為解決高瓦斯綜放工作面在環(huán)境感知、設(shè)備協(xié)同、煤流控制、放煤工藝等方面存在的問(wèn)題,基于5G通信和云邊端協(xié)同技術(shù),研發(fā)了智能化綜放工作面控制系統(tǒng),構(gòu)建了管控一體化平臺(tái),設(shè)計(jì)了智能綜放工藝,開(kāi)發(fā)了智能放煤系統(tǒng),并制定了瓦斯?jié)舛阮A(yù)測(cè)及聯(lián)動(dòng)控制、人員定位與避讓等安全保障措施。該系統(tǒng)在保德煤礦81202 綜放工作面應(yīng)用后,生產(chǎn)人員從13 人減至5 人,工作面自動(dòng)化跟機(jī)率>90%,開(kāi)采效率提高11%,頂煤回收率>85%,資源回收率達(dá)94%,設(shè)備故障率降低7%。
文章來(lái)源:《智能礦山》2025年第9期“學(xué)術(shù)園地”欄目
第一作者:林恩強(qiáng),現(xiàn)任北京天瑪智控科技股份有限公司高級(jí)技術(shù)專家,主要從事煤礦智能化、無(wú)人化開(kāi)采控制技術(shù)的相關(guān)研究工作。E-mail: lineq@tdmarco.com
作者單位:北京天瑪智控科技股份有限公司
引用格式:林恩強(qiáng),崔耀,付振,等.基于 5G 的智能化綜放工作面控制系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用[J].智能礦山,2025,6(9):72-78.
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煤礦易采煤層逐漸枯竭,開(kāi)采深度不斷加大,賦存條件更趨復(fù)雜;面臨資源利用率較低,大量底煤和頂煤無(wú)法高效回收等問(wèn)題,安全風(fēng)險(xiǎn)日益凸顯,瓦斯超限、冒頂片幫等災(zāi)害時(shí)有發(fā)生。傳統(tǒng)的以人力為主導(dǎo)的開(kāi)采模式已難以適應(yīng)新形勢(shì),智能化改造是煤礦開(kāi)采高質(zhì)量發(fā)展的必由之路。
通過(guò)智能化建設(shè),可最大限度挖掘資源潛力,提高開(kāi)采效率和資源回收率,實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜采場(chǎng)條件的精確感知和智能決策,從根本上降低安全風(fēng)險(xiǎn);減少人力投入和現(xiàn)場(chǎng)作業(yè),改善工人勞動(dòng)強(qiáng)度和環(huán)境;實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程信息化、自動(dòng)化和智能化。當(dāng)前綜放工作面智能化建設(shè)面臨一系列復(fù)雜問(wèn)題,主要包括5個(gè)方面。
(1)環(huán)境感知
中厚煤層礦井通常存在高瓦斯風(fēng)險(xiǎn),此為嚴(yán)重的安全隱患。智能化系統(tǒng)需要精準(zhǔn)感知環(huán)境,特別是對(duì)有害氣體濃度,以采取相應(yīng)的措施來(lái)保障高效安全生產(chǎn)。
(2)設(shè)備協(xié)同
設(shè)備間協(xié)同控制水平低,全自動(dòng)化程度不夠。采用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)共享、智能控制算法和設(shè)備協(xié)同等有效協(xié)調(diào)策略,提高生產(chǎn)效率和安全性。
(3)煤流控制
煤流波動(dòng)性大,刮板容易壓死,甚至發(fā)生斷鏈。通過(guò)采用先進(jìn)的刮板控制算法、實(shí)時(shí)反饋和自適應(yīng)控制策略,智能化系統(tǒng)更精確地控制煤流,以避免此類問(wèn)題發(fā)生。
(4)放煤工藝
人工放煤勞動(dòng)強(qiáng)度大,效率低。通過(guò)自動(dòng)化放煤系統(tǒng)、機(jī)器視覺(jué)輔助和智能調(diào)度等智能化技術(shù)措施,改善放煤工藝。
(5)工程質(zhì)量
頂板易冒落,片幫現(xiàn)象頻發(fā),難以保證三平一直。采用智能傳感器以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)模型的智能化系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)更好的頂板控制和支護(hù)。
綜上所述,為推進(jìn)高瓦斯綜放工作面智能化發(fā)展,解決目前高瓦斯綜放工作面智能放煤技術(shù)的不足。在分析綜放開(kāi)采放煤工藝參數(shù)和智能放煤工藝流程的基礎(chǔ)上,研發(fā)了基于5G通信和云邊端協(xié)同技術(shù)的智能放煤控制系統(tǒng),推進(jìn)煤礦綜放工作面智能化建設(shè)。經(jīng)過(guò)近3年的智能化探索和技術(shù)改造,成功在國(guó)能神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司保德煤礦(簡(jiǎn)稱保德煤礦)構(gòu)建了集成自動(dòng)化控制、機(jī)器視覺(jué)、人工智能等先進(jìn)技術(shù)的智能開(kāi)采系統(tǒng),提升了開(kāi)采質(zhì)量和效率,為行業(yè)樹立了新的標(biāo)桿。
