矿山档案|产能千万吨级陕西隆德煤矿智能连掘系统固定岗位减人50%

隆德煤矿 5G+智能连掘系统建设对连续采煤机、梭车、破碎机、带式输送机等设备控制系统进行升级，实现连续采煤机远程可视化智能控制、高精度定向、多参数感知、一键启动、自适应截割、自主移机、自动掘进、状态监测与故障预判的功能，梭车自主装、运、卸，锚杆钻车、破碎机、输送机集中监控等功能。运用 5G 网络传输技术，使得全套设备具备井巷掘进作业集中控制、视频监控、远程干预功能，以降低人员的劳动强度，改善作业环境，提高工作安全性。实现以连采机为核心装备的掘进工作面的智能化，解决制约巷道掘进无人化、智能化的关键性难题，补齐矿井的无人化和智能化的“短板”，为智能化矿井建设提供基础支撑。

系统主要包括井下 5G 核心网的搭建，进口设备电气控制系统国产化升级改造，连采机、梭车、破碎机之间的顺序联动作业。具体如下：

（一）5G 核心网建设

掘进工作面多设备智能化运行离不开高速、可靠稳定的信息网络，连采机、梭车、锚杆钻车、破碎机、输送机、供电、通风、供排水等多系统均需要通过可靠网络建立数据传输通道进入统一的协同平台。掘进工作面设备位置不确定，尤其是连续采煤机、梭车均为移动设备。远程视频监控、人工干预、智能化控制、参数设定等功能的实现都需要高速稳定的数据传输网络。连采机、梭车、锚杆钻车等频繁移动设备优先考虑无线网络，因此本系统采用了5G无线网络进行传输，以满足数据量和实时性的要求，根据项目目标需要，配置了 5G 无线网络。在矿端布置 5G 核心网，5G 无线网络传输上下行带宽不低于 200M，井下重点区域覆盖，根据连采工作面特点，在连采双巷掘进的工作面布置 5G 基站，1000M 的工业以太环网，控制延迟小于 50 ms，以满足连采机、梭车等设备的高速率大流量传输，实现井下和地面调度指挥中心远程控制系统互联互通。

（二）掘进工作面系统建设

隆德煤矿主要对久益 12CM15-10D 型进口连续采煤机、久益 10SC32-48B 型进口梭车、山西天地煤机 PZL460/150 型履带式转载破碎机等设备电气控制系统进行国产化升级改造，兼容原机外接设备，实现远程集中控制、可视化监视、一键启停、自主生产、人工干预，梭车自主装、运、卸，锚杆钻车、破碎机等功能融合。

（三）连续采煤机智能化功能

基于智能化功能需要，需要对电气控制系统功能进行国产化替换升级，电机和液压系统采用原机配置，此外，还根据需要增设智能化控制的中央控制器、组合惯导系统、行走手柄、声光报警器、摄像仪、倾角传感器、角度传感器等其它外接设备。

矿用隔爆兼本安型中央控制器是连续采煤机机器人化的核心设备之一，主要实现掘进机数据采集、自适应截割、自主移机、煤岩分界探测识别等核心控制功能。

组合惯导测量系统包括激光跟踪导引装置和惯性位姿测量与导航装置两部分，结合激光高精度惯性导航技术、激光测量技术、图像识别技术、组合导航技术、无线通信技术、多元信息融合技术，开发使用于煤矿井下设备定向、定位、定姿测量产品。

通过特定算法克服传统惯导产品在井下无外接辅助输入信息条件下测量误差的关键问题，同时解决煤矿机械井下侧滑、振动、冲击等恶劣工况条件下的精准定位和测量问题。图 7 为组合惯导位姿测量系统中的激光跟踪导引装置和惯性位姿测量与导航装置。

通过激光跟踪导引装置对连采机进行实时跟踪和精确定位，精准测量连续采煤机的航向、姿态和位置信息。

（四）梭车智能化功能

基于智能化功能需要，对梭车电气控制系统、转向系统、牵引系统、制动系统进行升级。增设中央控制器、惯性导航装置、激光雷达扫描系统、操作箱、脚踏开关、声光报警器、摄像仪、速度传感器、角度传感器等其它外接电气件。中央控制器是梭车智能化系统的控制中心，自主运行所涉及的传感器全部接入该控制器，完成相应的功能。

为实施梭车自主装运卸功能，需要增设定位定姿及自主导航系统，该系统包含巷道建模及位姿测量系统、轨迹规划及自主导航系统两部分，分别如下：通过“高精度惯性导航装置+激光雷达”的组合测量系统对巷道实时扫描，建立透明三维工作面。以 SLAM 技术为基础，依靠惯导精准的航向、俯仰和横滚角度测量以及特定算法，进行地图匹配，进而获得梭车精确的姿态和位置。

基于巷道三维地图以及位姿信息的指引，对梭车进行轨迹规划，设计相应的控制策略，实现自主导航，结合转向、速度等精确控制，实现梭车自主运行。配置前后向雷达，能够有效的对连采机和梭车进行识别，进行自动对接，实现自动装、运、卸功能。同时配置前、后向及料仓摄像仪，可以远程对梭车周围环境及物料情况进行监视，以便人工干预。

