当前煤矿综采工作面装备成套化、智能化、可靠性、安全性水平不断提升，而掘进工作面智能化技术水平相对滞后，导致采掘失衡问题日益突出，影响煤炭企业安全高效生产。掘进工作面因其复杂的作业环境，致使掘进设备在远程控制和无人化的改进方面存在诸多难题。

2020 年9 月，陕煤集团神木红柳林矿业有限公司（简称红柳林煤矿） 在北二盘区44207 掘进工作面建成了首个智能掘进工作面。采用5G通信技术解决了光缆连接不可靠的技术难题，利用惯性导航技术实现工作面的平直掘进，并且实现连续采煤机的远程监视与控制。同时，红柳林煤矿在北一盘区25212 掘进工作面利用视频监控和控制系统，实现了掘进工作面输送带运输系统的集中控制。但是，在掘进工作面连续采煤机、梭车、破碎机、带式输送机（简称“四设备”） 的智能化建设方面，还没有形成完善可靠的智能化集中控制系统。

为了进一步推进连采工作面的智能化建设，在原有连采工作面建设的基础上，以智能化连采工作面的中期建设为目标，构建“四设备”集中控制系统及辅助系统的一体化管控平台，实现掘进工作面安全、可靠、少人化，推进煤矿连采工作面智能化的快速发展。

掘进设备远程控制系统建设

连续采煤机远程控制系统

连续采煤机智能远程控制系统主要由惯性导航、激光跟踪、5G 数据传输、煤岩分界识别、视频监控、传感采集、遥控等多系统等组成。

连续采煤机作业过程中，操作人员可直接在智能化集控平台实时查看连续采煤机各系统的运行状态，并根据辅助激光跟踪、惯性导航系统对掘进方向进行调整和控制连续采煤机的割煤参数；查看声音采集器信息，帮助连续采煤机司机判断连续采煤机落刀割底情况，采高仪数据控制滚筒截割高度；程序控制实现记忆截割自动成巷，当巷道地质发生变化时，根据工作面实际情况进行人工手动干预连

续采煤机，从而保证掘进巷道的工程质量。采用纳米玻璃、光学透雾、电子减震、数字孪生等技术，减少连续采煤机智能远程控制系统受粉尘、水雾、振动等环境因素的影响。连续采煤机智能掘进系统关键技术如图1 所示。

图1　连续采煤机智能化掘进关键技术

梭车远程控制系统

梭车主要完成接煤、运煤、卸煤工作，运行路线相对固定、作业内容相对单一。借鉴无人码头自动导引运输车控制经验，结合井下现场实际，在梭车上方安装1 台激光雷达，结合先进算法为控制核心的技术手段，实现梭车自动定位、自主建图、路径规划功能。

中央控制器实时采集梭车角度传感器、速度传感器、堆煤传感器、人体感应传感器信号数据，并发出控制指令，实现梭车接煤、运煤、卸煤各环节动作自动运行。控制系统将数据采用无线传输至工作面集控中心，集控中心操作人员实时监测梭车运行状态，结合摄像头信息，实现梭车“自动+远控+人为干预”运行模式。梭车人机交互系统关键技术如图2 所示。

图2　梭车人机交互系统关键技术

破碎机远程控制系统

根据掘进工作面给料破碎机自动运行智能化建设内容，实现以下3个方面功能。

（1） 输送机自动启停

梭车接近破碎机向料斗内卸煤时，输送机启动，卸煤完毕后，输送机停止。

（2） 破碎机滚筒堵转保护

当破碎机滚筒被大块煤或矸石卡住后，系统能自动停机，并发出警报。

（3） 输送机速度异常保护。

当刮板链断链、压死、液压系统爆管等导致输送机运行速度异常后，系统自动停机，并发出警报。

破碎机自动控制系统以PLC为控制核心，在梭车上安装无线发射模块，当梭车驶入无线通信接收范围时，无线接收装置接收到输入信号后输出开关信号至PLC，PLC 接收到信号后发出声光报警并启动输送机。梭车卸煤完毕离开后，破碎机输送机延时停机，实现梭车和破碎机自动控制。

将带式输送机连锁模块信号、输送机刮板速度信号、压力传感器信号、油泵电机启停信号、滚筒转速传感器信号接入PLC控制系统，实现带式输送机停机后，输送机自动停机、刮板输送机压死或断链后自动停止泵电机、压力传感器信号异常停止泵电机等保护功能。破碎机远程控制系统关键技术如图3 所示。

