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煤矿智能化建设:在实践中找准未来方向

中国煤炭网 2019-09-12 11:59:11


坚定智能化绿色开采道路助推企业实现高质量发展

陕西煤业化工集团有限责任公司副总经理 王世斌

陕煤集团现有8个煤炭企业36处煤矿,全部为井工开采,95%以上的资源位于优质煤产区。2018年,陕煤集团生产煤炭1.6亿吨,实现营业收入2806亿元,利润135亿元,列世界500强第281位。

勇于创新 树立智能技术标杆

我国煤矿第一个智能化综采工作面诞生于陕煤集团。2014年,所属黄陵矿业公司建成全国首个智能化开采工作面;2016年5月,我国首个煤矿智能化开采技术创新中心在黄陵矿业公司正式挂牌成立,2018年被确定为首批涉煤安全科技支撑平台。借鉴黄陵经验,彬长公司建成小庄矿40309智能化综放工作面,榆北曹家滩公司122106综采工作面实现了智能化开采……

目前,陕煤集团所属矿井已建成了11个智能化开采工作面,预计到2019年年底,13处生产矿井的15个工作面将全部实现智能化开采,形成薄、中厚、厚煤层的完整智能化开采实践应用示范体系。加快推进快速掘锚成套设备的推广应用,已在关中、彬黄、陕北三个地区开展装备试验,2019年底将在榆林新矿井全面实现。所属矿井智能辅助系统到2019年底,36处矿井792个生产辅助系统及34个地面装车系统将全部实现自动化、智能化远程集中控制。同时,在条件成熟的矿井,积极研发应用煤矿岗位机器人,进一步提升矿井智能化水平。在榆北公司积极筹备试点煤炭行业“5G+智慧矿区”建设示范工作,黄陵矿业将率先建成智慧化管理示范矿区。

突出实效 夯实智能发展基础

一是安全管理基础更加牢固可靠。在黄陵矿业公司,工作面单班作业人数由原来的20人减至9人,每个生产小班将节省11人,每年节约人工总费用700万元/面。榆北公司矿井“一张图”管理系统基于智能物流与“一张图”协同管理等,实现矿井智能巡更、任务工单化与订单式安全生产服务。

二是生产效率和经济效益稳步提高。黄陵矿业公司工效由原来的136吨/工增加至216吨/工,年生产能力由原来450万吨/年提升至600万吨/年。在关中、彬黄、陕北三个地区的快速智能掘进试验装备,月进尺分别达到350米、500米、1800米,单进水平分别提高了25%、31%和220%。桑树坪二号井高含矸煤一体化智能干法选煤技术,每年可节约加工费214.5万元。张家峁矿选煤厂通过智能管理和综合自动化系统,综合售价提高了1.5%,产生效益1175万元。

三是社会影响力逐步扩大,员工幸福感提升。智能化技术的应用,大幅降低了工人劳动强度,矿工实现了遥控采煤,提高了社会地位,达到了快乐工作、幸福生活目的。同时,我们通过智能化建设,促进了生产工艺改进和升级,助推了行业转型升级。另外,智能化建设形成体系,融入企业全过程,促进了技术创新与实践应用的相互转换,提高了企业的核心竞争力。

