基于5G网络的庞庞塔煤矿智能矿山建设研究

将5G网络技术应用到煤矿的智能化矿山建设中,是当前提高矿山智能化水平的重要方向。为此,开展了庞庞塔煤矿中智能综采工作面、5G网络构架、视频界面等多方面的建设设计,并对建好后的智能矿山运行情况进行了评价分析,实现了对井下煤矿开采设备及配套设施的远程监控、操作及控制,智能矿山整体智能化程度相对较高,提高了该矿井的煤矿开采效率及作业安全性。     

智能化综采工作面全景视频远控技术研究及应用

针对智能化综采工作面建设中对井下少人化、无人化的目标诉求，依托先进的无线通信技术，发展全方位的视频监控系统，提升综采设备的远程操控能力，改善相关生产人员的作业环境，是煤矿智能化开采的重要方向。介绍了智能化综采工作面全景视频远控技术方案和该方案的整体架构，详细阐述了井下综采工作面5G网络部署、短物距下大视场摄像机成像、全景视频实时拼接算法等全景视频远控关键技术，以及对采煤机端侧远程操控进行的改造，同时分析了全景视频远控技术在工程实施过程中的难点。具体实践表明，应用综采工作面全景视频远控技术方案能够促进煤炭生产的减人增安，对煤矿智能化综采工作面的建设具有重要意义。     

5G技术在煤矿智能化中的应用展望

煤矿智能化是煤炭工业高质量发展的保障,当前处于煤矿智能化发展的初级阶段,仍然面临泛在感知难、多类型数据同步传输不可靠、远程控制实时性差、融合大数据的智能决策效率低等问题,面向垂直行业智能化应用的第五代移动通信技术(The fifth Generation Mobile Communication Technology,5G)为上述问题的解决提供了契机。分析了5G中的高频通信、大规模天线阵列、超密集组网、设备到设备通信、网络切片和移动边缘计算6项关键技术和各自的技术特征;研究了煤矿智能化应用在信息感知、多类型数据传输、实时决策控制、新技术应用和异构物联设备互联互通需求等方面的短板,以视频传输为例分析了4G技术在未来应用中的局限性,研究了井下WiFi组网的不足之处,指出了煤矿井下应用5G技术的必要性;结合5G技术优势和煤矿井下实际需求提出了基于5G技术的高精度实时定位与应用服务、虚拟交互应用、远程实时控制、远程协同运维及井下巡检和安防等煤矿井下应用场景,提出了基于混合现实的井下智能化开采和远程实时可视化操控的构想,给出了井下应用5G技术的总体架构:有线光纤骨干环网加5G覆盖,分析了实施要点,指出与井下应用场景的结合才能最大程度发挥5G技术在煤矿智能化开采中的作用,简要展望了基于5G技术的物联网、大数据、云计算、人工智能和虚拟现实等技术在煤矿智能化中的融合应用。     

基于双通信模式的综采工作面巡检机器人研制

为实现综采工作面无人化智能开采,设计并研制了一款基于双通信模式的综采工作面巡检机器人系统。提出基于LoRa和WiFi技术结合的双通信模式实现综采工作面巡检机器人远程控制与工作面监控,并对巡检机器人的组成和功能进行了介绍,重点论述巡检机器人控制系统的组成和通信方案。通过在煤矿井下进行实际测试,结果表明,介绍方案可以实现地面控制台实时控制综采工作面巡检机器人,并可实时获取综采工作面数据和环境信息,及时发现问题并报警,为综采工作面无人开采提供保障。     

基于5G+WiFi双通信矿用激光扫描巡检机器人设计

设计了一款应用于煤矿综采工作面上的巡检机器人,该机器人搭载激光雷达、惯导、车载电脑设备,以ROS为操作系统,搭建一套集控制、激光点云三维建图和视频巡检的机器人平台,可实现对综采工作面的三维建图和视频巡检。为实现点云海量数据和视频图像数据的稳定传输,采用5G+WiFi的双通信模式,充分利用各通信方式的优点,使用5G传输点云数据进行三维实时建图,使用WiFi来传输图像数据,提升综采工作面三维点云模型的生成效率。采用该设计方案不仅可以进行实时三维建图,还可以快速处理所生成的数据用于对井下工作设备的智能控制。     

