前国内外相关领域的研究成果，本文提出一种基于无线传感网的“多级联动”智能化开采工艺。该工艺由多个子系统组成，每个子系统的功能均通过无线传感网相互连接。其中，各子系统中分别安装有传感器和控制器，并且每个微电脑的控制范围都超过100m2 ，能够实现自动调压供风、自动监测瓦斯浓度等功能。此外，各设备之间还采用无线通信的方式处理数据传递和信号。这样既能够有效避免断电导致的信号丢失问题，又能够在第一时间发现故障并及时处理。

为保证“多级联动”智能化开采工艺的正常运行，本文提出了具有自检功能的智能网络节点，不仅具备检测网络是否畅通的功能，而且能够实时监控各个设备的运行状态。一旦某个设备的运行出现异常现象，便会发出警报提醒管理人员及时维修或更换新设备以保证整个网络的正常运作。另外，自检功能还可以帮助工作人员快速判断出哪些部件出现故障以便及时维护或更换，从而提高整个系统的可靠性。

三、综采工作面智能化系统

（一）综采工作面智能化系统

本研究主要针对某型综采机，在现有控制系统的基础上对原控制系统中的部分环节加以改造。具体包括：将主控室内的操作人员从原来的4人减少至1人，取消主电岗位，增加副电岗位以代替原有的主控室内的两个电源开关以及变电所内的一个电源开关，取消原有控制柜中的各种按钮及显示仪表，使用液晶触摸屏等。另外，为了满足矿井安全生产的要求，以及方便现场工作人员的操作，还在原有的基础上增设了相应的辅助设施。

（二）综采工作面智能化系统关键技术

单层式综合自动化装置中包含有大量的机械结构，如果将其直接应用到实际工作中将会给日常的维护带来很大的麻烦。对此，可利用一种基于微机的远程控制方法来替代现有的手动操作方式。具体来说，由值班人员通过远程操控的方式实现对各台设备的遥控操作并确保其按照预先设定的程序完成各项任务。另外，单层式综合自动化的所有参数均被储存在数据库中并且可以通过互联网与上级部门相连以便随时掌握各套设备的工作状况和故障情况。为了进一步增强单层式综合自动化的安全性，又对其增加了一些保护措施。例如，为了防止人为因素造成的误动而导致的生产事故，提出了名为“防误动保护电路”的方案。该方案主要是利用一组特殊的继电器来检测出某一时刻哪些信号出现异常进而防止某些非正常的动作发生。在双回路供电系统中，本文主要采用两种供电方式：一种为传统的交流接触器—热继电器（HJR-B）供电方式，另一种为具有自适应功能的直流稳压模块（DC/DC）供电模式。此外，双回路供电系统能够根据不同的使用需求灵活地调整电压输出范围，以适用于不同功率等级的设备使用。

（三）综采工作面智能化设计

在智能开采理念的影响下，煤炭企业都希望在现有条件下尽可能多地使用先进的技术手段来提高企业的生产效率。但是对于那些资金实力较弱的煤矿企业来讲，要想在短时间内将大量先进的科学技术投入生产中并非易事。鉴于此，本文针对某煤业集团下属某露天矿的实际条件提出了较为合理的智能化设计方案，以帮助企业提高煤炭产量并降低生产成本。在“无人化作业”系统中，本文首先采用了“视频监控+红外探测+激光测距+声发射技术”的组合方式来保证整个系统的安全性和稳定性。其次，为了避免因为工作人员出现失误而导致整个系统无法正常运转的情况出现，还专门设置了独立的监测站用来对整个系统的运行状况进行实时监测。最后，为了进一步强化系统的可靠性及可操作性，还专门设计了一个用于记录各种数据的数据库以及一套用于控制各个环节的设备软件。

四、结论

在智能开采理念的影响下，许多煤矿企业都在积极探索如何借助现代科技的力量来提高企业的生产效率。其中，部分企业在实践中已经取得了一定成绩并且为同类企业提供了很多可借鉴的经验教训。但是对于大多数煤矿企业而言，在短时间内将大量先进的科学技术投入实践中并非易事。为此，企业必须结合本企业的实际情况制定出切实可行的实施方案以帮助其实现快速转型。总而言之，随着我国经济的持续快速发展以及智能开采观念逐渐深入人心，智慧矿山建设已经成为未来一段时间内各大煤企发展的重点方向之一。

参考文献：

[1]李震.综采工作面智能化采煤技术分析[J].建筑工程技术与设计，2023（10）：1872.

[2]郭书栋.综采工作面智能化采煤技术分析[J].西部探矿工程，2021（02）：111-112.

[3]李闫记，吴小伟.煤矿综采工作面智能化技术与设备分析[J].内蒙古煤炭经济，2022（03）：43-45.

[4]魏志远，李建宇.煤矿综采智能化工作面关键技术思考分析[J].内蒙古煤炭经济，2021（11）：51-52.