（五）给料破碎机智能化功能

基于自动控制的需要，对给料破碎机本机控制系统进行升级，提供 AC127V电源，增加自动启停泵站功能，与梭车智能化联动闭锁，其余功能保留不变。针对遥控控制的需要，升级液压系统，实现电液控制履带行走，方便延伸皮带时操作设备。配置遥控装置，实现破碎机的部分遥控功能。

（六）工作面集控中心

工作面集控中心是全工作面设备的综合监控中心，是工作面的数据中枢，是各设备协同作业、远程控制和人工干预的平台。接入设备涵盖连采机、梭车、锚杆钻机、破碎机、输送机以及供电、通风、瓦斯等；集设备控制、参数设置、状态显示、音视频监控、网络传输、对话交互等功能于一体。此外，考虑掘进工作面粉尘较大，集控中心设置空气过滤系统，以改善工作人员作业环境。

（一）基于 5G 技术的大带宽、低时延、高可靠、移动连接、大连接的特点，轻量化核心网：具有易部署、易操作、易维护等特点。

（二）组合惯性导航技术

由于惯性导航技术具有不需要外界辅助信息的特性，在航空、航天、航海等军事领域得到了广泛的应用。而煤矿井下设备的实际工况，不具备 GPS 的定位条件和加速度计的应用环境，可借助的外界辅助信息也非常有限，因此非常适合惯性导航这种独立导航的技术应用。

惯性导航系统是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系统。其基本工作原理是通过测量载体在惯性参考系的加速度，将它对时间进行积分，且把它变换到导航坐标系中，就能够得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置等信息。

结合高精度惯性导航技术、激光测量技术、图像识别技术、组合导航技术、无线通信技术、多元信息融合技术，通过特定算法克服传统惯导产品在井下无外接辅助输入信息条件下测量误差的关键问题，同时解决煤矿机械井下侧滑、振动、冲击等恶劣工况条件下的精准定位和测量问题。

提出利用组合惯性导航技术，解决单纯惯性导航累计误差和航向漂移的难题。

（三）连采机自动控制技术

目前连采机控制采用本机或视距遥控的方式实现机械化生产，不具有任何自动控制功能，自动化程度低。对连采机控制系统进行研究，设计自动控制策略和软件，实现连采机的自动掘进、自主移机、自动扫帮等智能控制功能。

（四）负载敏感自适应技术

目前连采机完全由人工操作，司机根据负载变化实时调整截割负载，以免设备过载或引起前级开关保护跳闸。通过负载识别算法，使连采机具有了自学习功能，能够学习并模拟人的主观能动性，可以很好的适应环境。对截割负载、截割速度等参数进行 PID 匹配，实现恒功率截割。具有自主判断识别、自适应巷道起伏、煤层变化、煤岩分界、岩层硬度变化等各种工况。

（五）协同作业控制技术

连采机与梭车的运输联动配合完全依靠连采机司机和梭车司机通过喊话、灯光等原始手段进行协调，两设备之间不具有自动协同控制的功能。

对连采机与梭车的配合作业的工艺进行分析，设计协同作业控制策略及控制软件，实现系统高效作业。

（六）梭车自主装、运、卸技术

实现自主导航，结合转向、速度等精确控制，实现梭车自主运行，配置前后向雷达，对连采机和梭车进行识别，二者自动对接，实现自动装、运、卸功能，同时配置前、后向及料仓摄像仪，可以远程对梭车周围环境及物料情况进行监视，以便人工干预。

该案例的应用，实现了生产管控一体化，解决了掘进工作面有线传输的难题，实现了连续采煤机和梭车的远程控制、可视化监视、一键启停、人工干预等多种功能，具体建设成效如下：

一是减人增安方面，减少了工作面固定岗位工，提高了工作面的安全系数和掘进效率，降低工作面人员劳动强度，达到了减人提效的目的。系统建成之前，每班至少需要作业人员 4 人操作（一名连采机司机，一名破碎机岗位司机，一名梭车司机，一名拖曳电缆工人，一人安全监护）。系统建成后，只需 2 人操作（一人操作控制台，一人安全监护）。人工费以 15 万元/人·年算，两个生产班每年减少的费用大约 60 万元。

二是提质增效方面，改变了矿井掘进的生产模式，真正让掘进智能化与矿井信息化无缝连接，显著提高了矿井掘进工作面设备的自动化程度。系统建成后，设备运行协调性显著提高。建设之前，连采机、梭车工作协调性只能依靠人工操作；建成后，连采机、梭车依靠控制系统进行协调作业，更安全可靠。

三是作业人员健康安全方面，掘进工作面环境恶劣，工作人员人身安全和职业健康受到严重威胁的区域，连续采煤机智能控制系统的研制成功，能够将人员从极度危险和职业病频发的区域中撤离出来。