构建煤矿安全绿色智能化生产新模式的探索研究

第5期第16卷第5期VOL.16NO.52018年5月May.20181引言在“两化”深度融合的大形势下，工业领域正迎来产业发展的巨大变革。智慧矿山是煤炭行业转变发展方式，提升行业发展质量的核心动力。只有实现了煤炭智能化开采，才能从根本上实现最优的生产方式、最佳的运行效率和最安全的生产保障。智慧矿山是基于现代技术，将物联网、云计算、大数据、人工智能、自动控制、移动互联网、机器人化装备等与煤矿开采技术融合，形成矿山感知、互联、分析、自学习、预测、决策、控制的完整智慧系统，实现矿井开拓、采掘、运通、洗选、安全保障、生态保护、生产管理等全过程智慧化运行［1-2］。智慧矿山的核心是智慧生产系统，它包括以“面上无人作业”为主要特征的综采、综掘智能化和以“无人值守”为主要特征的辅助生产系统。辅助生产系统是指运输系统（含胶带运输、辅助运输）提升系统、供电系统、排水系统、压风系统、通风系统、调度指挥系统、通讯系统等［3-5］。近年来，煤炭开采技术以澳大利亚、德国和美国等发达国家为领先。比如：澳大利亚联邦科学院的LASC技术和美国Joy公司的IMSC技术［2-3］。为了实现煤矿安全、高效、绿色、智能化生产，国内有关煤炭开采构建煤矿安全绿色智能化生产新模式的探索研究杨成龙（神华宁夏煤业集团有限责任公司，宁夏银川，750001）摘要：分析了国内煤炭智能生产系统的现状以及神华宁煤集团智能生产系统的现状。提出了宁煤集团智慧化生产系统的发展路径：综采智能化生产以记忆截割+视频远程截割+视频煤岩识别进行技术融合，推进采煤机智能截割技术发展，达到工作面少人作业、无人作业；综掘智能化生产以掘支平行作业成套装备，配套使用永磁同步电机+变频器+基于机器视觉技术的智能调速胶带运输机，推进智能掘进技术发展；矿井辅助智能生产系统以自动化、数字化、智能化生产为目标，全面加快升级改造，实现“有人巡视，无人值守，远程监控”。在整体智慧矿山建设规划上分三步走，最终2030年全面建成智慧矿区。关键词：智慧矿山无人工作面综采智能化综掘智能化中图分类号：TD67文献标识码：B文章编号：1674-8492（2018）05-007-03作者简介：杨成龙（1970-），男，在读博士研究生，正高职高级工程师，现任神华宁夏煤业集团有限责任公司副总经理。Tel：[phone]，E-mail：[e-mail]机械化人工手动操作◉采煤机：多人跟机操作◉液压支架：多人多架就地操作（每架多动作，手工操作）◉运输系统：就地操作采煤机记忆割煤运输机自动控制液压支架跟机自动化……单机装备及自动化有人跟机操作智能化开采工作面内无人操作可视远程干预远程实时控制技术现场远程展现技术人工生产调度控制技术地面调度室顺槽监控中心互为补充促进发展……智能化自动生产协调控制技术工作面直线度控制技术工作面水平自动控制技术工作面自适应调高技术……自动化是基础无人化是重要技术手段图1我国煤炭智慧化开采进程第5期科技创新取得了较好成绩，已使得我国煤炭开采水平接近世界先进水平。如图1所示，我国煤炭综采在经历了机械化、单机自动化，正在向智能化开采迈进。目前，我国煤矿智能化开采以采煤机记忆截割、液压支架自动跟机及可视化远程监控为基础，以生产系统智能化控制为核心，实现了在地面（或巷道）综合监控中心对综采设备的智能监测与集中控制，提高了开采工作面割煤、推溜、移架、运输、消尘等智能化水平［3，9］。2智慧化生产现状及分析智慧矿山的发展是一个不断进步的过程，目前，煤矿正处于数字化矿山向智能化矿山的过渡期，随着科技水平的提高，智慧化的程度也将不断提升［5-6］。2016年煤炭工业协会和神华集团信息中心联合对神华集团、宁煤集团进行了两化融合调研，国内智能化开采技术成熟度初步评估达到70分，见表1。