综采工作面设备智能化改造设计

为响应国家煤矿智能化发展政策,提升禾草沟一号煤矿综采工作面智能化水平,改善职工安全生产作业环境,减少井下作业人员数量,推动矿井安全高效高质量发展。结合国内成熟、可靠的工作面智能化建设经验,对15205综采工作面现有设备进行智能化升级改造设计。建成具有主动感知、自动分析、智能处理的智能化综采工作面,实现对综采设备的井下集中控制和地面远程控制,达到工作面安全、高效、少人化的目标。     

SPN在煤矿的运用与防爆设计

针对煤矿工业以太网传输技术没有精确的时间机制以及强大的网络流量安全措施，现有5G通信无法在煤矿智能化网络覆盖中承载的问题，提出了SPN技术在煤矿井下运用的方案，解决了煤矿井下数据时间戳和网络数据安全快速安全传输的问题。通过SPN技术在煤矿的通信方案设计，阐述了SPN技术在煤矿通信方面的运用，重点说明了煤矿井下SPN设备的设计。贵州青龙煤矿的应用证明，SPN技术在煤矿智能化通信方面具有非常明显的优势。     

基于5G技术的煤矿智能化开采关键技术探索

5G的到来,极大地促进了云计算、大数据和人工智能等技术的深度融合,成为包括煤矿智能化开采在内的各行各业升级转型的关键基础设施,必将推动煤矿智能化开采技术的创新与变革。首先阐述了煤矿智能化开采的发展历程,总结了相关的政策支持和技术发展态势,系统分析了智能化开采技术在应用推广过程中亟待解决8个方面的问题,即:工作面自动找直技术、复杂环境下的高清晰可视化技术、煤炭开采多场动态信息融合的4D透明地质构建技术、煤岩自动识别及智能截割技术、高质量传感器研制与多传感器数据融合技术、采矿工艺智能化技术、煤炭智能化开采的微服务系统平台架构、危险源智能感知与预警技术;并从宏观角度分析凝练了技术方面的制约因素,提出以5G技术为核心汇聚而成的技术生态必将成为解决上述问题的一种有效手段。其次,深入研究了通信技术和煤矿开采技术之间的关系,分析了5G技术在智能化开采中的特点和优势,构建了智能化开采核心技术与5G技术生态关联矩阵,指出5G大带宽、泛在万物互联、低时延高可靠、切片技术等特性和技术在煤矿智能化开采发展中的关键支撑作用,阐述了5G生态在煤矿智能化开采中的重要性,并展望了随着5G技术生态的不断成熟,煤矿智能化开采将探索衍生出的一些高效关键技术和生产管理模式。最后,从多个方面探索了5G技术在智能化开采中的关键应用,包括:系统计算分析管控模式、4D-GIS透明地质和实时推演、工作面自动找直、视频驱动的智能化开采、井下环境感知等。最后针对煤矿智能化开采提出了一种基于5G技术的解决方案以供探讨。     

煤矿巷道智能化掘进感知关键技术

针对目前煤矿巷道掘进工作面智能化应用水平较低导致掘进效率低下、采掘接替紧张的问题,分析了制约巷道掘进工作面实现智能化的关键技术-快速掘进煤炭地质保障技术、智能超前自主感知技术、智能掘进大数据云计算及控制软件技术。论述了煤矿快速掘进理论及技术基础,以煤矿高分辨率三维地震勘探技术、矿井地质透明化技术为支撑,巷道围岩应力及其控制理论为基础,快速掘进设备为保障,形成实现煤矿智能高效掘进的探测、掘进、支护协同作业的基础支撑理论。重点阐述了煤矿巷道掘进工作面的智能超前自主感知技术,包括高分辨地质雷达探测技术、基于TSOA定位原理混合算法的掘进机位姿感知技术、基于同步定位与建图(SLAM)原理的掘进工作面环境感知技术、掘进设备运行状态感知技术。形成实现智能化掘进工作面的"掘进机位姿感知、工作面环境感知、设备状态感知"的空间一体化感知体系。在分析煤矿综掘工作面实现智能化快掘自主感知和调控技术的基础上,提出按照"以智能化超前感知为基础,以多源数据计算为中心,以安全智能快速掘进为目标"的原则进行设计和构建煤矿智能快速掘进技术体系。开发基于F5G通讯的多源数据和多源图像传输、存储技术,确保了数据传输的高效、可靠和稳定。依托大数据分析和云计算平台,开发具有CPU、存储和网络资源聚合计算基础架构VMware vSphere的软件-智能化掘进-SmartX,系统架构划分为数据源层、智能化超前感知数据采集层、多源数据和图像的传输存储层、大数据云平台数据分析层、决策应用层,包括超前地质探测精准感知、掘进设备位姿感知和掘进工作面环境感知等8个主要功能模块。形成智能化掘进工作面HadoopSpark一体化大数据云计算分析处理平台,智能化掘进-SmartX系统。分析煤矿巷道智能化掘进面临的挑战和未来发展,提出继续研制高质量感知设备与多源数据、图像深度融合技术,提高智能掘进设备上使用的感知设备种类、精度和智能性等,提升多源数据、图像在深度融合方面的精度和准确度。加大研发基于F5G通讯技术的掘进工艺智能化技术,智能化掘进设备在工作过程中,确保各项参数判定和指令动作在提前设定的状态下快速可靠准确完成。提出进一步提升巷道智能化掘进辅助生产环节的智能化水平,以减少现场作业人员数量,减轻作业人员劳动强度,实现掘进工作面智能化水平整体提升。     