问题导向 提升智能建设水平

目前,陕煤集团智能化建设存在三个方面的主要问题。

一是思想理念认识还不到位。对智能化方面的理念和技术、经验了解不透彻,一定程度上影响了智能化建设工作的进度。

二是自动控制专业人才短缺。我国煤炭院校相关专业设置不完善,造成人才短缺;煤矿工作环境艰苦、工资待遇低、职业发展受限,技术人才难以储备。

三是智能化水平有待进一步提高。在“可视化远程干预型”智能化开采技术研究、传感技术突破、装备制造水平可靠性、控制系统稳定性等方面还需要不断提高技术水平。

勇立潮头 引领智能示范方向

陕煤集团将围绕“安全、高效、绿色、智能”的“智慧陕煤”发展要求,全力实现“智能矿井、智慧矿区、一流企业”的目标。

一是坚持统筹规划,分类重点实施。在智能开采方面,2020年起,在现有采煤机记忆割煤的基础上,研究实践采煤机自适应、自学习功能,探索应用采煤机器人。2022年底前,36处矿井的50个采煤工作面全部实现智能开采。在智能掘进方面,到2020年,各矿井至少建成1个快速掘进工作面,到2021年,在条件具备的矿井全部实现智能掘进。同时,实验并试制智能掘进成套装备,探索应用掘进机器人,实现掘进、支护无人化。在智能辅助方面,2020年起,探索引入人工智能、无人驾驶等技术,提升生产辅助系统智能化水平。在智慧矿区建设方面,在榆北公司试点开展“5G+智慧矿区”建设示范工作。

二是强化技术创新,突破发展瓶颈。积极开展产学研用深度合作,重点围绕矿井精准地质探测、高效掘进、智能开采、透明化矿井、煤矿机器人等开展重大技术攻关。

三是持续加大投入,升级装备水平。陕煤集团和板块公司每年分别设立1亿元的科技引导资金,进一步促进科技项目的成果转化。

四是争取行业政策,做好引领示范。积极争取国家部委和陕西省的重大科研课题研究、实施和验证项目,形成技术研发、推广应用、成果转化、示范引领的良性循环,打造陕煤集团科技兴企的靓丽名片。

做好顶层设计破解信息孤岛

兖矿集团总工程师 孟祥军

煤矿开采智能化建设是一个不断发展的过程,需要不断探索研究和攻坚克难,各种设备、传感器要与采场条件、人员信息等构建智能感知、分析、学习、决策、管理的“人机环”逻辑控制模型,还需建立工作面多元异构信息大数据共享平台以解决信息孤岛问题

国外从上世纪90年代开始研发煤矿自动化、智能化技术,德国、美国、澳大利亚智能综采工作面技术较为先进,应用防碰撞、基于3D虚拟现实的远程可视化控制、人员接近保护等技术,在地质条件较好的矿区实现高效自动化开采。2017年,美国白橡树煤矿在2米左右采高的工作面实现了最高日产6.7万吨,年产1020万吨的开采纪录。

兖矿集团是国内最早使用综合机械化开采的现代化煤炭企业之一,近年来先后投入40多亿元、19套采煤自动化工作面成套装备。

智能开采水平不断提高

2000年,兖矿集团与煤科总院合作,在国内首次研制并使用了液压支架电液控系统;2000年至2005年,先后推广应用10余套电液控系统,初步实现了单机自动化;2006年至2013年,研发国内首套年产600万吨自动化、信息化综放成套装备,同期与德国DBT公司合作,在澳大利亚澳思达煤矿成功实现自动化综放开采;2014年至2017年,在陕西内蒙古基地率先应用LASC技术,实现了工作面集自动找直、通信、检测、控制于一体的远程顺槽集中控制,在国内开启了智能开采的先河。

2017年至今,兖矿集团重点研发高端装备,提升装备可靠性,研制视频图像自动拼接、远程一键启停和IMOSS惯性导航系统,通力打造鲍店煤矿7302智能开采示范工作面,建成了具有国际最高水准并可常态化运行的智能综放开采工作面,先后建成转龙湾3米至4米煤层千万吨级智能化综采工作面、金鸡滩世界首套8.2米超大采高自动化综采工作面等一批大采高综采(放)工作面。

明确“155、277、388”限员管理目标

针对不同煤层赋存条件与发展现状,兖矿集团突出抓好智能采煤工作面、智能掘进工作面建设和主要生产系统智能化改造,系统构建数据信息资源共享平台和煤矿安全信息化系统,力争实现“155、277、388”限员管理目标(一类矿井单班下井人数不超过100人,综采和综掘工作面不超过5人;二类矿井单班下井人数不超过200人,综采和综掘工作面不超过7人;三类矿井单班下井人数不超过300人,综采和综掘工作面不超过8人),2019年底前建成18个智能采煤工作面、14个智能掘进工作面和2个智能矿山示范点,确保本部冲击地压矿井全部实现智能化开采;2020年建成25个智能采煤工作面、30个智能掘进工作面和11个智能矿山示范点。主要建设思路如下:

