煤矿智能化开采系统研究与应用

张立刚

（徐州立创通信科技有限公司，徐州 221116）

1 工作面设计概述

11221工作面位于矿井西翼12采区B10煤层的北部，工作面设计走向长度为1 192 m，倾向宽度为200 m，总平面积为241 393 m2，设计可采储量面积为223 933 m2，可采储量约137 万t。其中，上巷设计长度为1 199 m，下巷设计长度为1 300 m，上巷断面宽为4.5 m、高为4 m，下巷设计断面宽为4.5 m、高为4 m，两巷掘进方位为245°。工作面配套设备情况如表1 所示。

表1 工作面配套设备情况

2 智能化系统功能概述

智能化综采工作面通过安装传感器，实现对采煤作业的远程监测监控，使工作面具备自动记忆割煤的能力[1]。通过引入高精度惯导系统，对接电液控等子系统实现工作面的自动取直和液压支架的远程自动化控制。通过建设顺槽监控中心，对支架电液控制系统、采煤机、乳化泵站、刮板机、转载机、破碎机及顺槽运输系统进行联合控制，实现设备的远程集中联合控制管理，使系统能够根据运输系统负荷的大小，自动调控采煤机的生产能力。通过有线网络和无线网络，实现采煤机在工作面环境下的可靠通信，以及与工作面视频、语音、数据信息的远程传输。通过智能视频识别和大数据分析，实现相关设备姿态识别和故障提前预警，实现工作面协调、安全、可靠的智能化生产作业[2-3]。

2.1 液压支架电液控制部分设计

每台液压支架配置以下组件。第一，1 台支架控制器，用于采集各类传感器数据信息，控制支架各动作及通信。第二，1 台16 功能16 接口主阀组，用于支架电液控制。第三，1 件压力传感器，实现立柱下腔压力监测，根据监测数据实现压力预警、分析功能及顶板状态。第四，1 件位移传感器，监测推移行程，支架推移千斤顶预留有位移传感器安装位置。第五，1 件采高传感器，检测支架的当前高度。第六，1 件红外接收器，实现采煤机定位，实现支架自动跟机移架、跟机喷雾、收伸缩量、收护帮。第七，1 件支架警示灯，实现支架预警功能闭锁、动作、安全状态的分色警示，保障人员安全通行。控制器集成无线接收器，系统配置20 件支架无线遥控器，实现支架单独动作和成组动作。

2.2 工作面集控中心功能设计

工作面集控中心分为顺槽集控中心和地面控制中心两部分。顺槽集控中心为井下所有设备控制的“大脑”，可实现各设备的数据监测和远程控制，能够将电液控制系统、工作面人员位置识别系统、工作面三机、自移机尾、顺槽皮带运输及各类开关等的数据融入系统，并参与智能化工作面的控制与保护。工作面集控中心设计时，应预留能将本系统接入全矿井自动化系统的接口和协议，通过井上下数据传输系统上传系统采集的所有数据，并在井下和井上计算机上进行显示和控制。综采工作面各系统集成到同一控制平台，使用同一数据库[4]。

首先，集控中心为一体化操作间，内设2 台主机对工作面设备进行控制，6 台显示器用于显示设备运行画面和视频图像。其次，集控中心设置本质安全型操作台3 台（支架、采煤机、运输三机），包含控制按钮、急停按钮硬件设备，用于控制综采工作面的设备。再次，集控中心安装1 台带语音对讲的云台摄像仪，在地面实时与集控中心人员保持通信。最后，集控中心配置1 台不间断电源设备（Uninterruptible Power Supply，UPS），保证集控中心及交换机持续不少于4 h 供电，防止突然断电造成系统软件崩溃及数据无法正常上传。

2.3 自动化控制系统具备各系统的接入及实现功能

2.3.1 电液控系统功能

液压支架配备电液控制系统跟随采煤机在全工作面范围自动完成支架伸缩护帮、移架、推溜、喷雾除尘等动作，具备远程控制功能，同时实时在线监测工作面液压支架立柱的支护阻力、推移行程，并将实时数据传输到工作面智能集控中心。

