智能化開采與安全管理體系構(gòu)建策略

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0引言

我國資源現(xiàn)狀長期以來是缺氣少油多煤，所以依據(jù)資源比例，煤炭行業(yè)一直處于能源結(jié)構(gòu)中的主體地位。煤炭在一次能源消費(fèi)中占比重較大，隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，煤炭資源的需求及消耗也隨之增大。面對“碳達(dá)峰”“碳中和”目標(biāo)，煤炭行業(yè)的開采形式和建設(shè)模式也要有所轉(zhuǎn)變，應(yīng)隨著科技進(jìn)步和生產(chǎn)力發(fā)展，煤炭行業(yè)逐步朝著智能化建設(shè)的方向闊步前進(jìn)，在煤礦設(shè)備、井下采煤工藝、方式方法、技術(shù)管理、管控模式等多方面進(jìn)行智能化的改造建設(shè)，逐漸由煤礦傳統(tǒng)的機(jī)械化開采過渡到全自動(dòng)化、大數(shù)據(jù)控制化的智能化開采建設(shè)中，同時(shí)與之配套建立相應(yīng)的安全管理體系也應(yīng)運(yùn)而生[1]。

1煤礦智能化概述

井下智能化開采是煤礦進(jìn)行智能化建設(shè)的新發(fā)展格局，是提升煤礦整體效益和安全水平的新路徑新辦法、新方式。煤礦井下智能化開采建設(shè)的實(shí)現(xiàn)，是安全生產(chǎn)的根本要求，也是煤礦最大限度保障職工生命安全的基本戰(zhàn)略目標(biāo)與要求。當(dāng)前，煤礦井下智能化建設(shè)以西北部為首，逐步向中東部延伸，基本實(shí)現(xiàn)了初級階段的煤礦井下智能化的建設(shè)任務(wù)目標(biāo)。其中，煤礦井下采煤區(qū)域、大型的井下運(yùn)輸巷道以及部分供電設(shè)備均不同程度地實(shí)現(xiàn)智能化的投入與改造。但是，通風(fēng)、災(zāi)害管理智能化建設(shè)相對滯后些，國內(nèi)煤礦智能化建設(shè)是以井下條件相對而言復(fù)雜性較小且煤礦安全生產(chǎn)效益較高的西北地區(qū)煤礦為首，大力進(jìn)行井下智能化開采的建設(shè)。

2煤礦智能化開采技術(shù)發(fā)展歷程

傳統(tǒng)煤礦開采以人工操作方式為主，其管理也屬于粗放式管理。經(jīng)過很長一段時(shí)間的努力和探索，基于我國能源分布的實(shí)際現(xiàn)狀，國內(nèi)煤礦井下開采逐步邁向人工與自動(dòng)化相結(jié)合、半自動(dòng)化到全部自動(dòng)化的大跨越大發(fā)展。近幾年來，隨著科技的進(jìn)步和社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國煤礦的智能化水平逐漸提升，煤礦的管理方式也有了較大的改觀和提升，從粗放式管理到體系化的建設(shè)，再到逐步分級管理控理念的深入和體制引入，煤礦井下智能化開采逐步實(shí)現(xiàn)，同時(shí)與之配套的煤礦安全管理也逐步提升，從簡單粗放到制度專業(yè)，再到精細(xì)化，集約化，管理模式由初級逐漸向中高級管控邁進(jìn)[2]。

3煤礦井下智能化開采技術(shù)表征及技術(shù)分析

隨著智能化技術(shù)的不斷突破，煤礦井下設(shè)備設(shè)施也實(shí)現(xiàn)更新?lián)Q代。自動(dòng)化程度較高的設(shè)備以及井下機(jī)器人探測設(shè)備不斷在煤礦井下應(yīng)用推廣，煤礦井下少人開采的力度大幅提升，四化建設(shè)和減人增效隨著煤礦智能化建設(shè)的步伐不斷提高，煤礦智能化也隨之進(jìn)入中高級階段。

3.1精準(zhǔn)定位系統(tǒng)技術(shù)隨著5G無線通信網(wǎng)絡(luò)的不斷完善，UWB精確定位技術(shù)也在不斷演進(jìn)。5G無線通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)進(jìn)度和UWB精確定位在煤礦和非煤領(lǐng)域得到應(yīng)用，5G+UWB精確定位為礦業(yè)井下作業(yè)帶來了新的改變，井下人員精確定位系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)的RFID，藍(lán)牙、WIFI等定位技術(shù)，最大的特點(diǎn)就是可以在室內(nèi)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)亞米級10~30cm高精度的實(shí)時(shí)定位，可以對全礦井進(jìn)行覆蓋，同時(shí)對煤礦井下的所有人員進(jìn)行實(shí)時(shí)的精準(zhǔn)定位，人員所在位置的精確在線跟蹤，為礦山生產(chǎn)管理提供科學(xué)的數(shù)據(jù)支持[3]。煤礦井下精準(zhǔn)定位系統(tǒng)如圖1所示。

