Интеллектуальная лава
Современное состояние и перспективы развития автоматизированного очистного комплекса
В последние годы крупные шахты в Китае стали основными объектами производства, использование производственных мощностей значительно улучшилось.
Технологии и уровень оборудования для разработки угля длинными столбами развиваются не по дням, а по часам, особенно в области отработки мощных и сверхмощных пластов как традиционными методами, так и методом с выпуском угля, они достигли большего объема промышленного применения, получили значительный экономический и социальный эффект.
Китай занимает лидирующее место в мире в области оборудования МОК (механизированных очистных комплексов) высокого уровня. В XXI веке во всем мире проводятся исследования и разработки в области технологий искусственного интеллекта; «Китайское производство-2025 —реализация энергетической безопасности» включает оборудование для добычи угля экологичными и интеллектуальными методами в качестве одной из задач развития энергетического сектора. Государственная программа «Тринадцатая пятилетка» также предлагает ускорить разработку и применение безлюдных технологий добычи угля. Программа Главного управления по надзору за безопасным производством «Механизация и автоматизация сократит людей» включила интеллектуальную добычу угля в качестве главного направления исследований. Угольная промышленность также начала углубляться в изучение новой модели экологичной добычи «интернет + искусственный интеллект + автоматическая добыча».
В 1984 году США начали исследования и практику применения автоматизированной добычи длинными столбами, в основном вокруг безопасного эффективного производства, не приносящего вреда здоровью — это ведущее направление развития автоматизированного оборудования. В 1990 году в Германии была внедрена система автоматизации электрогидравлического управления очистными комплексами, реализующая программный контроль за оборудованием. В 2001 году Австралийская федеральная организация по жизнеспособности и промышленным исследованиям (CSIRO) разработала систему автоматизации длинных столбов LASC, представляющую технологию позиционирования оборудования. В настоящее время США и Австралия лидируют в области применения автоматизации, при благоприятных горно-геологических условиях для средних и мощных угольных пластов успешно реализована высокоскоростная добыча в длинных лавах, стабильная и точная работа оборудования.
Исследование системы электрогидравлического управления началось в Китае с 1980-х годов, но только в 2007 году она начала широко распространяться. Развитие электрогидравлической технологии управления и ориентирование государственной политики на всестороннее интеллектуальное развитие добычи угля в Китае в течение последних двух-трех лет привело к ее высокой оценке и широкому применению. Получен ряд инновационных решений, представляющих собой комплексную автоматизацию управления «электрогидравлический контроль крепью + резание угля по памяти (шаблону) + визуальное дистанционное управление». Группа ZMJ, как крупнейшее предприятие по производству ГШО в стране, в последние годы инвестировала значительные средства и вместе с научно-исследовательскими институтами и ведущими предприятиями разработала технологию автоматической регулировки высоты выемки очистного комбайна, автоматического выпуска угля, автоматической передвижки секций вслед за проходом очистного комбайна. Реализовано групповое управление очистного комбайна, скребкового конвейера и механизированной крепи, дистанционный визуальный контроль и др. В настоящее время электрогидравлическая система управления и система автоматизации были использованы в 184 рабочих лавах, поставлены 158 лавокомплектов, находятся в производстве еще 26 лавокомплектов, внедрены демонстрационные проекты с интеллектуальными лавами на шахте «Фуцунь» в провинции Шаньдун и шахте «Цзуньи» в провинции Гуйчжоу.
Планы развития и основные технологии при добыче угля интеллектуальными механизированными лавами
В соответствии с текущим планом развития технологий, в сочетании с текущей технической практикой в угольной промышленности Китая, мы разделили задачи интеллектуальной добычи угля на четыре этапа, как показано на рисунке 1.
