上榆泉煤矿掘进工作面智能化建设实践与探索

徐立博,张荣华,冯可鑫

(国家能源集团国神公司上榆泉煤矿,山西 忻州 036500)

煤矿在开采过程中,掘进工作面是煤矿开采的“开拓者”,其工作环境相对恶劣,危险系数相对较高,全面提升掘进工作面智能化水平,对于降低掘进工作劳动强度、提升掘进工作实效、夯实煤矿安全生产基础、提升煤炭生产力、实现“少人则安、无人则安、减人提效”的智能化建设目标有着重大意义[1]。2020年3月,国家发展改革委、能源局等八部委发布《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》,为煤矿智能化发展指明了方向。2020年5月,山西省能源局发布《山西省煤矿智能化建设实施意见》,为煤矿智能化发展奠定了政策基础。2021年,国家能源集团发布了《煤矿智能化建设指南》,为煤矿智能化建设提供了可借鉴、可复制、可推广的国家能源集团方案。同年,国家能源集团制定了2022年实现五个100%目标,即“采煤工作面100%实现智能化,掘进工作面100%实现智能化,选煤厂100%实现智能化,固定岗位100%实现无人值守,煤矿智能化技术及建设100%覆盖”。上榆泉煤矿以智能化建设为路径,突出顶层设计,强化战略导向,不断完善创新体制机制,搭建开放协同创新平台,坚定不移地推进煤矿智能化建设,通过对掘进工作面设备的智能化改造,明显提升了掘进工作面的智能化水平。上榆泉煤矿智能化掘进工作面运行以来,每班进米提高2 m,生产班作业人数减少35%,完成了减人提效目标。

1 上榆泉煤矿掘进工作面智能化建设

上榆泉煤矿井田东西宽3.2～8.2 km,南北长1.8～6.0 km,面积约29.8 km2。矿井采用平硐开拓方式,地质条件简单,煤层赋存稳定,平均煤厚8.62 m;采用长壁后退式放顶煤采煤方法,顶板为浅埋深坚硬砂岩,煤层倾角2°～8°,Ⅱ类自燃煤层,自然发火期为3～4个月,煤尘具有爆炸性。矿井核定生产能力500万t/a,井田内赋存9#～13#五层可采煤层,现开采10#煤层[2]。

上榆泉煤矿掘进工作面为单巷全煤巷掘进,掘进巷道宽度为5.4 m,高度为4.1 m。巷道施工采用山特维克生产的MB670-1型掘锚一体机一次切割成巷,同时由掘锚机上自带的四个顶锚钻机完成巷道顶板支护,由两个帮锚钻机完成巷道帮支护[3],随掘随支,掘支运平行作业,支护方式为锚网索联合支护,煤炭通过掘锚机输送机运至LY2000/980连运一号车处,由连运一号车完成破碎、装运,然后由桥式转载机完成转载工序,最后通过DSJ100/100-3200变频胶带机运出。

上榆泉煤矿在掘进工作面智能化建设中通过加装5G网络系统、远程控制系统、视频监控系统、危险区域人员接近识别报警系统、自主导航定位系统和地面井下两级集控系统,实现了掘锚机一键启停、自动截割、远程控制、自主定向导航、工况监测、故障诊断、双向语音通话等功能,最终实现掘锚机高精度定向、位姿调整、自适应截割及掘锚掘进环境可视化,连运车智能自动化控制及远程控制,从而实现在少人、甚至无人操作下,完成高效、安全的井下掘锚作业。掘进工作面远程监控拓扑示意图如图1所示。

图1 上榆泉煤矿5G+掘进工作面远程监控拓扑示意图Fig.1 Topology diagram of remote monitoring of 5G+excavation face in Shangyuquan Mine

1.1 5G网络建设

上榆泉煤矿利用5G网络架构,围绕5G+智慧矿山,依托“5G+”,将新型工业互联网关键技术与智能矿山相结合,重构工业网络体系,打造煤炭产业新生态,致力于5G技术与矿山安全生产深度融合,实现无人、少人工作面,生产装备机械远程操控,煤炭数字孪生以及AI智能视频分析等煤炭生产核心信息化服务[4-5]。通过安装5G基站、无线CPE,利用其大带宽、低时延、广连接、高可靠的特性,满足了掘进工作面智能化设备的数据传输需求,实现了数据共享和互联互通,为各类应用系统提供了安全稳定的工作环境,为视距远程控制提供了可靠支持。同时利用5G的无线传输技术,摆脱了目前工作面繁杂的通讯缆线,大大减少了工作面缆线维护的工作量。上榆泉煤矿掘进工作面现场安装的防爆5G基站如图2所示。

图2 上榆泉煤矿掘进工作面现场安装的防爆5G基站Fig.2 Explosion-proof 5G base station installed on site at the excavation face in Shangyuquan Mine