综采工作面巡检机器人关键技术研究

目前国内许多煤矿应用了可视化远程干预型智能无人化综采,但是综采工作面内仍然需要1名工人进行巡检作业,为了实现综采工作面支架支护区域内真正无人,需要研究一种综采工作面巡检机器人,实现对综采工作面巡检人员的替代,适应智能综采的发展方向。在分析综采工作面巡检机器人研究现状的基础上,指出综采工作面巡检机器人研究目前处于起步阶段,提出了综采工作面巡检机器人研究需要攻克的5个方面的技术难题:综采工作面巡检机器人控制平台健壮性,行走驱动可靠性,移动通信稳定性,群组控制协同性,配套应用合理性。给出并具体分析了综采工作面巡检机器人发展所需的5项关键技术:柔性轨道技术,精准定位导航技术,高可靠控制技术,动态图像采集技术,三维采场模型构建技术。研制了一款综采工作面巡检机器人,以电池供电驱动行走机构沿刮板输送机电缆槽外侧的轨道实现快速移动,轨道之间采用具有一定承载能力的弹簧连接件实现柔性连接,综采工作面巡检机器人搭载惯性导航系统,三维激光扫描装置,红外热成像摄像仪,可见光摄像仪,无线移动终端等装备,可完成对综采工作面直线度、水平度检测,工作面精确定位,工作面点云扫描,采煤机运行状态巡检与工作面快速巡检等功能,并通过无线通信网络实现传感数据准确、快速传输至巷道集控中心。通过在神东榆家梁煤矿43101综采工作面应用,实现最大巡检速度60 m/min,辅助构建的工作面三维点云模型实测精度0.2 m,实现搭载惯导系统在宽360 m综采工作面直线度可控制在±500 mm。综采工作面巡检机器人在质量和电池续航2个方面仍需进一步研究优化,以满足实际生产需求。研究成果可为煤炭行业综采工作面巡检机器人技术的发展提供有益的借鉴。     

煤矿井下智能综采体系在木瓜矿10-202工作面的应用

提出一种新的煤矿井下智能综采体系,通过对采煤机截割作业方案、支架跟机自动控制方案的优化,实现了井下液压支架自动跟机、采煤机记忆割煤,同时结合设备姿态反馈、工作面视频监控,实现在顺槽集控中心对采煤机、液压支架、乳化液泵站、工作面运输三机等自动化设备的“一键”启停、远程监控功能。根据实际应用表明,新的井下智能综采体系,将井下综采面作业人员数量降低了76.3%,将井下综采作业效率提升了79.5%。     

融合5G技术生态的智能煤矿总体架构及核心场景

5G技术的到来,强化和深度融合了物联网、大数据、人工智能等技术,已经形成了较为成熟的5G技术生态,有力推动了包括煤炭企业在内的各个行业的转型升级和智能化发展。通过分析移动通信技术与煤矿建设的关系,明确了5G技术在煤矿生产中所具有的重要作用,揭示了5G技术生态是智能煤矿建设的重要推动力;详析分析了当前制约煤矿智能化的井下高效通信、装备智能化、决策智能化等方面的主要问题,并且从5G技术生态的角度探讨了解决当前问题的技术手段;研究了智能煤矿的内涵,提出了智能煤矿的定义,明确了智能煤矿必须具备时空一体、万物互联、数据融合、全息感知、业务联动、智能决策六大特征;揭示了智能煤矿基础设施所需要的5G技术生态、混合云和GIM技术等3个技术要素,提出顶层设计中所涉及的云边端思维模式、微服务架构和基于一张图的智能态势分析与决策等3个设计理念,从而完成了对智能煤矿建设总体架构的构建。同时,对智能煤矿建设中包括智能探测、智能掘进、智能开采、智能通风、智能洗选和智能调度在内6个典型应用场景所需的研究重点和方向进行了阐述。最后,以延长石油矿业巴拉素煤矿为实例,在兼顾实际开采条件和发展愿景条件下实践了笔者提出的智能煤矿建设构想,力求为我国智能煤矿建设提供一种新探索。     