На первом этапе в качестве основной задачи устанавливается автоматизация отдельного оборудования, в том числе автоматическая передвижка крепи за комбайном, резание угля очистным комбайном по памяти (шаблону). На втором этапе в качестве основной задачи устанавливается полная автоматизация всего оборудования в лаве, которая включает в себя контроль за совместной работой лавного оборудования с помощью видео + дистанционное управление. Третий этап — внедрение цифровой технологии в лаве в качестве основной задачи — устанавливает прозрачную рабочую лаву (визуализацию) + автоматическое планирование добычи угля, в конечном итоге достижение самоадаптивной добычи + глубокое интеллектуальное обучение (оборудования) вместо управления человеком.
Основные проблемы интеллектуальной лавы. Надежность оборудования
Надежность оборудования является главной проблемой, которую необходимо решить для интеллектуальных разработок.
Надежность интеллектуального оборудования состоит из двух аспектов, включая работу оборудования и работу сенсорных элементов конфигурации (датчиков). Надежность оборудования потребует создания теории надежности и применения ее при проектировании, производстве, испытании, использовании и обслуживании. Кроме того, основными компонентами интеллектуального управления оборудованием для более точной работы являются чувствительные элементы (датчики), которые адаптируются к сложной окружающей среде и условиям работы в шахтах. Под надежностью чувствительных элементов понимается точность записи данных о состоянии оборудования в реальном времени, передача, выполнение команд обратной связи и т.д. Например, выход из строя инфракрасного датчика положения может привести к прерыванию автоматической передвижки секций механизированной крепи, а повреждение датчика передвижки может повлиять на качество автоматической передвижки конвейера.
Технологии оценки состояния оборудования и внешних факторов в шахте
Окружающая среда в шахтах очень сложная и агрессивная, что формирует ненадежную связь и взаимосвязь между отдельными элементами оборудования. Для решения этих задач в дополнение к ранее применяемым наиболее популярным датчикам, таким как датчики передвижки, инфракрасные датчики положения, датчики давления, датчики вынимаемой мощности, разрабатываются и тестируются новые технологии зондирования. Например, геофизические технологии в оценке состояния угольных пластов только что были испытаны, точность и надежность обнаружения в структуре угольного пласта геологических нарушений недостаточна и должна быть улучшена; лидары (сканеры, формирующие двухмерную или трехмерную модель угольного пласта), удовлетворяющие подземным условиям, все еще тестируются; разрабатываются интеллектуальные роботы для осмотра рабочей лавы.
Технология контроля прямолинейности рабочей лавы
Прямолинейность рабочей лавы имеет важное значение для нормальной работы оборудования, автоматическое выравнивание рабочей лавы было проблемой, с которой сталкивается интеллектуальная лава. Применяемая в настоящее время технология не гарантирует, что крепь и конвейер точно перемещаются на свое место в процессе автоматической передвижки. Австралийская система LASC может эффективно выполнять автоматическое выравнивание рабочей лавы, но для сложных условий, таких, как круто наклонные пласты, необходимо дополнительно усовершенствовать и улучшить интеллектуальную технологию управления (комплектующее оборудование на прилегающих выработках должно быть автоматически взаимоувязано с оборудованием лавы на сопряжениях). Кроме того, точность измерения датчика положения секции, зазор между механическим оборудованием (между соседними секциями, конвейером и т.д.), состояние кровли и почвы лавы, гидравлическое давление подачи рабочей жидкости в лаве, объем загрузки забойного конвейера горной массой и т.д. являются факторами, влияющими на автоматическое выравнивание рабочей лавы. Таким образом, для достижения лучшего эффекта автоматического выравнивания необходимо не только разработать недорогое устройство, контролирующее прямолинейность рабочей лавы, но и разработать более продвинутые алгоритмы и методы автоматического выравнивания рабочей лавы.