1.2 视频监控系统建设

通过在掘进工作面掘锚机、连运车、桥式转载机、胶带运输机机尾、机头安装8个高清红外摄像仪和4个云台摄像仪,地面监控人员可以直接对井下情况进行实时监控,不仅能够直观监视和记录井下工作现场的安全生产情况,而且能够及时发现事故苗头,防患于未然,也能为分析事故提供第一手图像资料[6]。实现了掘进工作面摄像头无死角监控,胶带机机头实现无人值守。视频监控实时情况通过掘进工作面5G网络高速率、低时延,传输到地面调度室,为可视化远程操控掘锚机、连运车等设备提供了可靠保障。同时井下掘锚机、连运车、集控室各安装一个语音电话,地面调度室集控中心可通过语音通话软件拨通相应位置电话,可在地面操作台与相应位置人员进行直连通话,实现了地面向井下进行远程指挥和信息实时共享,并可及时对井下当班作业人员发出安全提醒,实现了安全管理“零距离”。

1.3 自主截割系统建设

上榆泉煤矿掘进工作面在掘锚机上加装激光雷达传感器、倾角传感器、位置传感器等,其主要关键技术是利用激光雷达传感器收集巷道激光基准线,从而实现横向定位,利用设定倾角参数与现场倾角传感器实际参数结合控制算法形成闭环控制,达到纵向定位的目标,同时结合现场智能视频监控装置和位置传感器实现掘锚机位姿检测和补偿,从而达到掘锚机自主截割功能[7-8]。更值得一提的是,此次建设的自主截割系统未使用行业常用的惯性导航技术,有效解决了高成本与井下工况条件下的振动漂移等问题。

1.4 远程控制系统建设

上榆泉煤矿联合北京易联创安科技发展有限公司研制出掘进工作面智能化远程控制系统。该系统建立了地面调度室集控中心和井下工作面集控中心,系统界面实时展示掘锚机运行姿态,实时上传掘锚机、连运车等设备的运行工况参数,以5G网络为通道,实现了一键启停、自动截割、自主行走、掘锚机与连运车三维显示等功能;通过破解通讯协议,采用“232”控制,数据采集通过CAN通讯线并联在设备通讯接口,并根据设备遥控器定制操控面板,实现了井下掘锚机与连运车地面和井下两级远程控制。同时,对掘锚机上的四台顶锚钻机进行了电液控制改造,并配备相应的遥控器,实现了可远程遥控操作锚杆钻机,使得锚杆司机岗位工从根本上远离危险区域,大大提升了锚护作业的安全性。

1.5 危险区域人员接近防护系统建设

掘进工作面连运车通过AI智能视频识别系统,在两侧安装了AI智能识别摄像仪,监控连运车两侧盲区,视频监控画面通过井下环网传输到地面操作台显示器。通过划定黄色危险区域,当人员进入此区域时,AI摄像仪对视频信息进行智能分析,并发出报警和广播告知,当人员闯入超过7 s时,对连运车进行断电停机[9-10]。

掘进工作面掘锚机通过UWB实时精准定位系统,安装读卡分站,为现场作业人员配备射频识别卡,利用射频识别技术,实现人员的精准目标定位,当人员接近掘锚机设定的危险区域时,发出报警并停机。

人员接近防护系统由连运车AI智能视频识别系统和掘锚机UWB实时精准定位系统组成“双保险”,具备危险区域划分、分级预警设定、多系统融合、自动停机、双向报警、视频预警、特殊人员权限管理等功能,该系统的成功运行,有效提升了掘进工作面移动设备的安全运行系数,保障了井下作业人员的人身安全。

2 上榆泉煤矿掘进工作面智能化建设实践应用效果分析

2.1 实施后效果

1)完成了MB670-1型掘锚机远程智能遥控系统的研发,并在井下完成测试,达到了自动化掘进目标,为实现掘进工作面无人化奠定重要基础。

2)实现了掘锚机的智能遥控、视频监测、巷道断面自动截割、摆速自适应控制等功能。

3)完成了掘锚机地面上位机服务器软件设计及应用。

4)运输设备具备自适应调速功能,危险区域具备人员接近识别、报警停机等功能。

5)实现“自主掘进协同作业+远程监控”的智能掘进模式,掘进工作面作业人员实现大幅缩减。

6)井下工作面、地面调度室集控中心具备三维建模、一键启停、远程操控功能,工作面实现了高效智能协同作业。

2.2 创新性总结

1)利用专门研制的激光扫描仪,实现了掘锚机机体坐标和巷道坐标的对应关系,从而实现了掘锚机截割头的精确自主定位。

2)激光扫描仪配合多参数传感器,实现了在不改变掘锚机原有机械结构的基础上,实现掘锚机的准确定位。

3)无线远程遥控系统实现了对掘锚机液压系统和电气系统的改造,在实现手动控制的同时,也可以实现远程控制。

4)通过掘锚机截割头的精确定位,控制截割头空间精确位移轨迹,实现了任意断面形状的自动截割成形,使掘锚机自动截割出整齐断面。

5)以掘锚机电气控制设备的电流过载保护标准为依据,通过检测截割臂驱动油缸伸缩长度及其伸缩变化率、截割电机电流值及其电流变化率等多种参数,对自动截割过程中遇到的不同工况进行逻辑识别,实现了自适应控制截割臂摆速及方向。

