數(shù)字礦山概論礦山數(shù)字通信與自動化解析課件

1、第8 章 礦山數(shù)字通信與自動化安全工程學(xué)院20178.1 礦山數(shù)字通信技術(shù)礦山存在大量的多源異質(zhì)的信息流動，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、空間狹長、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、電磁屏蔽性強、噪音大，系統(tǒng)通訊與自動操控困難。8.1 礦山數(shù)字通信技術(shù) 快速、準(zhǔn)確、完整、清晰實時地采集與傳輸?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行地面井下雙向、無線傳輸，是急需發(fā)展和推廣 應(yīng)用的數(shù)字礦山關(guān)鍵技術(shù)之一。礦山專用通信網(wǎng) 對于礦山系統(tǒng)而言，礦山專用通信網(wǎng)由礦區(qū)以上通信網(wǎng)、

2、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)：是國家、各?。ㄊ?、區(qū)）礦業(yè)管理部門和礦業(yè)集團之間的通信網(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)集團的數(shù)字微波通信網(wǎng)；以國家煤炭局為中心覆蓋各省（市、區(qū)）煤炭管理部門和各礦業(yè)集團的衛(wèi)星通信網(wǎng)：以國家煤炭局為中心連接部分礦業(yè)集團的短波通信網(wǎng)。(2 ）礦區(qū)通信網(wǎng)：是指礦業(yè)集團與其所屬礦（廠）之間的通信以及礦（廠）的地面通信網(wǎng)。礦區(qū)通信網(wǎng)由電話網(wǎng)、傳輸網(wǎng)、接入網(wǎng)、計算機數(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)：是指礦山地面調(diào)度指揮機構(gòu)與井下各環(huán)節(jié)的通信，以及井下

3、各環(huán)節(jié)之間的通信。它擔(dān)負著生產(chǎn)調(diào)度指揮、監(jiān)測控制等信息的傳送任務(wù)，對保障生產(chǎn)與安全有著重要的作用。井下通信應(yīng)達到以下基本要求：礦井調(diào)度室與作業(yè)點、崗位、以及個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，救災(zāi)人員能隨時與井下指揮點和地面調(diào)度室進行無阻塞通話。8.1.2 井工礦山的數(shù)字通信 井工礦山通信由有線通信系統(tǒng)、移動通信系統(tǒng)和各生產(chǎn)環(huán)節(jié)間的局部通信系統(tǒng)組成，包括：井下有線通信井下移動通信井下救災(zāi)通信本安型防爆井下通信設(shè)備綜合通信1.井下有線數(shù)字通信( 1 ）載波電話通信系統(tǒng)：主要用于井下電機車的通信。載波電話在礦井的應(yīng)用時間較早，為電機車的調(diào)度發(fā)揮著重要作用。但 由于

4、其音質(zhì)、音量較差，難以大量使用。( 2 ）擴音電話系統(tǒng)：該系統(tǒng)主要應(yīng)用在采煤工作面、斜井運輸、長距離運輸皮帶等部位。擴音電話系統(tǒng)為保證工作面的正常生產(chǎn)，皮帶的正常運行起到關(guān)鍵作用。2.井下無線數(shù)字通信 目前，國內(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：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)，使信號有效地輻射整個礦井。 電纜設(shè)計成“漏泄”信號，允許無線電信號從電纜漏泄，也允許信號進入電纜。為補償信號損失，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)是最廣

5、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)： 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（ 300 kHz 3MHz，），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 ）藍牙技術(shù)( 6 ）射頻識別（ RFID ）技術(shù)(7) ZigBee 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)

6、的追求目標(biāo)，對于礦山救援救助和搶險指揮具有重要意義。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)、計算機數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)、無線移動通信網(wǎng)和礦區(qū)專用業(yè)務(wù)網(wǎng)等7 個網(wǎng)絡(luò)組成。8.2 礦山自動化 采礦設(shè)備的自動化是提高礦山產(chǎn)量、降低生產(chǎn)成本、改善礦山 安全與生產(chǎn)條件，以及實現(xiàn)數(shù)字礦山和元人采礦的重要手段。 采礦裝備在實現(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 井工礦山的自動化1. 地下礦山的無人工作面（1）無人采礦 無人采礦的定義是：利用目 前最先進的技

7、術(shù)如礦山通信、自主定位、數(shù)字設(shè)計、遠程監(jiān)視和遙測控制系統(tǒng)來自動操縱采礦設(shè)備與采礦系統(tǒng)。 其中，采礦工藝包括自動鑿巖、自動裝藥與爆破、自動裝巖、自動轉(zhuǎn)運、自動卸巖和自動支護等；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)（要求達到毫米級）。(2 ）無人工作面 針對中國礦井地質(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為：在工作面安全專家系統(tǒng)的保護下，通過有線或無線方式遠程控制關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備，監(jiān)測其工況，利用割煤設(shè)備的自主定位與自動導(dǎo)航技術(shù)、煤巖自動識別技術(shù)、液壓支架電液控制技術(shù)、刮板輸送機自動推移技術(shù)、工作面自動監(jiān)控監(jiān)測技術(shù)、井下高速雙向通信技術(shù)和計