综采工作面智能化开采系统关键技术

简要回顾煤矿智能无人开采发展历程,在分析综采工作面智能化开采需求的基础上,提出了综采工作面智能化开采系统架构,包括精准煤层三维地质模型及其动态调整、智能化开采控制、智能化无人巡检装置和智能化协同集控等4个部分,提出了综采工作面智能化开采模式。分析了综采工作面初始三维地质模型、三维激光扫描技术,确定综采工作面三维地质数字化模型动态调整步骤,形成动态调整的综采工作面三维数字化地质模型,实现综采工作面的有限透明。指出综采工作面智能化开采三项关键技术:采煤机智能化割煤技术、液压支架自适应控制技术和综采工作面直线度控制技术。在神东榆家梁煤矿43101综采工作面进行技术应用,动态调整的综采工作面三维数字化地质模型精度为0.2 m,日割煤可达15刀;采煤机和支架自动化率95%以上,人工干预率20%左右;综采队全员工效125.69 t/工,较之前提高95.98%;工作面无直接操作人员,仅有1人巡视。研究成果可为煤矿智能无人开采提供借鉴。     

矿井综采工作面智能开采系统建设与分析

随着智能化开采在我国煤矿的应用推广,多处煤矿智能化建设已经卓有成效。本文通过构建煤矿智能综采适应性评价指标体系,确定影响智能综采适应性的主控因素,实现对智能综采工作面开采效能和安全性的智能评价。许疃煤矿8224工作面智能化开采以采煤机记忆截割、液压支架自动跟机和可视化远程监控为基础,实现在地面调度指挥中心或井下智能化工作面集控中心对综采设备的智能监测与集中控制。本文以许疃煤矿8224工作面为例阐述了智能化开采关键技术在煤矿的应用效果,并对其当前智能化建设现状及问题进行分析研究。     

综采工作面智能化开采技术研究

基于综采工作面智能化开采的发展现状与要求,系统阐述智能化煤矿的基本构架、智能化开采的技术特征以及智能化放顶煤的关键性技术,包括液压支架跟机自动化技术、采煤机记忆截割技术、工作面视频监控技术、远程集中监控技术、振动法自动放煤以及记忆模式自动放煤等智能化开采技术。针对当前智能化工作面开采技术难题,提出采煤机智能调高、液压支架群组与围岩自适应以及工作面直线推进控制的技术手段,对实现煤矿井下智能化开采,提高井下生产效率,减小人员伤亡具有重大的意义,旨在为智能化综采工作面的推广及应用提供一定的技术参考价值。     

基于矿用5G技术的采煤机智能化技术

通过综述当前专家学者及工矿企业对“矿用5G+煤矿智能化”技术的研究与应用,得出其进展长足但仍然存在应用场景和生态匮乏的结论。针对采煤机智能化方面存在全面感知能力较弱、远程控制时效性低、通信系统可靠性差的技术短板,构建基于采煤机的矿用5G通信系统。以单一采煤机通信系统为研究对象,分别阐述了采煤机5G通信系统架构、采煤机5G CPE安装方式、综采工作面5G基站布设方式。基于5G技术具有的大宽带、低延时、广连接的特性,展望5G技术应用于采煤机后,可拓展采煤机在煤机云端控制、海量数据传输、故障远程诊断等智能化方面的应用。     

基于纯水液压技术的智能化开采技术研究及应用

哈拉沟22411综采工作面基于纯水液压技术的智能化开采技术的研究与应用,以纯水介质为液压动力核心,配套纯水制水设备、纯水液压泵站、纯水液压支架,解决了传统综采工作面液压油泄露造成的井下环境污染问题;依托信息智能化设备及手段,减少了综采工作面作业人员数量,保障了煤矿工人安全;实现了生产供电设备、纯水泵站系统、"三机"运输系统的集中化远程控制,采煤机的记忆割煤及液压支架自动跟机,完成多个自动化智能化系统的融合与应用,最终实现工作面绿色、智能、高效开采,为哈拉沟煤矿实现中级绿色智能矿山打下坚实的基础。     