表1煤炭智能开采技术成熟度统计设备采煤机液压支架三机泵站电器胶带机总计权重3030105520100标志性技术及权重（%）项目权重现状项目权重现状项目权重现状项目权重现状项目权重现状项目权重现状记忆截割2020随机自动3030前后直线度3030自动调压3030保护3030保护2020煤岩识别500垂直调节2020左右伪斜度2020自动调流3030远程控制3030远程控制2020远程干预200前后调节2020上下直线度200远程控制2020自动控制3030负荷调节4040自调节1010倾斜调节200负荷调节105自动清污2020可靠性1010可靠性2020远程干预1010可靠性2015成熟度（%）308070100100100权重分值9247552070从表1统计可以得出，采煤机的煤岩识别、液压支架倾斜调节，巷道掘进和支护，辅助运输和工程方面自动化、智能化水平不高，影响了矿井智能生产技术的整体提升。煤炭开采智能化的瓶颈在薄煤层工作面，这是国内外煤炭行业所共同面临的难题，国内相关研究机构开展利用陀螺仪对采煤机位置进行三维检测跟踪定位，在原有记忆割煤、过载保护、自动调高等功能基础上，新增加了红外摄像、雷达探测防机械碰撞和煤岩分析检测功能，但这些技术大部分处在研究阶段，我国未来煤炭开采的研究重点在智能探测、智能导航和智能控制方面，并对其中较成熟的技术进行了初步试验，目标是在国家“十三五”期间赶上和超过世界先进煤炭开采水平，使我国由世界第一煤炭开采大国转变为第一煤炭开采强国。神华宁煤集团煤炭资源开采经过多年发展，先后经历了机械化、单机自动化、综合自动化、数字化等阶段。目前，宁煤集团下属各矿井系统的机械化程度高，单机自动化也日趋完善，并开发了多系统数字矿山综合自动化系统。神华宁煤集团在“十二五”期间投入研发力量，结合实际，根据综采工作面中厚煤层赋存特点、地质条件，应用煤炭智能化生产技术突破传统的生产方法，见表2，提高了中厚复杂地质条件的煤炭安全、经济、高效生产，特别是在煤矿智能开采技术上取得了突破，达到了煤炭开采的国际领先水平，直接减少采煤工作面操作人员，由原来的10~15人/班，减少到3~5人/班。表2神宁煤炭智慧化生产系统评估项目1．智能无人综采生产系统2．智能无人巷道掘进系统3．智能无人主煤流运输系统4．矿井智能辅助生产系统5．智能洗选加工系统6．辅助运输和工程合计权重303010101010100技术成熟度成熟度（%）704210010010030得分2113101010367神宁现状现状（%）50020503020得分150253227目前，智能无人主煤流运输技术已成熟，神华宁煤集团在下属各煤矿推行“有人巡视、无人值守”模式。神华宁煤集团煤炭井工生产的主要矛盾是采掘失调，在煤炭装备技术快速发展的情况下，巷道掘进装杨成龙：构建煤矿安全绿色智能化生产新模式的探索研究··8第5期备没有大的发展，特别是较复杂条件下的巷道掘进设备近20年内停滞不前。从表2统计可以得出，现有“智能无人巷道掘进系统”技术成熟度初步评估为42%，神华宁煤集团使用现状却为0分，严重制约了神宁集团煤炭智能化生产的发展水平。3智慧化生产发展路径近年来，国家开展“机械化换人、自动化减人”科技强安专项行动［1，3］。而对于煤炭行业来说，研发和推广先进智能化技术与装备，不仅是实现这一专项行动的唯一道路，也是实现煤炭资源智慧化生产的必由之路。在煤炭智慧化综采生产方面，应对智能采煤成套装备与技术进行深入研究。现阶段，采煤机滚筒高度调节以记忆截割法为主，需借助人眼视觉对煤岩界面进行识别后，修正滚筒轨迹，是一种半自动方法［9-10］。由于受到人眼视觉特性和工人心理因素的影响，人眼视觉识别煤岩界面存在局限性，其检测结果的精确性、重复性、快速性和客观性得不到保障，为突破这一关键技术难题，神华宁煤集团目前正在研发采煤机视频远程干预截割和视频煤岩识别，努力方向是利用现有的记忆截割+视频远程截割+视频煤岩识别进行技术融合，推进智能截割技术。这一智能化开采的关键技术如果取得重大突破，不仅奠定了智慧化生产的坚实基础，而且在近水平综采工作面就有望实现“无人化”作业。