基于5G的管控一體化平臺(tái)
高效的信息通信和數(shù)據(jù)集成是實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)的關(guān)鍵基礎(chǔ)。為打破傳統(tǒng)煤礦信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)壁壘,實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)之間的無(wú)縫連接和數(shù)據(jù)共享,深度融合5G通信和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù),構(gòu)建了智能綜放系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示,形成了礦山生產(chǎn)智能化管控的新范式。
圖1 智能綜放系統(tǒng)架構(gòu)
(1)管控一體化平臺(tái)架構(gòu)及功能模塊
采用5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu),融合5G無(wú)線通信和工業(yè)有線網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)了集控中心、分控中心、三崗位一體化等應(yīng)用系統(tǒng)的整體集成,打通了生產(chǎn)數(shù)據(jù)的“最后一公里”,實(shí)現(xiàn)了煤礦生產(chǎn)各環(huán)節(jié)、各層級(jí)的數(shù)據(jù)互聯(lián)與集成,上層通過(guò)分析處理底層采集的視覺(jué)、控制、檢測(cè)等數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)了精細(xì)化管理生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)環(huán)節(jié),提升了生產(chǎn)自動(dòng)化和智能化程度。
管控一體化平臺(tái)涵蓋大數(shù)據(jù)中心、生產(chǎn)指揮調(diào)度、設(shè)備管理、實(shí)時(shí)監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制、應(yīng)急指揮等多個(gè)功能模塊,可對(duì)綜放工作面各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)實(shí)施全流程智能化管理,通過(guò)工藝編排引擎,可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)流程和工藝規(guī)則的可視化配置與集成,支持多種工藝場(chǎng)景下智能分析決策與控制執(zhí)行,智能工作面大數(shù)據(jù)中心平臺(tái)界面如圖2所示。
圖2 智能工作面大數(shù)據(jù)中心平臺(tái)界面
(2)5G網(wǎng)絡(luò)性能及遠(yuǎn)程控制
5G網(wǎng)絡(luò)為生產(chǎn)作業(yè)提供更快速、更可靠、更安全的通信和數(shù)據(jù)支持,提升了生產(chǎn)效率、降低成本,并為煤礦企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化升級(jí)提供網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)。
煤礦5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)包括核心網(wǎng)(5GC)和無(wú)線接入側(cè)(NG-RAN)2個(gè)部分,核心網(wǎng)包括2個(gè)功能單元與無(wú)線接入側(cè)對(duì)接,分別是接入和移動(dòng)性功能單元(AMF),提供控制面的處理功能;以及用戶面的功能單元(UPF),提供用戶面的處理功能。NG-RAN包含gNB和ng-eNB網(wǎng)元,無(wú)線接入側(cè)的網(wǎng)元根據(jù)無(wú)線接入側(cè)組網(wǎng)的方式不同存在差異。5GC與NG-RAN之間的接口為NG接口,gNB之間和gNB與ng-eNB之間為Xn接口,煤礦5G網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。
圖3 煤礦5G網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)架構(gòu)
