门克庆煤矿3107综采工作面智能化建设研究

门克庆煤矿3107综采工作面智能化建设研究

杨伟民

中天合创煤炭分公司门克庆煤矿  内蒙古鄂尔多斯  017212

摘  要：本研究探讨了门克庆煤矿3107综采工作面的智能化建设。研究内容包括地面可视化服务系统、互联网和内联网连接、井下系统、设备和传感器、数据和控制系统等部分。关键技术分析涵盖了煤机记忆割煤、视频监控、跟机联动和数字孪生系统。智能化建设实现了实时监控、远程控制和自动化操作，显著提升了采矿作业的安全性、效率和生产力，并为冲击倾向性矿井的安全、高效开采提供了新思路。

关键词：综采工作面；智能化建设；煤机记忆割煤；数字孪生

1工程概况

1.1概况

门克庆煤矿位于内蒙古自治区鄂尔多斯市呼吉尔特矿区的中部a。3107综采工作面布置在11盘区3-1煤层中，北侧为3107带式输送机巷，南侧为3104采空区，西侧为南翼泄水巷，东侧为3107工作面回撤通道。开采煤层为3-1煤层，煤层平均埋深720m，平均厚度4.8m，煤层倾角0°~4°。巷道直接顶为粉砂岩，直接底为泥质砂岩。根据集团公司安排，对门克庆煤矿3107综采工作面实施智能化建设。

2综采工作面智能化建设

3107综采工作面智能化建设系统结构示意图如图1所示，主要包括地面可视化服务系统、互联网和内联网连接、井下系统、设备和传感器、数据和控制系统等部分。

图13107综采工作面实施智能化建设系统结构图

地面可视化服务系统，整合各种数据源，提供地下作业的综合可视化。互联网和内联网连接：1）互联网：提供外部连接，用于远程监控和控制；矿方环网：连接各种地下设备和系统的内部网络，实现无缝通信。

井下系统：1）网络监控计算机：监控网络状态，确保通信稳定；2）遥控系统监控计算机：监督设备和流程的遥控系统；3）通信网关：不同通信协议和系统之间的桥梁；4）工业以太网交换机：促进综采工作面内设备之间的通信；5）Modbus设备：包括传感器、控制器和执行器在内的各种使用Modbus协议进行通信的设备。

设备和传感器:1）视频监控：用于综采工作面的实时视觉监控；2）传感器：包括位移传感器、扭矩传感器和旋转传感器，用于监控设备和环境的各种参数；3）液压支架控制系统：管理液压支架，是维护采矿作业安全和效率的关键；4）智能采煤机：配备传感器和控制系统，实现自主作业；5）输送系统：包括根据实时数据调整速度和负载的智能输送机。

数据和控制系统：1）地面调度控制：地面集中控制系统，用于管理地下作业。2）视频监控与远程控制系统：允许操作员远程监控和控制采矿设备。3）环境监控系统：监控地下环境，包括空气质量、温度和湿度。

泵站控制系统：管理供水和排水系统，确保采矿作业的最佳条件。供电系统：确保所有地下设备的电力供应稳定可靠。

3107综采工作面的智能化建设整合了实时监控、远程控制和自动化设备等先进技术。此设置旨在通过利用强大的通信网络、各种传感器、智能机械和集中控制系统，提高采矿作业的安全性、效率和生产力。该系统确保了采矿过程的各个方面都能有效地监控和控制，有助于实现智能采矿的整体目标。

3综采工作面的智能化建设关键技术分析

3107综采智能化工作面建设的关键技术主要包括“煤机记忆割煤”“支架自动跟机拉架”“视频监控系统”“数字孪生系统”。

3.1记忆割煤

智能感知、智能决策和自动控制作为煤炭智能化开采的三要素，智能开采具有自主学习和自主决策功能，具备自感知、自控制、自修正的能力，具备这样能力的智能化综采系统才能充分的响应生产环境变化，实现真正的智能化开采。

记忆割煤技术是通过采煤机记忆轨迹曲线进行切割，在采煤机轨迹运行曲线的形成过程中需要记录采高、摇臂倾角及机身位置的具体数据，并实现对数据的不断更新。采煤机根据工作面煤层条件由采煤机司机先割一个完整刀，割煤时电控系统将采高、摇臂倾角及机身位置等参数录入并存储到控制器中，采煤机司机通过对煤层起伏变化进行现场调整，之后生产过程中将由电控系统记录的数据自动调整，实现采煤机自动割煤。

采煤机的记忆割煤是自动开采的一个关键要素，记忆割煤系统能够提升采煤机的自动化水平，增强其操作性能，减少工作面作业人员减轻司机劳动强度以及提高生产效率。

3.2视频监控

随着煤矿综合自动化水平的提高，视频监控系统是综合自动化系统建设中的一部分具有举足轻重的作用，随着应用水平的提高，将视频监控系统服务范围逐渐延伸到采掘工作面，实现对施工人员的安全行为作业环境和生产情况的实时监控。

