《數(shù)字礦山概論》第8章 礦山數(shù)字通信與自動(dòng)化

1、第8 章 礦山數(shù)字通信與自動(dòng)化 安全工程學(xué)院 2017 8.1 礦山數(shù)字通信技術(shù) 礦山存在大量的多源異質(zhì)的信息多源異質(zhì)的信息流動(dòng)，而且表現(xiàn)在礦山 系統(tǒng)與外部環(huán)境之間，如電力供應(yīng)、采礦設(shè)備、人力供 應(yīng)、礦產(chǎn)品的銷售和市場(chǎng)等領(lǐng)域，均存在著各種信息的 交換和流功。 礦山井下作業(yè)環(huán)境惡劣井下作業(yè)環(huán)境惡劣、空間狹長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、電磁屏 蔽性強(qiáng)、噪音大，系統(tǒng)通訊與自動(dòng)操控困難。 8.1 礦山數(shù)字通信技術(shù) 快速、準(zhǔn)確、完整、清晰實(shí)時(shí)實(shí)時(shí)地采集與傳輸?shù)V山井下 各類環(huán)境指標(biāo)、設(shè)備工況、人員信息、作業(yè)參數(shù)與調(diào)度指令 ，并以多媒體的形式進(jìn)行地面地面井下雙向、無線傳輸井下雙向、無線傳輸， 是急需發(fā)展和推廣 應(yīng)用的數(shù)字礦

2、山關(guān)鍵技術(shù)之一。 礦山專用通信網(wǎng)礦山專用通信網(wǎng) 對(duì)于礦山系統(tǒng)而言，礦山專用通信網(wǎng)由礦區(qū)以上通信網(wǎng) 、礦區(qū)通信網(wǎng)和井下通信網(wǎng)組成。 （1）礦區(qū)以上通信網(wǎng)：）礦區(qū)以上通信網(wǎng)：是國(guó)家、各?。ㄊ?、區(qū)）礦業(yè)管理 部門和礦業(yè)集團(tuán)之間的通信網(wǎng)。以煤炭專用通信網(wǎng)為例其 礦區(qū)以上通信網(wǎng)絡(luò)組織包括3 部分： 以?。ㄊ?、區(qū)）煤炭管理部門為中心連接所屬礦業(yè)集團(tuán)的 數(shù)字微波通信網(wǎng)； 以國(guó)家煤炭局為中心覆蓋各?。ㄊ?、區(qū)）煤炭管理部門和 各礦業(yè)集團(tuán)的衛(wèi)星通信網(wǎng)： 以國(guó)家煤炭局為中心連接部分礦業(yè)集團(tuán)的短波通信網(wǎng)。 (2 ）礦區(qū)通信網(wǎng)：）礦區(qū)通信網(wǎng)：是指礦業(yè)集團(tuán)與其所屬礦（廠）之間的 通信以及礦（廠）的地面通信網(wǎng)。礦區(qū)通信網(wǎng)由

3、電話網(wǎng)、傳 輸網(wǎng)、接入網(wǎng)、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)、調(diào)度通信網(wǎng)、支撐系統(tǒng) 和有限電視網(wǎng)組成。 (3 ）井下通信網(wǎng)：）井下通信網(wǎng)：是指礦山地面調(diào)度指揮機(jī)構(gòu)與井下各環(huán) 節(jié)的通信，以及井下各環(huán)節(jié)之間的通信。它擔(dān)負(fù)著生產(chǎn)調(diào)度 指揮、監(jiān)測(cè)控制等信息的傳送任務(wù)，對(duì)保障生產(chǎn)與安全有著 重要的作用。井下通信應(yīng)達(dá)到以下基本要求： 礦井調(diào)度室與作業(yè)點(diǎn)、崗位、以及個(gè)人都能無阻塞地通話 井下有關(guān)崗位之間、人員之間能互相通話； 發(fā)生事故時(shí)，救災(zāi)人員能隨時(shí)與井下指揮點(diǎn)和地面調(diào)度室 進(jìn)行無阻塞通話。 8.1.2 8.1.2 井工礦山的數(shù)字通信井工礦山的數(shù)字通信 井工礦山通信由有線通信系統(tǒng)、移動(dòng)通信系統(tǒng)和各生產(chǎn) 環(huán)節(jié)間的局部通信系統(tǒng)