3.2井下環(huán)境檢測技術(shù)煤礦井下智能化開采技術(shù)包括對井下環(huán)境的監(jiān)測技術(shù)。由于井下環(huán)境對井下設(shè)備的正常運(yùn)行及開采均具有一定的影響作用，甚至于對井下作業(yè)人員的生命健康都存在一定程度的影響因素，因此井下環(huán)境監(jiān)測技術(shù)應(yīng)作為井下智能化開采的一部分進(jìn)行研究應(yīng)用。對煤礦井下的環(huán)境監(jiān)測技術(shù)，一般采用在井下工作面及各個(gè)硐室安裝傳感器及視頻監(jiān)控設(shè)備等方式，對井下現(xiàn)場的地質(zhì)參數(shù)、空氣的干濕度及瓦斯含量參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控檢測；再通過UWB技術(shù)把井下檢測到的數(shù)據(jù)參數(shù)及視頻圖像通過服務(wù)器和相關(guān)設(shè)備實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)傳回地面的控制中心，一般由地面調(diào)度中心進(jìn)行管理和對數(shù)據(jù)參數(shù)的分析；同時(shí)，對井下開采環(huán)境可能存在的隱患和危險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)估和判斷，及時(shí)有效地通知井下現(xiàn)場作業(yè)人員或啟動(dòng)井下智能應(yīng)急設(shè)備，緊急采取有效的安全管理措施，提高煤礦井下開采的有效性、安全性和智能化水平。在煤礦井下環(huán)境檢測過程中，應(yīng)注重煤礦井下環(huán)境檢測技術(shù)不同功能之間的相互聯(lián)系和相互承接，保證煤礦井下開采現(xiàn)場不同環(huán)境的監(jiān)測結(jié)果能夠交叉使用互相配合[4]。

3.3視頻監(jiān)控技術(shù)視頻監(jiān)控系統(tǒng)在煤礦生產(chǎn)中起到了十分重要的作用。在煤礦智能化開采過程中，通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)對采煤工作面、掘進(jìn)頭、抽采鉆場等特殊作業(yè)人員全過程實(shí)時(shí)監(jiān)視，規(guī)范職工的施工行為，督促規(guī)范作業(yè)。利用有云臺控制功能的攝像儀移動(dòng)偵測、動(dòng)態(tài)分析、區(qū)域入侵偵測等功能，實(shí)現(xiàn)對無人值守硐室的監(jiān)控定位和識別跟蹤服務(wù)，同時(shí)運(yùn)用智能化系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)精準(zhǔn)測算分析和判斷出井下所有人和物的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)和軌跡，精準(zhǔn)預(yù)知預(yù)控不安全因素和行為的發(fā)生。例如：以煤礦井下攝像儀的實(shí)時(shí)視頻圖像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用高清攝像儀，通過服務(wù)器和軟件,可識別計(jì)算出皮帶上的煤量，對皮帶的運(yùn)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，根據(jù)煤量大小、設(shè)備開停等制定智能調(diào)速策略，通過智能化裝備進(jìn)行指令的觸發(fā)，通過控制主機(jī)的運(yùn)行達(dá)到井下開采設(shè)備的自動(dòng)啟停、運(yùn)行速度調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的自我保護(hù)控制，節(jié)約能耗的同時(shí)，對設(shè)備長時(shí)間運(yùn)行損耗也有一定的控制優(yōu)化給作用。例如：對于皮帶的視頻監(jiān)測可通過系統(tǒng)對皮帶的工作時(shí)長、皮帶運(yùn)載煤塊矸石的具體情況、錨桿支護(hù)的作用情況以及井下水煤等的精準(zhǔn)監(jiān)測識別，通過抓拍照片、自動(dòng)錄像、彈屏報(bào)警，輸出報(bào)警信號，避免和減少因異物造成的設(shè)備損壞、堆煤等事故，實(shí)現(xiàn)智能安全管理。