Адаптация логики управления к фактическим условиям в шахтах
В последние годы технология распознавания границы между углем и породой не получила эффективного применения, автоматизированная рабочая лава по-прежнему использует для работы очистного комбайна память (шаблон, полученный после нескольких проходов комбайна по лаве под управлением человека) и автоматическое передвижение крепи вслед за проходом комбайна в качестве основного средства автоматизации. Резание угля очистным комбайном по памяти (шаблону) в лаве при условии стабильного залегания пластов позволяет достичь автоматической добычи угля, что уменьшает численность и значительно снижает трудоемкость добычи. В сложных горно-геологических условиях резание по памяти (шаблону) требует частого «обучения», что влияет на эффективность добычи угля, поэтому разработка и адаптация к сложным горно-геологическим условиям системы автоматического определения границ угольного пласта и технологии управления вынимаемой мощностью являются ключом к автоматизации добычи угля.
Сбор большого объема данных и использование для совместного управления оборудованием
Интеллектуальная система управления позволяет оборудованию (например, секциям) взаимодействовать как между собой, так и с соседним оборудованием, а многочисленные датчики (сенсоры) и контролирующие устройства генерируют множество сигналов о его состоянии. Быстрая передача информации от датчиков, ее анализ и применение для выемки угля являются ключом к интеллектуальной лаве. Мгновенная передача данных от датчиков и их применение позволяют не только повысить точность реагирования оборудования, но и повысить адаптивность и надежность системы управления в целом. Совместное использование большого объема данных и взаимодействие между оборудованием формируют интеллектуальную систему принятия решений через моделирование и раннее предупреждение о взаимодействии вмещающих пород лавы с очистным комплексом.
Новые решения и практические технологии добычи угля интеллектуальными методами с применением механизированных крепей
Пример интеллектуальной технологии на шахте «Фуцунь» в лаве №1008 на мощном пласте.
Основным пластом шахты «Фуцунь» является пласт №3, условия залегания простые, мощность пласта относительно стабильна, средний угол падения составляется 2 градуса, средняя мощность пласта 5,7 м. Состав основного оборудование лавы №1008: поддерживающая механизированная крепь типа ZY9000/27/60D, очистной комбайн с большой вынимаемой мощностью типа MG750/1915-GWD, скребковый конвейер типа SGZ-1000/1400, и интеллектуальная система управления производства завода ZMJ, общая схема показана на рисунке 2.
Лава №1008 в шахте «Фуцунь» — это первая в стране интеллектуальная лава для добычи угля, которая объединяет автоматическую систему подачи рабочей жидкости, электрогидравлическую систему управления крепью, систему автоматизации очистного комбайна, систему громкой связи, систему видеосвязи в лаве, систему автоматизации и централизованного управления в штреках. На поверхности и в шахте реализован запуск с одной кнопки, т.е. автоматический последовательный запуск и остановка, дистанционное и автоматическое управление крепью, дистанционное и автоматизированное управление очистным комбайном, видеовспомогательное наблюдение, автоматический контроль и т.д. Основные элементы контроля и управления лавой включают в себя высокоточные датчики наклона, установленные на основаниях, рычагах, перекрытиях, обеспечивающие точный контроль за положением секции крепи в лаве и фактической вынимаемой мощностью.
Использование непрерывного контроля положения очистного комбайна обеспечивает автоматическую и стабильную передвижку секций крепи и забойного конвейера со слежением за комбайном. В этом проекте система централизованного управления в штреке отслеживает местоположение очистного комбайна, контролируемое инфракрасным датчиком, учитывает передвижение очистного комбайна, что контролируется энкодером (датчиком) на очистном комбайне, и создается непрерывная картина положения очистного комбайна в лаве. Контроллер автоматического слежения в соответствии с положением очистного комбайна после обработки данных может эффективно предотвращать проблемы, вызванные повреждением или блокировкой инфракрасного датчика, что повышает стабильность и отказоустойчивость системы.
Созданы платформы обмена данными в «облаках», загрузка данных в реальном времени в «облако» через интернет, хранение и пересылка из «облака» на веб-браузер и мобильное приложение для доступа в реальном времени к данным о состоянии в шахте.