4、組成，包括： 1.1.井下有線數(shù)字通信井下有線數(shù)字通信 ( 1 ）載波電話通信系統(tǒng)：）載波電話通信系統(tǒng)：主要用于井下電機(jī)車的通信。載 波電話在礦井的應(yīng)用時(shí)間較早，為電機(jī)車的調(diào)度發(fā)揮著重要 作用。但 由于其音質(zhì)、音量較差，難以大量使用。 ( 2 ）擴(kuò)音電話系統(tǒng)：）擴(kuò)音電話系統(tǒng)：該系統(tǒng)主要應(yīng)用在采煤工作面、斜井 運(yùn)輸、長(zhǎng)距離運(yùn)輸皮帶等部位。擴(kuò)音電話系統(tǒng)為保證工作面 的正常生產(chǎn)，皮帶的正常運(yùn)行起到關(guān)鍵作用。 2.井下無線數(shù)字通信 目前，國(guó)內(nèi)外礦山井下無線通信系統(tǒng)采用技術(shù)主要有： （1）漏泄饋電電纜：）漏泄饋電電纜：為使無線電頻率傳播到井下 ，必須以 漏泄饋電電纜代替標(biāo)準(zhǔn)的地面無線系統(tǒng)，使信號(hào)有效地輻

5、射 整個(gè)礦井。 電纜設(shè)計(jì)成“漏泄”信號(hào)，允許無線電信號(hào)從電纜漏泄， 也允許信號(hào)進(jìn)入電纜。為補(bǔ)償信號(hào)損失，可安裝線路放大器 和中繼站。這些設(shè)備都需要配備備用的蓄電池。漏泄饋電電 纜容易受到外部的破壞，應(yīng)采用鎧裝或埋入地下。 ( 2 ）以太網(wǎng)技術(shù)：）以太網(wǎng)技術(shù)：以太網(wǎng)是最廣泛應(yīng)用的一種采用特殊數(shù) 據(jù)通信協(xié)議（稱為TCP/IP ）的局域網(wǎng)（LAN）技術(shù)。 (3) WiFi 技術(shù)：技術(shù)： WiFi是英文Wireless Fidelity（無線保真度） 的縮寫， 采用IEEE8021.l1b. g 協(xié)議的無線局域網(wǎng)（ WLAN ）技術(shù)。 (4) 中頻技術(shù)：中頻技術(shù)：中頻（ 300 kHz 3MHz，），

6、這些頻率具 有寄生傳播的現(xiàn)象， 頻率是在沒有專用電纜的情況下模擬 漏泄饋電電纜的特性。 目前，國(guó)內(nèi)外研制 的幾種井下無線 電通信系統(tǒng)都利用這種特性。 ( 5 ）藍(lán)牙技術(shù)）藍(lán)牙技術(shù) ( 6 ）射頻識(shí)別（）射頻識(shí)別（ RFID ）技術(shù)）技術(shù) (7) ZigBee 技術(shù)技術(shù) 在井下發(fā)生災(zāi)害事故后依然保持通信系統(tǒng)能有效工作， 是未來井下 通信系統(tǒng)的追求目標(biāo)，對(duì)于礦山救援救助和搶 險(xiǎn)指揮具有重要意義。 8.1.3 露天礦山的數(shù)字通信 與井下礦山數(shù)字通信的特殊性與復(fù)雜性相比，露天礦山 的數(shù)字通信技術(shù)較為簡(jiǎn)單。 露天礦山的通信網(wǎng)主要由電話網(wǎng)、傳輸網(wǎng)、接入網(wǎng)、調(diào) 度通信網(wǎng)、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)、無線移動(dòng)通信網(wǎng)和礦

7、區(qū)專用 業(yè)務(wù)網(wǎng)等7 個(gè)網(wǎng)絡(luò)組成。 8.2 8.2 礦山自動(dòng)化礦山自動(dòng)化 采礦設(shè)備的自動(dòng)化是提高礦山產(chǎn)量、降低生產(chǎn)成本、改 善礦山 安全與生產(chǎn)條件，以及實(shí)現(xiàn)數(shù)字礦山和元人采礦的 重要手段。 采礦裝備在實(shí)現(xiàn)無軌化和液壓化的基礎(chǔ)上，正在向大型 化、集成化、智能化方向 發(fā)展。 8.2.1 8.2.1 井工礦山的自動(dòng)化井工礦山的自動(dòng)化 1. 地下礦山的無人工作面地下礦山的無人工作面 （1）無人采礦）無人采礦 無人采礦的定義定義是：利用目 前最先進(jìn)的技術(shù)如礦山通 信、自主定位、數(shù)字設(shè)計(jì)、遠(yuǎn)程監(jiān)視和遙測(cè)控制系統(tǒng)來自動(dòng) 操縱采礦設(shè)備與采礦系統(tǒng)。 其中，采礦工藝包括自動(dòng)鑿巖、自動(dòng)裝藥與爆破、自動(dòng) 裝巖、自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)