5G通信滿足多樣化場(chǎng)景和應(yīng)對(duì)極致性能挑戰(zhàn)。采用5G低頻空口技術(shù),引入大規(guī)模天線、新型多址、新波形等先進(jìn)技術(shù),支持更短的幀結(jié)構(gòu),更精簡(jiǎn)的信令流程,更靈活的雙工方式;滿足廣覆蓋、大連接等多場(chǎng)景下的速率、時(shí)延、連接數(shù)以及能效等指標(biāo)要求,實(shí)現(xiàn)了工作面及其他生產(chǎn)區(qū)域的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)全覆蓋,確保了各控制節(jié)點(diǎn)和終端可靠互聯(lián),保障了工作面數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和安全性。5G網(wǎng)絡(luò)平均時(shí)延為50 ms,在智能綜放工作面滿足對(duì)采煤機(jī)、支架等設(shè)備的高時(shí)效遠(yuǎn)程控制,最大控制時(shí)延<100 ms,滿足智能化實(shí)時(shí)控制的需求。
(3)視頻智能識(shí)別與人工智能應(yīng)用
5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋和管控一體化平臺(tái)的構(gòu)建,為人工智能技術(shù)的使用奠定了基礎(chǔ)。在工作面綜合布設(shè)具有遠(yuǎn)程控制功能的云臺(tái)攝像機(jī)、智能攝像機(jī)等視覺(jué)采集終端,并將感知信息接入管控平臺(tái)的智能視頻識(shí)別子系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)滾筒狀態(tài)識(shí)別、束筒跟蹤、煤流量檢測(cè)、大塊煤識(shí)別以及工人工號(hào)和位置識(shí)別等多種視覺(jué)識(shí)別功能,準(zhǔn)確率>90%。
智能視頻識(shí)別子系統(tǒng)產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)上傳至人工智能模塊,結(jié)合其他傳感器數(shù)據(jù)、歷史運(yùn)行數(shù)據(jù),通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)算法建模分析,實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)各類設(shè)備狀態(tài)、人員作業(yè)行為、環(huán)境條件等實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)診斷,為高層智能決策提供有力支撐,智能視頻識(shí)別系統(tǒng)界面如圖4所示。
圖4 智能視頻識(shí)別系統(tǒng)界面
智能綜放工藝設(shè)計(jì)
中厚煤層礦井的智能綜放工藝是開(kāi)采的核心工藝環(huán)節(jié)?;?G的管控一體化平臺(tái)設(shè)計(jì)智能綜放工藝可實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)及支架等設(shè)備的高度協(xié)同,提升了自動(dòng)化和智能化水平。
(1)智能工藝驅(qū)動(dòng)引擎平臺(tái)
智能工藝驅(qū)動(dòng)引擎平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)智能綜放工藝的關(guān)鍵基礎(chǔ)。智能工藝驅(qū)動(dòng)引擎平臺(tái)融合了工藝規(guī)劃、調(diào)度執(zhí)行、實(shí)時(shí)監(jiān)控等多項(xiàng)功能,可對(duì)生產(chǎn)全過(guò)程實(shí)施跨層次、多維度的智能管控。平臺(tái)可靈活配置工藝規(guī)則、參數(shù)、流程等,實(shí)現(xiàn)工藝的可視化編排和自動(dòng)化執(zhí)行,智能工藝驅(qū)動(dòng)引擎平臺(tái)界面如圖5所示。
圖5 智能工藝驅(qū)動(dòng)引擎平臺(tái)界面
(2)基于機(jī)架群協(xié)同的智能綜放
智能綜放工藝通過(guò)構(gòu)建機(jī)架群控制系統(tǒng),使采煤機(jī)推進(jìn)、支架推移、放煤作業(yè)實(shí)現(xiàn)高度協(xié)同。支架根據(jù)煤機(jī)位移自動(dòng)跟移,放煤動(dòng)作也與支架動(dòng)作精確銜接,支架自動(dòng)跟機(jī)率>90%,減少了人工干預(yù),支架自動(dòng)跟機(jī)率界面如圖6所示。
圖6 支架自動(dòng)跟機(jī)率界面
(3)智能調(diào)速及負(fù)荷控制
智能調(diào)速及負(fù)荷控制技術(shù)通過(guò)融合煤流量、刮板輸送機(jī)狀態(tài)、主運(yùn)輸系統(tǒng)狀態(tài)等多源信息,構(gòu)建了智能調(diào)速模型,實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)整采放運(yùn)各環(huán)節(jié)的設(shè)備速度和負(fù)荷,實(shí)現(xiàn)工作面采放運(yùn)高效平衡,智能調(diào)速及負(fù)荷控制系統(tǒng)界面如圖7所示。
