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李东东
（山西古县兰花宝欣煤业有限公司，山西 临汾 042405）
随着煤矿开采朝着纵深方向发展，开采环境变得越来越复杂，瓦斯、突水、塌陷等安全风险越来越大，提升了煤矿开采过程的难度[1-2]。近两年国家发改委和国家矿山安全监察局等部门先后颁布了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》和《煤矿智能化建设指南（2021版）》等文件，目的在于加快我国煤矿领域的技术变革，实现煤矿产业升级，为煤矿的安全、可靠、高效率生产打下坚实的基础[3]。可见，煤矿工作面的智能化建设是未来发展的必然趋势。在这样的背景下，我国各大煤矿企业纷纷开始智能化建设，已经取得了初步的效果[4]。兰花宝欣煤业多年前在掘进工作面中进行智能化布局，部分成果已经在工程实践中得到应用。本文主要以兰花宝欣煤业掘进工作面智能化建设为案例，对相关技术进行探索，对于促进煤矿智能化建设具有一定的现实意义。
1.1 智能化系统整体方案
本文主要对山西古县兰花宝欣煤业在掘进工作面智能化建设方面进行探索分析。如图1所示为结合实际情况设计的掘进工作面智能化控制系统的整体方案框图。由图1可知，整个控制系统可以分为3个分系统，分别为围岩探测、生产控制和视频监控系统，每个系统都对应有智能化建设方向，其中生产系统又包括掘进机智能化、锚杆支护智能化和运输系统智能化。另外，所有的智能化监测和控制过程需要通过电液控制系统来实现。
1.2 掘进智能化研究方法及关键技术
如图2所示为智能化掘进关键技术及研究方法。可以看出，在开展掘进工作面智能化建设过程中，采用的研究方法主要包括现场调研、理论分析、数值模拟以及现场试验研究。涉及到的关键技术与内容主要包括掘进机设备本身的智能化技术、掘进工艺过程的智能化控制技术、锚杆锚索支护智能化监测、运输过程的智能化技术等。所有智能化技术在正式应用前，都需要在工作面中开展小范围的试验应用工作，经测试确保系统能够可靠稳定运行后才能够正式投入使用。
图1 掘进工作面智能化系统的整体方案框图
图2 智能化掘进关键技术及研究方法
2.1 集控中心系统
为了达到远程监控与操作的效果，除在井下设置集中控制中心外，在地面还专门设置调度中心。位于地面的调度中心，设置1台智能化主机，配备两台27寸显示器，其中1台专门显示掘进工作面的工作动态数据，1台专门显示井下各种监控视频，设置1台有web服务器，智能终端可通过研发的APP查看掘进工作面的情况。井下集中控制中心设置有2台工控机以及2台27寸显示器，井上和井下之间通过工业以太网实现数据信息交互，确保井上和井下控制中心数据保持同步。控制中心可对各种传感器检测到的数据信息进行综合分析研判，及时发现掘进工作面生产过程中存在的故障问题和安全隐患。一旦出现问题，系统会向外发出警报，不仅在显示器中进行弹窗警告，还发出声光警报。如图3所示为集控中心系统的结构示意图。
图3 集控中心系统的结构示意图
2.2 掘进机的智能化
兰花宝欣煤业中使用的掘进机型号为EBZ200S，掘进机正常工作时共包含3个主要的动作，分别为向前掘进、摆动截割以及后退收煤[5]。掘进机智能化主要是基于先进的智能化传感器以及智能化算法，对掘进机设备的运行状态进行感知，从而实现巷道掘进过程的自动精确成形，如图4所示为掘进机智能化技术主要框架图。由图可知，智能化感知主要包含三部分内容，分别为位姿感知、成形感知、状态感知。
图4 掘进机智能化技术主要框架图
位姿感知主要是对掘进机的位置和姿态进行智能化感知，是实现设备智能化运行的基础和前提[6]。包括静态和动态载荷下的位姿感知、位姿的智能化纠正，即出现位姿偏差后能够及时进行纠偏处理。开展位姿感知工作时需要使用捷联惯导技术及对应的位姿解算算法。成形感知是掘进机智能化中的关键和核心部分，要求智能化系统能够充分结合工作面实际情况，对截割头的轨迹进行科学合理规划，在截割过程中对煤岩硬度进行自动化识别，对截割过程进行自适应截割。遇到较硬的煤岩时，可以适当降低掘进和截割速度，对电机和截割头进行保护。相反的，如果煤岩相对较软时，为提升掘进效率，可以适当提升截割和掘进速度。截割时利用先进的数字测量技术和激光测距技术对截割断面尺寸进行检测，将其与设定的规格尺寸进行对比，根据结果对截割头的位置进行实时调整，实现对截割断面尺寸的精确控制，提升截割质量。
掘进机是一个非常复杂庞大的机电系统，内部包含很多机械结构和机电系统。状态感知主要是利用传感器对设备的工作状态进行检测，基于检测结果判断设备的健康状态，及时发现设备运行中存在的安全隐患和故障问题。状态感知还需要考虑信号失效及极端工作条件下的掘进机位置和姿态感知问题，确保设备在特殊情况下仍然可以安全运行。
兰花宝欣煤业通过大力开展掘进工作面智能化建设工作，取得了很好的效益。
3.1 安全效益
完成掘进工作面智能化建设工作后，对于很多设备都可以通过远程方式进行控制，从而将人员放置在更加安全的控制室中对设备进行操作，可有效隔绝操作人员与工作面大量粉尘的接触，为人员健康奠定了良好的基础。另外，掘进工作面是比较危险的区域，实现无人化掘进可以有效保障工作人员的生命安全，为煤矿企业创造的安全效益是不可估量的。
3.2 社会效益
掘进工作面智能化建设是社会发展的必然趋势，是顺应煤矿行业发展的必然要求，也是“以人民为中心”的重要体现形式。兰花宝欣煤业通过智能化建设使煤矿工人的劳动强度得到明显改善，也为整个煤矿行业的智能化发展作出了贡献。
3.3 经济效益
通过掘进工作面智能化建设使得掘进效率得到明显提升，由前期的160 m/月提升到了现在的200 m/月，显著缩短了工作面掘进周期，为煤矿开采效率的提升创造了很好的基础。同时，劳动工效也得到明显加强。未建设掘进智能化工作面前，劳动工效平均为2.5 m/（人·月），而目前劳动工效提升到了约4 m/（人·月）。意味着在工人数量相同的情况下，完成的工作量更多，可以为煤矿企业节省大量的劳动力成本。
本文主要以兰花宝欣煤业为研究对象，对其掘进机工作面的智能化建设情况进行了简要介绍。目前智能化控制系统共包含三大方面的内容，分别为围岩探测系统、生产控制系统以及视频监控系统。在开展智能化建设时需要在做好现场调研的基础上，结合理论分析、数值模拟和实验研究等方法开展工作。重点对集控中心系统和EBZ200S掘进机智能化技术进行了研究。通过在掘进工作面开展智能化建设工作，给兰花宝欣煤业带来了很好的安全效益、社会效益以及经济效益。不仅极大提升了矿井的安全性，同时使掘进效率显著提升。
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