3107综采工作面每4台支架安装一个摄像仪，实现对工作面动态的实时监测。图像分辨率不低于 1920×1080 高清彩色成像，即配置 1080P 摄像头。视频系统应具有“自动跟机”功能，可实现摄像机跟随采煤机的位置变化而输出最佳采集图像。视频传输网络与工业控制网络分开布置（主要传输电液控、采煤机、刮板机检测信号），满足门克庆煤矿视频环网和工业环网独立布置的要求。地面视频系统留有投屏接口，可将所有视频画面施投到调度室大屏，实现实时监控。

经济效益：实现远程监控，实时观察工作面动态，360°旋转更是实现无死角监控。地面录像服务器对整个工作面所有视频画面进行实时存储，且录像存储时间不小于1个月。

3.3跟机联动

门克庆煤矿要求综采生产更为高效与高质，这就对煤矿生产设备提出了更高程度的要求，其技术水平不断提高，对其的控制也日趋复杂，过去以人为主的操控方式已经逐渐满足不了需求。自动跟机则很好地解决了这一问题，可以同时实现拉架和推溜的自动化，使生产设备能够在较为理想的状态下生产。

人员在自动跟机程序启动后，通过煤机位置感应确定在滞后煤机5架处开始自动拉架，滞后15架处开始执行自动推溜动作，截至目前各项技术性能均达到设计要求，降低了工人的劳动强度，提高工作效率。

综采设备进行自动化控制，确保各设备协调、连续、高效、安全运行。将工人从工作面解放出来，实现工作面少人化，大大提升安全系数。

3.4数字孪生

随着煤矿行业的利好发展以及矿井生产及安全整体现代化的提高，煤矿开采装备化、智能化开采已经成为发展主流。每个煤矿开采情况和工艺也不尽相同，其对应的3D可视化集控系统也没有统一标准。行业目前的解决方案基本停留在2D或2.5D的集控系统水平，与日益严峻的工作面生产单元可视化和安全状况快速直观的反馈相比还差距很大，通过煤矿工作面综采成套设备电液控制系统的广泛推广和应用，以采集工作面集控系统真实数据为核心的并基于3D虚拟现实技术的工作面开采成套设备井上3D可视化系统将会成为工作面传统集控系统的补充和替代方案。

该系统主要用来实现无人综采工作面成套设备实时空间姿态展示监测和调试测试，采用实时生产数据进行数字驱动，实现井下大采高工作面成套设备的实时三维模型展示监测，真实反映工作面成套设备的运行状况与实时动作，实现无人工作面对设备的空间状态参考。系统软件发布的工作面三维模型环境，通过从集控中心计算机获得生产关键数据，能够实现对开采工艺参数、设备关键参数、设备故障的展示，并对故障数据进行提示展示。

系统软件发布的工作面三维模型环境，结合工作面集中控制系统操作人员操控习惯、成套设备动作展示需求、重点区域和工艺监测需求、采煤机司机视角等开发人机交互界面。人际交互界面应采用模块化、多场景展示模式，具有全景展示、局部展示、漫游展示、工况数据弹窗展示等不同方式，实现工作面设备空间姿态和动作的实时展示。减少了人工监视的盲区，提高了工作效率，做到了增产增效。

4结论

门克庆3107综采工作面完成智能化工作面建设后，高效稳定运行至今。工作面现建设成“煤机记忆割煤”“支架自动跟机拉架”“视频监控系统”“数字孪生系统”等项目。智能化工作面建设完成，部分工种从有人操控到无人操控；从危险区域转移至安全区域，极大的减少了工作面人员数量、劳动强度和安全性，为解决蒙陕地区煤层具有强冲击倾向性矿井的安全、高效开采问题，提供新的解决思路。同时，生产效率和经济效益大幅度提升，从根本上实现了“减人增安”，向着“无人则安”迈进一大步。致力于打造成为中煤集团智能开采高产高效综采工作面，实现矿山生产现场自动化作业，无人矿山开采。

参考文献

[1]王永国.沙坪煤业13102智能化综采工作面的建设和应用[J].能源技术与管理,2024,49(03):113-117.

[2]关闯,姜宇华,姜仁坤.综采工作面液压支架智能化关键技术及发展[J].煤矿机械,2024,45(07):106-108.

[3]曹建民,张豪.煤矿智能化采煤工作面装备关键技术研究与应用[J].煤矿机械,2024,45(07):160-162.

杨伟民（1985.5——），男，山西省朔州人，2014年7月毕业于天津科技大学 电气工程及其自动化专业，现就职于中天合创煤炭分公司门克庆煤矿综采一队。