在煤炭智慧化综掘方面，神华宁煤集团正在和太原煤科院、石家庄煤矿公司合作研发掘支平行作业成套装备，并配套使用永磁同步电机+变频器+基于机器视觉技术的智能调速节能胶带运输机。为保障研发的顺利进行，将从易到难分步进行，先实现掘支平行作业，再实现掘支的自动化少人作业。与之配套胶带运输机使用变频器驱动永磁同步电机，可以实现低速大转矩过载起动平稳，多驱动电机功率平衡动态响应快，有效防止断带、打滑等高可靠性。基于机器视觉的智能调速胶带运输机，不仅可以实现节能降耗、减人提效的目的，而且为安全、高效的煤炭“绿色”运输系统奠定坚实的基础［7-8］。在煤炭辅助智慧化生产方面，神华宁煤正在以国家能源集团数字矿山规划为指导，以其中鼓励型A类矿井为目标，全面升级改造，加快实现以“无人值守、有人巡视”为主要特征的辅助智慧化生产系统［4-6］。依据上述煤炭智慧化生产系统发展路径，神华宁煤集团规划：2020年，试点实现智能无人综采生产工作面、掘支平行作业平台化高效掘进工作面、智能无人主煤流运输系统、矿井智能辅助生产系统、智能洗选加工系统；2025年，试点实现智能无人化综采生产系统、智能无人巷道掘进系统、智能无人辅助生产系统、智能无人洗选加工系统；2030年，全面建成智慧化生产矿区。4结束语中国煤炭智慧化生产方式的转变，是煤炭行业安全、高效、绿色、智能化发展的唯一道路，是全面建设“面向市场、面向世界、面向未来”新神宁的必经之路。本文通过对国内煤炭智能化生产现状及分析，神华宁煤集团智能化生产现状及分析，提出了综采智能化生产以记忆截割+视频远程截割+视频煤岩识别进行技术融合，推进采煤机智能截割技术发展，达到面上少人作业；综掘智能化生产以掘支平行作业成套装备，配套使用永磁同步电机+变频器+基于机器视觉技术的智能调速胶带运输机，推进智能掘进技术发展。在整体智慧矿山建设规划上分三步走，最终2030年全面建成智慧矿区。参考文献：［1］王国法.智慧煤矿2025情景和发展路径［J］.煤炭学报，2018，43（2）：295-305.［2］王国法.综采自动化智能化无人化成套技术与装备发展方向［J］.煤炭科学技术，2014，42（9）：30-34．［3］何敏.智慧矿山重要特征与实现途径［J］.工矿自动化，2018，44（3）：31-35.［4］神华集团数字矿山规划项目组.神华集团数字矿山建设规划研究［M］.北京：煤炭工业出版社，2012.［5］韩建国.神华智能矿山建设关键技术研发与示范［J］..煤炭学报，2016，（12）：3181-3189.［6］韩建国，王继生.郭家湾智能矿山建设时间［J］.第7届中国煤矿信息化与自动化高层论坛论文集，2017：68-72.［7］杨成龙，李铮.智能视频分析技术在带式输送机中的应用［J］.能源于能，2017，137（2）：42-43.［8］杨成龙，李铮.智能视频分析技术在带式输送机纵撕检测方面的应用研究［J］.科技展望，2016，（32）：128-129.［9］张步勤.薄煤层综采自动化关键技术及应用研究［D］.中国矿业大学（北京），2015.［10］张科学．综掘工作面智能化开采技术研究［J］.煤炭科学技术，2017，45（7）：106-111.（下转第25页）··9第5期ApplicationofTowingChaininAnti-wearandExtensibilityofSupportingLegTubingofEngineeringEquipmentDONGXuelong，LUOShulin（HaerwusuEquipmentMaintenanceCenter，ShenhuaJungarEnergyLimitedLiabilityCompany，JungarBanner，InnerMongolia，010300）Abstract：InviewofthewearproblemcausedbytheexpansionandcontractingofthelegtubingoftheequipmentintheHaerwusuEquipmentMa