8、、自動(dòng)卸巖和自動(dòng)支護(hù)等；無人采礦的技術(shù) 基礎(chǔ)是高速地下通信系統(tǒng)和高精度地下定位定向系統(tǒng)（要求 達(dá)到毫米級(jí)）。 (2 ）無人工作面）無人工作面 針對(duì)中國(guó)礦井地質(zhì)條件的復(fù)雜啊，以綜合利用煤炭資源 和科學(xué)采礦為以則，提出現(xiàn)代無人工作面的定義定義為：在工作 面安全專家系統(tǒng)的保護(hù)下，通過有線或無線方式遠(yuǎn)程控制關(guān) 鍵生產(chǎn)設(shè)備，監(jiān)測(cè)其工況，利用割煤設(shè)備的自主定位與自動(dòng) 導(dǎo)航技術(shù)、煤巖自動(dòng)識(shí)別技術(shù)、液壓支架電液控制技術(shù)、刮 板輸送機(jī)自動(dòng)推移技術(shù)、工作面自動(dòng)監(jiān)控監(jiān)測(cè)技術(shù)、井下高 速雙向通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)集中控制技術(shù)等，自動(dòng)完成割煤、 移架、移刮板輸送機(jī)、放煤和頂板支護(hù)等生產(chǎn)流程，并動(dòng)態(tài) 優(yōu)化作業(yè)程序，實(shí)現(xiàn)工作面生

9、產(chǎn)過程自動(dòng)化、采煤工藝智 能化、工作面管理信息化以及操作的無人化，僅當(dāng)設(shè)備出現(xiàn) 故障時(shí)，維修人員才會(huì)到達(dá)工作面，從而確保高產(chǎn)、高效和 安全生產(chǎn)。 2. 地下礦山的自動(dòng)運(yùn)輸系統(tǒng)地下礦山的自動(dòng)運(yùn)輸系統(tǒng) 地下礦山的自動(dòng)運(yùn)輸主要由兩部分組成，即帶式輸送 機(jī)、自動(dòng)運(yùn)輸汽車系統(tǒng)和自動(dòng)提升系統(tǒng)。 帶式輸送機(jī)負(fù)責(zé)將開采面、掘進(jìn)頭開采下來的破碎礦石 從工作面運(yùn)到井底車場(chǎng)；自動(dòng)運(yùn)輸汽車系統(tǒng)是對(duì)帶式輸送機(jī) 的補(bǔ)充，負(fù)責(zé)將大塊度的原礦運(yùn)到破碎站；自動(dòng)提升系統(tǒng)負(fù) 責(zé)將破碎礦石從井底年場(chǎng)接駁提升到地面。 ( 1）帶式輸送機(jī)）帶式輸送機(jī) 帶式輸送機(jī)具有長(zhǎng)距離連續(xù)輸送、輸送量大、運(yùn)行可靠 、效率高和易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等特點(diǎn)，已成

10、為目前我國(guó)煤礦井 下原煤輸送系統(tǒng)的主要運(yùn)輸設(shè)備。 帶式輸送機(jī)長(zhǎng)運(yùn)距、高帶速、大總量、大功率長(zhǎng)運(yùn)距、高帶速、大總量、大功率的方向 發(fā)展， 已成為國(guó)內(nèi)帶式輸送機(jī)的研究和開發(fā)的熱點(diǎn)。 國(guó)外帶式輸送機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)主要表現(xiàn)在以下 幾個(gè)方面： 向大型化和高速化方向發(fā)展 不斷完養(yǎng)驅(qū)動(dòng)技術(shù)：不斷完養(yǎng)驅(qū)動(dòng)技術(shù)：利用液粘傳動(dòng)理論研制的液粘可控 啟動(dòng)裝置可以控制輸送機(jī)的啟動(dòng)速度和加速度； 變頻調(diào)速 驅(qū)動(dòng)裝置可以直接控制輸送扭矩。 采用多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)技術(shù)：該技術(shù)的應(yīng)用， 使帶式輸送機(jī)的單 機(jī)輸送長(zhǎng)度在理論上不受限制。 實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)監(jiān)控：實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)監(jiān)控：輸送機(jī)運(yùn)行速度、運(yùn)行功率 、輸送帶撕帶、載荷分布和