2.3 安全效益

1)锚杆钻机由液压控制改为电液控制,并配备了遥控器,实现了锚杆机司机远距离遥控作业,使得锚杆机司机岗位工从根本上远离危险区域,大大提升了锚护作业的安全性,同时也显著减轻了工人的劳动强度。

2)掘锚机和连运车均实现了井下和地面两级远程控制,掘锚机司机和连运车司机可以在地面集控中心或井下集控室远程操控作业,改善了工人的作业环境,保证了掘进工作面作业的安全。

2.4 提高效率

上榆泉煤矿掘进工作面智能化改造后显著提高了掘进速度与工效,单循环用时由原来的25 min减少至20 min,掘进工效由原来的每工0.3 m提升到0.5 m,每班进尺提高2 m,正规循环率提升至85%,单日进尺可达30 m,平均月进尺可达680 m。

2.5 减人成效

上榆泉煤矿掘进工作面智能化建设改造设备运行状态良好,目前已高效安全运行180 d以上,工作面单班生产人数由14人减少至7人,目前具体岗位人数设置为:掘锚机司机1人,锚杆机司机2人,铺网工2人,连运车司机1人,皮带司机1人,总计7人。

3 上榆泉煤矿掘进工作面智能化建设存在的关键问题

1)支护设备的智能化水平有待大幅度提升。上榆泉煤矿掘进工作面临时支护为掘锚机机载临时支护,掘锚机自带的四个顶锚钻机和两个帮锚钻机进行掘进巷道的永久支护,目前全流程无法实现全自动化锚杆支护。金属网、锚杆、锚索、药卷的输送与存储均采用人工操作搬运,难以实现完全自动化。自动铺网、上锚杆、自主进行支护定位等功能仍然存在空缺,支护设备的智能化水平较低,人工干预率高。虽然使用的山特维克MB670-1型掘锚一体机可实现一次切割成巷、掘支平行作业,但支护工序复杂繁多,支护所用时间远多于截割时间,对掘进速度有很大影响,严重影响生产效率[11]。因此必须提升钻机及配套物料输送系统的自动化程度,通过实现自动铺网、上钻杆、上锁具及自动紧固等功能来提升支护设备的智能化水平。

2)多设备之间的数据需要进行多源异构融合。相较于采煤工作面,掘进工作面所配备的设备数量相对较少,但掘进工艺中需要多台设备多步骤协同进行,因此需要进行多装备之间的数据多源异构融合,以此达到协同控制的目的。

3)可视化远程干预操作效果不佳。掘进工作面现场环境复杂,现场生产过程中所产生的粉尘、水雾等对摄像头影响较大,造成监控画面模糊,远程操作存在盲区,具有一定的安全隐患。因此需要采取有效措施降低粉尘、水雾等,尽可能的保持监控画面的清晰,消除安全隐患。同时,应该引入实时现场模型,将每一道工序具体为模型里对应的步骤,实现对现场工序的还原,提高对装备的精准控制。

4)智能化设备运行维护需要组建综合型专业队伍。目前上榆泉煤矿智能化设备的运行管理和维护不完善,没有专业的运维队伍,人员的综合素质不能适应未来智能化发展的需要,要加强人才教育的培养,由原本的固定单一岗位型人员向综合、复合型人才转变,培养组建“一专多能”的高水平、高技能、高素质人才队伍。

4 结论及展望

上榆泉煤矿掘进工作面智能化建设的积极实践与创新达到了预期效果,井上井下的智能化设备覆盖完整、运行稳定可靠,大幅度降低了井下作业的人数和井下作业人员的劳动强度。5G+智能掘进工作面自动截割和地面井下集控中心两级远程控制系统应用处于行业领先地位。

1)一体化新型永久支护工艺的研究。现有锚护作业工艺复杂、工序繁多、危险系数高,严重制约了掘进速度,锚护系统的智能化是提升掘进工作面整体智能化水平的难点和关键。研究“钻头+杆体”新型一体化锚杆、一体化控制系统、支护系统定位技术,以此实现锚杆存储、抓取、钻孔、安装、支护施工、锚固等全流程智能化支护,以达到真正实现锚杆连续施工,大大减少了锚护时间,提高锚护效率。

2)智能高效喷涂技术的研发。研发新型矿用高性能喷涂材料,通过机载智能喷涂机器人,实现快速喷涂成形、自动轨迹规划控制,构建喷层-围岩的主动支护结构,替代网片-围岩的被动防护结构。

3)智能插架连续运输系统的研究。研究长距离机尾自动移设技术,实现机尾自动牵引和自动调偏的精准位移;研究智能插架系统,实现机尾延伸皮带架智能辅助机械安装,单人辅助完成皮带架安装,减少作业人工劳动强度。

4)智能掘进机器人群的研发。煤矿井下作业复杂多样,具有不可预测性,把机器人大规模应用到井下,是解决“矿难”难题的金钥匙。上榆泉煤矿致力于“机械化换人、自动化减人、智能化无人”的目标,重视掘进机器人群的研发,重点研发掘进机器人和钻锚机器人,实现掘进和钻锚作业的完全智能化,目标到2030年,掘进工作面实现机器人群的应用,向无人化操作的目标不断推进[12]。