Предложены пути решения проблемы видеопокрытия лавы с большой вынимаемой мощностью. Лава №1008 высотой до 6 метров, и обычня камера не может одновременно наблюдать и кровлю, и почву в лаве. В этом проекте после нескольких испытаний применена комбинация камер, направленной камеры и камеры кругового обзора для того, чтобы достичь полного охвата наблюдаемой части лавы, в том числе направленная камера контролирует положение перекрытия крепи и положение шнеков очистного комбайна, камера кругового обзора наблюдает за передвижкой крепи и конвейера.
Пример интеллектуальной лавы на шахте «Цзуньи» на пластах малой мощности
Интеллектуальная лава №12701 на шахте «Цуньи»: диапазон мощности пласта составляется от 1,2 до 1,55 м, средняя вынимаемая мощность 1,41 м, использована механизированная крепь типа ZY3600/7.5/17D в количестве 135 шт., длина лавы — 205 м, лава волнистая. В апреле 2018 года департамент науки и техники провинции Гуйчжоу анализирует ситуацию и публикует «Исследование системы безлюдной и малолюдной добычи в шахте», научно-технический список основных специальных технологий. Шахта «Цуньи» — это демонстрационная шахта данного департамента науки и техники, завод ZMJ отвечает за раздел №4 «Интеллектуальное исследование и демонстрация лавы с системой разработки длинными столбами».
Интеллектуальная лава №12701 шахты «Цуньи» — это самая передовая лава по проектированию и технологии в Китае (третий этап-планирование добычи), это первое применение цифрового планирования добычи. Главные — основные технологии: точное определение состояния залегания пласта с помощью трехмерной геофизической модели, построение трехмерной геоинформационной модели лавы в соответствии с величиной продвижения лавы, создание текущей кривой изменения кровли и почвы и построение прогнозного профиля лавы для управления очистным комбайном с автоматической выемкой угля. В настоящее время проект реализован, по сравнению с предыдущими интеллектуальными лавами самой большой особенностью проекта является использование планирования для выемки угля комбайном вместо традиционной добычи по памяти (шаблону). Трасса и параметры выемки угля комбайном заранее запланированы на ПК, а не заложены в его память, полученную при «обучении», что решило проблему выемки угля по шаблону, распространенную на лавах с волнистой кровлей и почвой. Основная технология проекта следующая: с помощью технологии сейсмического обнаружения была построена исходная модель состояния залегания пласта, подлежащего отработке, как показано на рисунке 3, в процессе разработки угля по пласту длинными столбами модель постоянно корректируется. В соответствии с плановыми профилями лавы был выполнен предварительный план выемки угля, как показано на рисунке 4.
Через датчики положения очистного комбайна (наклона) и датчики угла наклона, установленные на секциях механизированной крепи, в реальном времени происходит контроль изменения профиля кровли и почвы лавы и изменение текущей вынимаемой мощности, как показано на рисунке 5. Затем в реальных координатных размерах указывается относительное положение между почвой и кровлей лавы очистного комбайна, текущая вынимаемая мощность и высота крепи по всей лаве, нахождение персонала и передвижение очистного комбайна, как показано на рисунке 6.
Перспективы интеллектуальных технологий добычи угля. Создание реальных моделей очистных забоев для реализации планирования добычи угля
С помощью технологии визуализации формирования изображения, глубинного бурения CT и т.д., можно точно выявить основные параметры залегания глубоких угольных пластов и характеристики динамических изменений в горных породах, таким образом, может быть сформирована «прозрачная лава», основанная на трехмерной геоинформации шахты, для формирования научной и разумной компоновки участка для разработки пласта.