综采工作面智能感知与智能控制关键技术与应用

"十三五"期间,我国煤矿开采开始进入了智能化模式,但处于智能开采的初级阶段。首先,对国内外智能开采技术进展进行了分析,重点介绍了澳大利亚的智能煤矿建设和北京天地玛珂电液控制系统有限公司的无人化综采工作面技术进展。其次,按照智能感知和智能控制2个环节总结了国内智能开采行业的顶层设计。对于智能感知关键技术,建立了智能感知技术体系,攻克了综采装备全方位感知技术和工作面自动找直技术,解决了惯性导航长时间坐标漂移的累积误差增大问题;以物联网推动了围岩透明感知技术,基于多信息融合的煤岩界面识别和超宽带雷达精细测量,具备了一定的超前探测能力和适应煤层地质条件变化能力,高精度三维动态地质模型的动态修正技术;将机器人技术引入到综采工作面感知体系中,通过巡检机器人实现综采工作面生产的快速无缝实时感知;通过对传统VR的建模技术升级,建立了工作面三维实景模型。对于智能控制关键技术,建立了智能控制技术体系,研究了远程监督型控制技术和自主控制技术,利用巡检机器人超前对煤岩界面自动检测和滚筒截割状态的实时识别,实现了智能调高控制、俯仰采控制和推进方向的平滑阶梯多级调整控制,开发了巡检机器人模式下的智能割煤工艺;通过对5G通信系统的协议改进,实现了工作面移动传输上行带宽超过300 Mbps和传输延时小于20 ms的视频传输性能。保证了综采远程控制的实时性和可靠性。通过智能感知与智能控制的关键技术应用,进行了远程干预型智能控制综采生产、视觉测量煤岩分界、直线度自动测量调直、超宽带雷达探测、真实场景综采工作面三维建模和巡检机器人自主采煤等应用实践。最后提出了尚待解决的理论和关键技术问题:深度超前精确探测理论体系、综采全工艺流程无人化控制理论体系、全矿井无缝覆盖通信定位体系、复杂环境下的目标识别、上窜下滑控制和超前自动移架技术等。     

永智煤矿智能化改造技术研究

煤矿智能化开采是我国煤炭资源开发的重要发展趋势。文章以永智煤矿5101综采工作面智能化改造需要,通过数据融合平台改造,阐述了智能矿井整体构架,给出了智能监控系统及智能决策平台构建方法。随后对掘进系统智能化及综采系统智能化提出了改造方法,主要包括掘进机载系统、掘进机远程遥控系统、割煤系统及支架电控系统等几个方面。通过预期改造成果分析,工作面作业人员可减少至8～10人,每班次作业人数减少50%;整体回采率可提高至15～17刀/d,工时可减少约42%,功效提高25%～35%,有效提高了工作面生产的安全性,改善了井下作业环境。改造技术方案可为有类似智能化改造需求的矿山提供借鉴与指导。     

“人本智造与XR+”驱动的综采工作面人机协同智能化运行模式探索与实践

煤矿开采当前仍然处于部分无人化的发展阶段，人仍然在综采系统中扮演着重要的角色。智能化综采工作面应该在当前智能化装备和技术的基础上，依靠人(包括巡检工、集控工和维护工)与设备环境的深度人机协作，最终达到安全高效运行的目标。因此，基于在“XR+”领域长期的实践，从“人本智造”的角度出发，对综采工作面人机协同智能化运行模式进行探索。首先对比分析井下3类工种与地面工种的工作环境，得出3个工种在未来如何提升到智能操作工的升级路径；提出了基于多功能平行系统的综采工作面多工种协同运行模式框架，搭建“人-机-环”深度融合的综采工作面全局虚拟场景，并以此为基础进行智能推演，对3工种之间以及和多功能虚拟平行系统的协同交互方式进行设计。接着对其中的一些关键技术，如参数化虚拟矿工模型、真实矿工与虚拟矿工的实时联动、巡检手势集设计和井下协同维护系统等进行研究；最后对多功能平行系统的多工种培训、巡检工虚拟操作、集控工人机优化、维护工协同运行和多工种协同进行了相关的测试，实现了3工种之间以及与多功能平行系统的实时交互；最终形成“全局细节兼掌控+机器智能推结果+多工种协同决策”的协同操作模式，共同完成高质量远程监视、...