一是做好开采智能化顶层设计。设计一个开采准备、工艺规划、实时控制、设备管理、远程监控服务的少人化智能生产系统,形成由液压支架电液控、采煤机、三机、胶带输送机、泵站、集中控制等组成的“兖矿特色智能采煤工作面系统”,实现“人—机—环—管”数据深度融合、自主感知学习、智能分析决策、精准协同控制的常态化运行开采工作面。

二是构建开采智能化建设保障体系。建设煤矿智能开采试验中心,建设煤矿智能机电设备运维管理平台,提高装备可靠性。

兖矿集团将“重装备、高可靠性、自动化、少人化”作为智能矿山建设和智能化改造的主攻方向,紧盯“云、大、物、移、智”等前沿领域,推动现场管理从“坐岗”到“巡岗”转变,设备操作从“有人值守、专人操作”到“无人值守、有人巡视”转变,通过鲍店煤矿7302智能化开采工作面试点工程,推进采煤机记忆截割、自动跟机移架、工作面自动找直、时序控制自动放煤、运输系统智能控制及高清视频监控等智能开采功能常态化运行。

关注四大智能化发展重点

下一步,兖矿集团仍将关注和攻克智能化矿山发展的重点。

一是构建精确数字化三维地质模型,通过钻探数据、扫描数据、图像数据等构建“三维地质模型”,集成多信息融合综采装备绝对定位技术,实现工作面装备位姿检测及多信息驱动三维场景实时展现。

二是自主研发采煤机精准定位系统。研发具有自主知识产权的IMOSS惯性导航技术,具备采煤机空间数据自主感知、三维运行轨迹多元融合处理等技术,减少国内智能化开采核心部件对国外敏感产品的依赖。

三是开发采煤机防碰撞系统。通过红外感知、高清视频图像自动捕捉,结合采煤机位置信息的自动提取,分析计算采煤机滚筒与液压支架顶梁前端的距离,自动调整截割高度,修正记忆模板,解决采煤机防碰撞问题。

四是研制工作面巡检机器人。巡检机器人作为集成平台,搭载三维激光扫描设备、红外成像仪、高清摄像仪等装置,为智能化开采控制提供运载平台,可提供多种巡检工作方式,包括自动跟机巡检、工作面快速巡视、故障点专项巡检,可为工作面“无人操作、无人巡视”的智能化生产模式提供技术支撑。

煤矿开采智能化建设是一个不断发展的过程,需要不断探索研究和攻坚克难,各种设备、传感器要与采场条件、人员信息等构建智能感知、分析、学习、决策、管理的“人机环”逻辑控制模型,还需建立工作面多元异构信息大数据共享平台以解决信息孤岛问题。

赋存复杂条件下要因地制宜

中国平煤神马集团总工程师 张建国

我们在加快推进智能化综采建设的同时,实施基于工业互联网平台的智慧矿山建设,先后进行千兆升万兆工业网改造,在行业内首创整合全矿数据源为一体,实行“一张图”业务和技术的高度双融合,以及井下人员和安全的实时监控和安全预警分析

近几年,煤矿智能化发展驶入快车道,但赋存条件复杂的千米突出矿井涉足较少。河南省煤矿中,高瓦斯、高矿压、高地温的“三高”矿井数量占比超过3/4,产量占比近80%。一些主力矿井采深已超千米或接近千米,仅平煤神马集团超千米矿井就已达5对。