11、加載量控制、火災(zāi)監(jiān)測(cè)等。 加強(qiáng)對(duì)主要元部件的研究：張緊裝置、高速托輥、高效清 掃裝置、高強(qiáng)度輸送帶方面。 國(guó)內(nèi)外礦山主要帶式傳造機(jī)佳能比較 (2 ）自動(dòng)運(yùn)輸汽車系統(tǒng)）自動(dòng)運(yùn)輸汽車系統(tǒng) 礦山自動(dòng)運(yùn)輸汽車系統(tǒng)主要用于非煤礦山井下下運(yùn)輸?shù)V 石到破碎站。由于帶式輸送機(jī)基本上不能運(yùn)輸未經(jīng)破碎的原 礦，因此，自動(dòng)運(yùn)輸汽車可以提高運(yùn)輸能力和運(yùn)輸效率。自 功運(yùn)輸汽車與連續(xù)裝裁機(jī)相結(jié)合，按照自動(dòng)方式運(yùn)輸大量礦 石，可大幅提高運(yùn)輸效率。 ( 3 ）自動(dòng)提升系統(tǒng)）自動(dòng)提升系統(tǒng) 礦井提升系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著礦石、矸石的提升以及人員、物料 的運(yùn)輸，是礦山生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，按礦山開拓方式分豎 井提升和斜井提升兩種模式。 8.2.

12、2 露天礦山的自動(dòng)化 露大礦山 自動(dòng)開采最重要的環(huán)節(jié)是實(shí)現(xiàn)露天采礦設(shè)備的 集成化狀態(tài)監(jiān)控、定位和自動(dòng)控制。 一般地，露天礦山自動(dòng)化開采系統(tǒng)由以下部分組成： (1）機(jī)載監(jiān)測(cè)、控制和（衛(wèi)星）定位系統(tǒng)； (2）具有預(yù)先計(jì)劃能力的生產(chǎn)控制系統(tǒng)； (3）綜合、實(shí)時(shí)更新的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，可供操作、生產(chǎn)、維護(hù)或管 理人員隨時(shí)存??； (4) 開放式結(jié)構(gòu)的礦山模擬系統(tǒng)和礦山GIS； (5）基于信息反饋控制的礦山 綜合規(guī)劃系統(tǒng)； (6）足夠響應(yīng)度和帶寬并便于擴(kuò)容升級(jí)的雙向移動(dòng)通信網(wǎng)路 GPSGPS技術(shù)技術(shù) 在上述系統(tǒng)中，采礦設(shè)備的定位技術(shù)是關(guān)鍵。露天礦山 運(yùn)行的每臺(tái)車輛均需要以精確的定位數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)路由計(jì)劃、導(dǎo) 向和避免

13、碰撞， CPS 技術(shù)能使露天礦的年輛實(shí)現(xiàn)遙控和自 功化作業(yè)。 CPS 提供的精確定位數(shù)據(jù)能夠在炮孔定位時(shí)為 鉆機(jī)導(dǎo)向、控制和測(cè)量電鏟的坡度（高程） 。若要得到高 精度的厘米級(jí)定位，還需配置差分差分GPS( DGPS ）。 GPS 技術(shù)在露天礦中的應(yīng)用大體上可分成3 種： 測(cè)量應(yīng)用； 車輛和固定設(shè)備的定位，包括鉆機(jī)、電鏟、汽車、輔助車輛和加工處 理設(shè)備： 設(shè)備導(dǎo)航和控制，包括生產(chǎn)鉆機(jī)和自動(dòng)車輛導(dǎo)航時(shí)的實(shí)時(shí)定位。 8.3 8.3 采礦機(jī)器人采礦機(jī)器人 采礦機(jī)器人（ Mine Robot ）屬于非制造環(huán)境下的特種 機(jī)器人，也可稱機(jī)器人化的采礦機(jī)器機(jī)器人化的采礦機(jī)器。采礦機(jī)器人技術(shù)是提 升 礦山工程機(jī)械化、自動(dòng)化水平的重要手段，是代替人類 從事有毒、有害且危險(xiǎn)環(huán)境下采礦工作的重要工具。 8.3.1 8.3.1 地下采礦機(jī)器人地下采礦機(jī)器人 ( 1）特殊煤層采掘機(jī)器人）特殊煤層采掘機(jī)器人 對(duì)于薄煤層等特殊情況，通過采掘設(shè)備加裝智能控制單元