В том случае, когда технология распознавания контакта угля и породы временно не может достичь большого прогресса, с помощью трехмерной геоинформационной модели лавы в сочетании с точным контролем передвижки секций крепи в режиме реального времени можно получить текущее положение продвижения лавы по отношению к кровле, почве и автоматически направлять работу оборудования в лаве. Таким образом достигается самоадаптация оборудования к горно-геологическим условиям, все данные передаются на поверхность, и можно полностью наблюдать различные ситуации в лаве, (эффект присутствия). В то же время, основываясь на «прозрачной лаве», можно моделировать рабочее состояние подземного оборудования, заранее прогнозировать изменения в кровле, почве и мощности пласта, происходящих в процессе добычи угля, а также принимать решения о потенциальных изменениях горно-геологических условий, встречающихся при фактической работе оборудования.
«Всесторонняя автоматизация + помощь человека» будет целью интеллектуального будущего системы разработки длинными столбами. Развитие шахт в Китае в направлении увеличения глубины приведет к тому, что условия добычи угля будут более сложными. Если полностью использовать безлюдный режим работы лавы и оборудования то в случае аварии, влияющей на интеллектуальную систему и нормальную работу оборудования, полностью безлюдное состояние в шахте повлияет на эффективность производства и безопасность оборудования. Таким образом, в будущем, даже в случае, если интеллектуальная лава будет полностью автоматизирована, 1-2 квалифицированным рабочим необходимо быть в лаве для ее контроля и своевременного вмешательства в возникшие проблемы, чтобы обеспечить безопасную и нормальную работу оборудования.
Интеллектуальные роботизированные комплекты для безлюдной добычи угля
В последнем стратегическом исследовании новейшей энергетической программы Китайской академии инженерных наук предложена концепция развития добычи угля как: «высокий уровень международных связей, минимальное воздействие на экологию, научная организация труда, высокая эффективность, развитие и трансформация». Спланирована Национальная угольная революция 3.0, 4.0 и 5.0, состоящая из трех этапов развития, а также определены стратегические цели, предусмотрено создание новой энергетической стратегии с использованием продуктов переработки угля и подземной газификации угля (на шахтах). Подземная добыча угля с использованием интеллектуального роботизированного оборудования без присутствия людей в шахте, углехимия, подземная газификация должны превратить уголь в экологически чистую энергию с нулевыми выбросами.
Технология интеллектуальной добычи — это междисциплинарная, меж- профессиональная и очень важная интегрированная передовая задача, связанная с геологическим исследованием, сенсорными технологиями, интеллектуальным оборудованием, конвергенцией больших объемов данных, использованием интернета и другими технологическими вопросами. Технология интеллектуальной добычи будет ключевым направлением развития угольной промышленности в Китае и во всем мире. Технология интеллектуальной добычи — это набор важных мероприятий, продвигающих технический прогресс в области добычи угля очистными комплексами, ее развитие и модернизацию, являются основным способом решения проблем безопасности, эффективности, себестоимости и других проблем, стоящих перед шахтами.
В настоящее время интеллектуализация стремительно продвигается и внедряется на шахте «Фуцунь» в провинции Шаньдун, шахте «Цзуньи» в провинции Гуйчжоу и других шахтах, где уже достигнуты значительные результаты в пилотном проекте интеллектуальной добычи. Но некоторые проблемы в технологиях интеллектуальной добычи еще не решены, такие как определение точного геологического строения угольных пластов, навигационное позиционирование подземного пространства сложного рельефа, обработка больших объемов данных, глубокое обучение оборудования, интеллектуальная система добычи и т.д. С помощью непрерывного технического развития, постепенно решая вышеупомянутые технические проблемы, в конечном итоге будет достигнута цель безлюдной выемки.
Гао Юцзинь, Ло Кайчэн, Чжан Цзие, Николай Рябков
- Адрес в КНР: 450016, г. Чжэнчжоу,
- технический парк, пр. №9, 167.
- E-mail: zmjrus@zmj.com
- Тел: +86 371 67891139
- Факс: +86 371 67891164
- Адрес в Кузбассе:
- 650991, г. Кемерово, пр. Октябрьский, 2б, пом. 840.
- Тел.:+7 (384 2) 90-01-68
- E-mail: zmjrus_sib@china-zmj.com