圖7 智能調(diào)速及負(fù)荷控制系統(tǒng)界面
(4)LASC慣導(dǎo)定位系統(tǒng)
LASC慣導(dǎo)系統(tǒng)基于慣性導(dǎo)航和位置優(yōu)化技術(shù),精確測(cè)量工作面三維直線度、采煤機(jī)位置和朝向,定位精度為10 cm,準(zhǔn)確獲取采煤機(jī)的位置及朝向等運(yùn)動(dòng)姿態(tài)信息,實(shí)現(xiàn)了設(shè)備精準(zhǔn)協(xié)同作業(yè)。保證了“三平一直”,為精準(zhǔn)控制奠定了基礎(chǔ)。
智能放煤系統(tǒng)
通過(guò)5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu),實(shí)時(shí)傳輸大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、視頻流等信息,連接更多的傳感器、監(jiān)控設(shè)備等終端,滿足毫秒級(jí)響應(yīng),具備高可靠性和安全性。中厚煤層礦井可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)高效的放煤控制,提高資源回收率和生產(chǎn)效率。智能放煤系統(tǒng),通過(guò)自動(dòng)化和智能化技術(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)放煤過(guò)程的精準(zhǔn)控制,提高資源回收水平,降低人員勞動(dòng)強(qiáng)度,確保生產(chǎn)安全。
針對(duì)放煤作業(yè)復(fù)雜程度的差異,采用了分層控制的應(yīng)對(duì)策略,即自動(dòng)放煤、記憶放煤和智能放煤3個(gè)層次,實(shí)現(xiàn)了放煤自動(dòng)化和智能化的漸進(jìn)推進(jìn),智能放煤架構(gòu)如圖8所示。
圖8 智能放煤架構(gòu)
(1)自動(dòng)放煤是對(duì)人工經(jīng)驗(yàn)的直接模擬和固化,通過(guò)分析大量歷史作業(yè)數(shù)據(jù),總結(jié)歸納各類典型的放煤操作模式,設(shè)置自動(dòng)放煤參數(shù)庫(kù),標(biāo)準(zhǔn)化定義不同條件下的插板、尾梁動(dòng)作序列、動(dòng)作時(shí)間、行程等系列參數(shù),控制系統(tǒng)可根據(jù)設(shè)定的參數(shù)自動(dòng)執(zhí)行各類型放煤工序,完全替代人工操作。
(2)記憶放煤是在自動(dòng)放煤基礎(chǔ)上的進(jìn)一步升級(jí),通過(guò)深度分析挖掘大量歷史操作數(shù)據(jù),提取放煤操作的本質(zhì)規(guī)律,形成參數(shù)化的放煤工藝規(guī)則庫(kù)。與之前單一設(shè)置參數(shù)不同,記憶放煤根據(jù)具體放煤場(chǎng)景(如頂?shù)装鍫顩r、支架參數(shù)等),依據(jù)工藝規(guī)則自動(dòng)生成插板、尾梁等系列動(dòng)作序列,更接近人工智能決策。
(3)對(duì)于工作面復(fù)雜多變的瞬時(shí)條件,采用固化的記憶工藝規(guī)則仍存在一定偏差,難以做到絕對(duì)精準(zhǔn)。智能放煤技術(shù)在記憶放煤的基礎(chǔ)上,在管控一體化平臺(tái)中,將煤矸聲振、視覺(jué)煤流、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、矸率、放矸量等感知信息作為特征數(shù)據(jù),結(jié)合強(qiáng)化學(xué)習(xí)等智能算法,專家干預(yù)放煤參數(shù),實(shí)時(shí)評(píng)估放煤效果,適時(shí)調(diào)整放煤窗口、結(jié)束放煤時(shí)機(jī)等參數(shù),并反饋至記憶工藝庫(kù)持續(xù)完善。
智能放煤系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了放煤操作的自動(dòng)化和智能化,放煤自動(dòng)化率>85%,控制響應(yīng)及時(shí)性<100 ms,煤矸識(shí)別率>85%,放煤工人由原來(lái)的2人專職減至1人兼職,降低了人力投入,提升了放煤質(zhì)量和效率。
安全保障措施
針對(duì)高瓦斯礦井,安全生產(chǎn)置于首要地位。為滿足現(xiàn)場(chǎng)對(duì)于安全生產(chǎn)的快速響應(yīng)控制和數(shù)據(jù)預(yù)處理需求,管控一體化平臺(tái)的云邊協(xié)同架構(gòu),通過(guò)將云端高性能分析管理能力與邊緣計(jì)算技術(shù)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理和響應(yīng),保障了數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和安全性。
(1)瓦斯?jié)舛阮A(yù)測(cè)及聯(lián)動(dòng)控制