图3　破碎机远程控制系统关键技术

输送带远程自动化控制系统

（1） 利用红外视频监控系统对输送带运输系统关键点进行实时监控。

（2） 利用华宁控制系统实现输送带破碎机的远程控制，安全监测预警。

辅助系统的智能化建设

智能排水系统

为实现掘进巷道排水点集中控制，在水泵加装智能开关，配备对应的视频监控头+AI 识别监控排水点排水情况，各排水点实时画面及水泵工况数据汇总至掘进工作面集控中心，实现排水系统集中管理，智能排水系统界面如图4 所示。

图4　智能排水系统界面

智能供电系统

在集中配电点布置馈电开关通信协议转换装置，并将相关信号接入掘进工作面集控中心，实现馈电开关工况的集中运行状态监测及远程停送电，智能供电系统界面如图5所示。

图5　智能供电系统界面

智能通风系统

工作面传感器实时监测的有毒有害气体情况及工作面风压及风量情况，通过前置的边缘计算终端实现通风机的智能变频调控功能，从而控制风机自动调节供风量。目前红柳林矿业公司已经成熟使用该技术。智能通风系统界面如图6所示。

图6　智能通风系统界面

质量管控系统

在掘进面收尺方面，利用UWB技术实现连续采煤机精准定位，进尺自动统计及数据汇总报表生产。工作面工程质量管控引入工业AI 视觉分析技术，实现工程质量自动分析，解决了质量验收员验收标准不一的问题。AI视觉分析界面如图7所示。

图7　AI视觉分析界面

安全管理系统

将掘进工作面区域内安全监测监控、顶板压力监测、水文监测系统、人员（设备） 定位、高清摄像头等相关信号数据接入掘进工作面集控中心，实现人员-环境-设备的动态监控及应急联动。设备人员接近防护系统利用高精度定位结合数据采集、传输、控制技术，实现掘进工作面移动设备在人员接近时报警或停机。

一体化管控平台建设

依托红柳林煤矿综管平台系统建立掘进工作面一体化管控平台，实现了连采工作面连续采煤机、梭车、破碎机、带式输送机及智能通风系统、供电系统、排水系统、质量控制系统及安全系统集中控制，掘进工作面一体化管控平台界面如图8所示。

图8　掘进工作面一体化管控平台界面

掘进工作面一体化管控平台实现了工作面集中控制中心与各设备、系统进行互联互通；工作面“四设备”的远程操控及人工手动干预功能；实现局部通风机、掘进巷道排水、临时变电站的远程监视与控制，具备远程风机切换、移变远程停送电等功能，同时将集控信息接入工业环网，实现调度室远程监视与控制功能。

预期效果

通过智能化连采工作面的中期建设主要实现了3 个方面的功能。

（1） 解放生产力，提升用工效率

现阶段连采工作面生产期间每班需要11～12 人（跟班队长1 人、班组长1 人、连采机司机1 人、副司机1 人、梭车司机1 人、破碎机司机1 人、皮带机司机2～3 人、支护工3 人）；智能化连采工作面中期建设成功后生产期间可实现减少至7～8 人（跟班队长1 人、班组长兼连采机司机1 人、梭车司机1 人、破碎机司机和皮带机司机共计1 人、支护工3 人），生产班每班可减少人员30%。

（2） 工作面“四设备”远程操控

工作面“四设备”的远程操作+人工干预、设备运行状态实时监控及可视化的智能连采工作面控制系统，将部分现场作业人员从工作面恶劣环境中解放出来，改变了以往现场作业的工作方式，提升了个人职业健康水平和安全管理水平，同时也实现工作面掘进过程中的少人化。

（3） 智能生产调度、安全管理

智能化掘进工作面一体化管控平台和红柳林煤矿智能化综合系统的融合，构建了智能化掘进工作面一体化管控平台，采集智能掘进系统数据入湖，消除数据孤岛。通过对数据全面场景化智能分析，挖掘数据价值，实现矿井智能生产调度、安全管理和高效运营。

总 结

（1） 构建连采掘进工作面智能化一体化集中管控平台，实现了设备和子系统的可视化集中控制，推动连采工作面朝着少人化、固定岗位无人化、安全生产智能化的方向发展，部分作业人员从恶劣环境中解放出来，提升了个人职业健康和安全管理水平。

（2） 在掘进设备远程控制系统建设方面，连续采煤机实现了记忆截割自动成巷等功能，梭车采用激光雷达技术实现自动定位等功能，破碎机具备多种保护功能，输送带实现远程自动化控制；在辅助系统智能化建设方面，多个系统实现了集中控制和智能调控。

（3） 智能化掘进工作面的建设仍需不断创新和优化，以解决实际应用中的重点和难点问题为突破点，加强与其他智能化开采和安全监控技术的融合，实现掘进工作面生产的融合、联动、安全、高效和无人化。

策划：李金松 编辑：王晓珍