在此背景下,平煤神马集团先行先试,积极探索实施千米突出矿井智能化建设。今年7月3日,平煤神马集团第一个智能化综合采煤工作面在十矿投运。这是河南省首个智能化综采工作面,也是千米深井极复杂条件下的智能化综采工作面。投运后,工作面单产由月产8万吨,提高到试车首月的近11万吨,后突破13万吨,用工由160人减少到59人,工作面每班人员控制在6人至8人。

“井下一张图”助力智能化建设

在3个多月时间内,平煤神马集团在千米突出矿井建成了河南省首个智能化综采工作面,主要得益于以下几点。

一要高度重视,积极为智能化综采工作面建设创造条件。十矿把治好瓦斯作为上马智能化综采的先决条件,全面进行超前治理,先穿层,再顺层,并辅以水力造穴、水力压裂等,使瓦斯含量降到标准以内。

二是狠抓学习,强化培训,着力提高智能化安装速度和操作水平。分期分批组织技术骨干和区队长、班组长,赴淮北矿业、枣矿集团、宁煤集团、郑煤机、上海创立等企业学习。邀请设备生产厂家技术人员来企业,加大培训力度。创造了一天安装12架38吨重型支架的纪录。

三是精心调试,反复磨合,确保“三机”联动达到最佳效果。一般情况下,一个智能化工作面的调试需要2个月左右的时间。我们认真摸索调试,仅用20天就实现了智能化综采工作面井上下“一键启停”。

四是三化融合,统筹推进,为智能化综采工作面建设提供技术支持。我们在加快推进智能化综采工作面建设的同时,实施基于工业互联网平台的智慧矿山建设。先后进行千兆升万兆工业网改造,建立井下无线4G通信,在采区、巷道关键环节地点安装400多个摄像头,建设集控调度指挥大屏和安全生产信息共享平台“一张图”。在行业内首创整合全矿数据源为一体,实行“一张图”业务和技术的高度双融合,以及井下人员和安全的实时监控和安全预警分析。工业互联网平台建成投运,实现了矿井上下各主要要害地点的全程可视化,以及“一张图”的一键查询。同时实现了井下固定岗位的无人值守,井下人员定位和语音广播全覆盖,能够全程自动记录每个入井人员轨迹,一旦有紧急情况发生,可随时通知到每一个人。这为及时准确掌握智能化综采工作面的设备运行状况、技术参数、人员定位等信息提供了有力支持。

千米深井智能化建设四大问题待解

尽管在千米突出矿井成功上马了智能化综采工作面,但是在建设和运行过程中,还有一些问题需要解决。

一是智能感知技术问题亟待解决,智能化控制与现场开采环境的融合方面存在技术问题。由于开采工作环境复杂,24130采面部分地段顶板碎、底板软,设备的智能感知缺乏,适应性较差,在调试过程中出现钻底、死机、漏顶等问题。

二是针对工作面产尘大,现有的喷雾降尘影响探头识别问题还需要进一步研究解决。

三是大埋深超长工作面支护强度研究需要进一步加强,加大工作面长度是深井实现智能化高效开采的有效途径,但深部超长工作面采场应力分布特征及岩层破断规律复杂,特别是覆岩分区破断和矿压动态迁移机理有待深入研究,支架支护强度的计算方法还需要进一步完善。

四是技术工人的业务素质与智能化装备效能息息相关,职工的技术水平还要进一步磨合提高,智能化的效率还要进一步提升。

十矿智能化工作面的成功应用,为集团煤炭板块实现安全高效高质量发展树立了信心。

下一步,我们将在其他矿井逐步实施薄、中、厚煤层智能化工作面建设,全年建成4个智能化综采工作面。同时,我们将按照河南省实施“三大改造”和智能化建设三年规划方案的要求,本着因地制宜实事求是的原则,规划2020年再上马12套智能化综采装备。到2021年,在采的智能化工作面达到24个左右,在所有工作面中占比达到60%以上,加快推进煤炭产业实现“机械化换人、自动化减人、智能化少人”的目标。同时,稳步有序推进骨干矿井的智慧矿山建设,着力提升集团煤炭产业的发展质量和智能化、现代化水平。

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