2.3.2 采煤机控制系统功能

采煤机采用全中文彩色大屏幕图文显示，可实现操作提示、实时显示工况运行数据参数、故障诊断的人机对话界面。采煤机具有煤机位置、左右摇臂高度、功率、漏电、过压、过流、温度、油温、油位及开机预警等多项指标的监测及保护功能，可同时实现滚筒切割轨迹记忆功能、记忆截割、“三角煤”机架协同控制，以及瓦斯浓度和牵引速度联动控制等功能。

采煤机通过Modbus 总线协议向智能集控系统提供数据，将运行状态实时上传到工作面智能集控中心，实现在工作面智能集控中心和地面监控中心对采煤机实时远程监测与控制。

2.3.3 工作面三机功能

工作面三机为刮板机、破碎机、转载机。智能工作面系统通过工作面内的有线和无线网与三机的控制器进行连接，获取三机运行数据，包括三机各电机电流、电压、温度、运行功率、故障等信息，同时具备监测工作面语音喊话器的闭锁被拍下的位置，监测各设备的启停状态。

2.3.4 泵站供液系统功能

泵站供液系统将行业标准协议上传到集控中心，并在集控中心显示，包含清水泵、乳化泵、增压泵的工作状态、远程就地控制模式、油温油位、乳化泵出口压力及压力差、液箱液位及乳化液配比浓度、水箱液位温度等，同时具备泵站运行故障报警的显示功能。

2.3.5 视频监控系统功能

提供对工作面开采现场、关键设备运行状况的视频辅助监测。在刮板机尾、破碎机、皮带机尾、皮带机头位置安装带有云台旋转功能的摄像头，可在集控中心远程控制云台旋转调整摄像头的角度和焦距，实现固定点垂直方向和水平方向全方位视频监测。系统支持地面的同步观看与录像，地面录像不少于1 个月，支持扩展。视频监控具有水雾和煤尘穿透功能，视频摄像头具有自清洁功能。

2.4 工作面人员定位系统功能

人员定位系统沿用工作面无线基站，在支架上配备定位标签，通过人员定位卡识别人员在液压支架的位置，达到自动跟机时自动动作闭锁，实现人员安全保护。

工作面人员携带识别标识卡，确定工作面内每一个人员的精确位置，定位误差不大于50 cm。工作面人员位置、人员数量、人员在工作面运动轨迹等信息能在上位机上显示。当人员出现在危险区域时，所在区域的支架从控闭锁，并配合声光报警灯实现危险区域声光报警，同时具备集控界面人员位置提示。系统可设置本架及邻架安全闭锁架数，具备自动跟机时设定根据人员位置闭锁移架、降柱等影响人身安全的动作，但不影响正常邻架、隔架动作。

2.5 工作面环境监测联动功能

工作面集控中心通过与安全监测监控系统的双向通信，显示工作面环境气体的状态，如一氧化碳、二氧化碳、甲烷、氧气浓度、风速、温度等，并利用安全监测系统的数据保障联动。

2.6 视频分析预警系统功能

利用工作面支架上安装的带云台摄像机，通过自动跟机程序，实时感知采煤机作业位置、人员作业状态。系统基于感知数据进行分析，能够识别大煤块、护帮板、煤机滚筒状态、人员状态等。视频系统参与设备与设备、人与设备之间的安全预警及控制。例如，检测到人员闯入刮板机区，立即停止采煤机、刮板机等相关设备运行。

通过视频分析护帮板当前伸缩状态，能够识别人员不安全行为，包括工作人员越位、采煤机附近出现工作人员及人员入侵危险区域等。例如，在设备运行过程中，工作面人员一旦越位，系统会立即预警并自主停机控制。通过检测摄像头视野内或红外识别运输机区域的煤流情况，可以计算运输机的视频帧和总视频帧的比例，从而确定运输机煤流流量大小[5]。

2.7 三维可视化模型构建

利用先进的地质探测技术，通过数字孪生工具输入采煤工作面地质信息，三维自动建模通过模型准确呈现整个工作面的工程地质条件，从而实现整个采煤工作面的三维可视化，及时指导生产进行适当调整。

3 结语

随着我国煤炭走向现代化，煤矿综采智能化工作面与日俱进，实现采煤无人值守已经是煤矿行业最突出的一个课题。实现煤矿智能化综采，不仅是国家面临的问题，也是国际上面临的一个难关。文章设计的煤矿智能化开采系统将为煤矿智能化综采提供一定的助力。