4煤礦井下智能化安全保障體系構(gòu)思

國內(nèi)資源現(xiàn)狀決定了煤炭在國內(nèi)，仍會保持很長一段時(shí)間的主要能源地位。因此，采用井下智能化的開采技術(shù)手段，避免和減少因煤炭井下開采帶來的安全事故和負(fù)面影響，是確保我國能源安全和國民經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展的基本保障。根據(jù)中高級智能化技術(shù)下的煤礦智能開采技術(shù)，提出煤炭開采“1+1”安全管控新模式，具體流程圖如圖2所示，現(xiàn)場效果示意圖如圖3所示。當(dāng)以中高階段的井下智能化開采為基礎(chǔ)的“1+1”管控模式推廣深入后，加之科技的不斷發(fā)展進(jìn)步，更為高級的煤礦井下開采管理會隨之出現(xiàn)，井下安全管理控體系也會隨之朝著更加集約化的方向推進(jìn)。本方案提出的“1+1”智能開采模式基于井下智能化開采模式，以整個(gè)礦區(qū)為采煤管控的主體，打造并建立以井下開采為核心的安全系統(tǒng)管理控制。在實(shí)現(xiàn)技術(shù)層面，以透明地質(zhì)保障技術(shù)為基礎(chǔ)，以煤礦大數(shù)據(jù)共享平臺為載體，以煤礦重大風(fēng)險(xiǎn)評估預(yù)警技術(shù)為核心的關(guān)鍵技術(shù)體系，達(dá)到安全管控要素的“數(shù)據(jù)集約化”“要素可視化”“風(fēng)險(xiǎn)評估智能化”“大數(shù)據(jù)平臺化”，再基于“1+1”安全管控體系開發(fā)出面向煤礦智能化安全保障的煤礦智慧安全管控平臺系統(tǒng)，最終可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)可持式終端展示功能，煤礦智能化安全保障體系可為煤礦井下智能化開采保駕護(hù)航。如圖4所示為煤礦智能化安全保障體系。依托煤礦井下開采智能化的建設(shè)和相關(guān)人才的培養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)智能化條件下井下隱患和不安全因素的自動(dòng)監(jiān)測、查找和排除，再經(jīng)過與井下智能化設(shè)備的自動(dòng)化智能化聯(lián)動(dòng)，確保煤礦的正常生產(chǎn)、重大災(zāi)害預(yù)警和管理流程科學(xué)化，其核心在于準(zhǔn)確的地質(zhì)調(diào)查感知、全面的數(shù)據(jù)平臺、實(shí)時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)評估和智能的災(zāi)害處置。從煤礦智能安全保障系統(tǒng)技術(shù)框架中可以看出，煤礦風(fēng)險(xiǎn)的智能化評估與預(yù)警是這一體系的核心[5]。圍繞煤礦井下的安全管理現(xiàn)狀與要求，從煤礦全維度信息感知，再到設(shè)備系統(tǒng)的自動(dòng)聯(lián)動(dòng)，形成數(shù)字化、一站式、全方位、智能化的煤礦井下安全風(fēng)險(xiǎn)的識別、預(yù)警和閉環(huán)處理。但需要提及的是，煤礦智能化安全管控體系的建設(shè)在井下復(fù)雜地質(zhì)的預(yù)知預(yù)測上需進(jìn)一步加強(qiáng)、完善并提升智能化技術(shù)，同時(shí)輔以煤礦井下開采智能化的大數(shù)據(jù)共享平臺，真正實(shí)現(xiàn)煤礦井下智能化開采的安全管理和創(chuàng)新模式，提升煤礦重大風(fēng)險(xiǎn)評估預(yù)警。

5結(jié)語

煤礦井下智能化開采是目前我國煤炭開采的必然趨勢和必要手段，隨著智能化建設(shè)力度的不斷加深，煤礦開采工作運(yùn)用合理的智能化開采的同時(shí)，必然要配套修改完善構(gòu)建相關(guān)安全管理體系，使智能化開采工作在安全管理體系的保障下，有效地實(shí)現(xiàn)煤礦井下智能化開采，安全高效地實(shí)施煤礦井下智能化開采的升級改造，以推動(dòng)煤礦高質(zhì)量發(fā)展及國內(nèi)煤炭產(chǎn)業(yè)智能化開采發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]王坦果.煤礦井下采煤機(jī)智能綜采控制系統(tǒng)的討論[J].能源與節(jié)能,2022(4):11-12.

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[3]王國法,任懷偉,趙國瑞,等.煤礦智能化十大“痛點(diǎn)”解析及對策[J].工礦自動(dòng)化,2021(6):67-68.

[4]王國亮.煤礦自動(dòng)化智能化開采體系研究[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量,2021(9):111-113.[5]曹哲哲.綜采工作面智能化開采技術(shù)研究[J].陜西煤炭,2021(2):53-55.

作者:牛廣印 苗超 單位:山東信力工礦安全檢測有限公司