5G的智能化綜放工作面控制系統(tǒng)集成了通風(fēng)監(jiān)測(cè)、風(fēng)流場(chǎng)數(shù)值模擬等模塊,構(gòu)建了智能瓦斯?jié)舛阮A(yù)測(cè)模型。根據(jù)井下開(kāi)采工況、風(fēng)量等參數(shù),精準(zhǔn)預(yù)測(cè)未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)瓦斯?jié)舛鹊淖兓厔?shì)。若預(yù)測(cè)到瓦斯超限風(fēng)險(xiǎn),系統(tǒng)自動(dòng)聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)通風(fēng)參數(shù)、限制作業(yè)節(jié)奏,有效預(yù)防瓦斯事故。
(2)人員定位與避讓
在工作面每20架支架處安裝1臺(tái)基站,借助UWB無(wú)線定位技術(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)人員和關(guān)鍵設(shè)備的30 cm高精度定位。定位信息與控制系統(tǒng)對(duì)接,當(dāng)人員進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域時(shí),自動(dòng)對(duì)采煤機(jī)和支架下達(dá)避讓指令,切實(shí)保障人身安全。視頻監(jiān)控系統(tǒng)、應(yīng)急管理系統(tǒng)等也為安全生產(chǎn)提供了有力保障。通過(guò)一系列智能化安全措施,徹底扭轉(zhuǎn)了高瓦斯礦井高風(fēng)險(xiǎn)、難治理的局面。
應(yīng)用效果
基于5G的智能化綜放工作面控制系統(tǒng)在保德煤礦全面實(shí)施應(yīng)用。智能放煤、智能綜放工藝設(shè)計(jì)等相關(guān)系統(tǒng)部署在81202綜放工作面,測(cè)試并持續(xù)運(yùn)行至該工作面開(kāi)采結(jié)束,生產(chǎn)人員從原先的13人減至5人。工作面自動(dòng)化跟機(jī)率>90%,開(kāi)采效率提高11%,產(chǎn)能提高至800萬(wàn)t/a。頂煤回收率>85%,資源回收率為94%,減少矸石排放11.75萬(wàn)t/a,設(shè)備故障率降低7%,完好率>90%。
保德煤礦智能化改造實(shí)現(xiàn)了向精益化、綠色化、智能化的全面轉(zhuǎn)型,作業(yè)人員大幅減少,作業(yè)環(huán)境和工作強(qiáng)度得到顯著改善;資源集約利用,環(huán)境影響有效降低;通過(guò)國(guó)家首批智能化礦井評(píng)審,智能化改造使得經(jīng)濟(jì)效益顯著提升。
結(jié) 語(yǔ)
5G的智能化綜放工作面控制系統(tǒng)集成了人工智能、自動(dòng)控制、視覺(jué)識(shí)別等先進(jìn)技術(shù),構(gòu)建了一體化的智能開(kāi)采解決方案,有效提升了開(kāi)采的質(zhì)量、效率、安全性和綠色性,實(shí)現(xiàn)了資源節(jié)約和經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益的雙贏。后續(xù)將進(jìn)一步深化對(duì)全礦山透徹感知、精準(zhǔn)決策和自動(dòng)執(zhí)行能力,推動(dòng)實(shí)現(xiàn)無(wú)人化生產(chǎn)、智能化管理的目標(biāo)。
編輯丨李莎
審核丨趙瑞
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《智能礦山》(月刊,CN 10-1709/TN,ISSN 2096-9139)是由中國(guó)煤炭科工集團(tuán)有限公司主管、煤炭科學(xué)研究總院有限公司主辦的聚焦礦山智能化領(lǐng)域產(chǎn)學(xué)研用新進(jìn)展的綜合性技術(shù)刊物。
主編:王國(guó)法院士
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期刊成果:創(chuàng)刊5年來(lái),策劃出版了“中國(guó)煤科煤礦智能化成果”“陜煤集團(tuán)智能化建設(shè)成果”“聚焦煤炭工業(yè)‘十四五’高質(zhì)量發(fā)展”等特刊/專題30多期。主辦“煤礦智能化重大進(jìn)展發(fā)布會(huì)”“煤炭清潔高效利用先進(jìn)成果發(fā)布會(huì)”“《智能礦山》理事、特約編輯年會(huì)暨智能化建設(shè)論壇”“智能礦山零距離”“礦山智能化建設(shè)運(yùn)維與技術(shù)創(chuàng)新高新研修班”等活動(dòng)20余次。組建了理事會(huì)、特約編輯團(tuán)隊(duì)、卓越人物等千余人產(chǎn)學(xué)研用高端協(xié)同辦刊團(tuán)隊(duì),打造了“刊-網(wǎng)-號(hào)-群-庫(kù)”全覆蓋的1+N全媒體傳播平臺(tái),全方位發(fā)布礦山智能化領(lǐng)域新技術(shù)、新產(chǎn)品、新經(jīng)驗(yàn)。
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