8、算機集中控制技術(shù)等，自動完成割煤、移架、移刮板輸送機、放煤和頂板支護等生產(chǎn)流程，并動態(tài)優(yōu)化作業(yè)程序，實現(xiàn)工作面生產(chǎn)過程自動化、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，維修人員才會到達工作面，從而確保高產(chǎn)、高效和安全生產(chǎn)。2. 地下礦山的自動運輸系統(tǒng) 地下礦山的自動運輸主要由兩部分組成，即帶式輸送機、自動運輸汽車系統(tǒng)和自動提升系統(tǒng)。 帶式輸送機負責(zé)將開采面、掘進頭開采下來的破碎礦石從工作面運到井底車場；自動運輸汽車系統(tǒng)是對帶式輸送機的補充，負責(zé)將大塊度的原礦運到破碎站；自動提升系統(tǒng)負責(zé)將破碎礦石從井底年場接駁提升到地面。( 1）帶式輸送機 帶式輸送機具有長距離連續(xù)輸

9、送、輸送量大、運行可靠、效率高和易于實現(xiàn)自動化等特點，已成為目前我國煤礦井下原煤輸送系統(tǒng)的主要運輸設(shè)備。 帶式輸送機長運距、高帶速、大總量、大功率的方向發(fā)展， 已成為國內(nèi)帶式輸送機的研究和開發(fā)的熱點。 國外帶式輸送機的技術(shù)特點和發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在以下幾個方面： 向大型化和高速化方向發(fā)展不斷完養(yǎng)驅(qū)動技術(shù)：利用液粘傳動理論研制的液粘可控啟動裝置可以控制輸送機的啟動速度和加速度； 變頻調(diào)速驅(qū)動裝置可以直接控制輸送扭矩。采用多點驅(qū)動技術(shù)：該技術(shù)的應(yīng)用， 使帶式輸送機的單機輸送長度在理論上不受限制。實現(xiàn)在線監(jiān)測和實時監(jiān)控：輸送機運行速度、運行功率、輸送帶撕帶、載荷分布和加載量控制、火災(zāi)監(jiān)測等。加強對主要

10、元部件的研究：張緊裝置、高速托輥、高效清掃裝置、高強度輸送帶方面。國內(nèi)外礦山主要帶式傳造機佳能比較(2 ）自動運輸汽車系統(tǒng) 礦山自動運輸汽車系統(tǒng)主要用于非煤礦山井下下運輸?shù)V石到破碎站。由于帶式輸送機基本上不能運輸未經(jīng)破碎的原礦，因此，自動運輸汽車可以提高運輸能力和運輸效率。自功運輸汽車與連續(xù)裝裁機相結(jié)合，按照自動方式運輸大量礦石，可大幅提高運輸效率。( 3 ）自動提升系統(tǒng) 礦井提升系統(tǒng)擔(dān)負著礦石、矸石的提升以及人員、物料的運輸，是礦山生產(chǎn)經(jīng)營的關(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。8.2.2 露天礦山的自動化露大礦山 自動開采最重要的環(huán)節(jié)是實現(xiàn)露天采礦設(shè)備的集成化狀態(tài)監(jiān)控、定位

11、和自動控制。 一般地，露天礦山自動化開采系統(tǒng)由以下部分組成：(1）機載監(jiān)測、控制和（衛(wèi)星）定位系統(tǒng)；(2）具有預(yù)先計劃能力的生產(chǎn)控制系統(tǒng)；(3）綜合、實時更新的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，可供操作、生產(chǎn)、維護或管理人員隨時存?。?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)度和帶寬并便于擴容升級的雙向移動通信網(wǎng)路GPS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。露天礦山運行的每臺車輛均需要以精確的定位數(shù)據(jù)實現(xiàn)路由計劃、導(dǎo)向和避免碰撞， CPS 技術(shù)能使露天礦的年輛實現(xiàn)遙控和自功化作業(yè)。 CPS 提供的精確定位數(shù)據(jù)能夠在炮孔定位時為鉆機導(dǎo)向、控制和測量電鏟的坡度（高程） 。若要得到高精度的厘米級定位，還需配置差分GPS( DGPS ）。 GPS 技術(shù)在露天礦中的應(yīng)用大體上可分成3 種：測量應(yīng)用；車輛和固定設(shè)備的定位，包括鉆機、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)鉆機和自動車輛導(dǎo)航時的實時定位。8.3 采礦機器人 采礦機器人（ Mine Robot ）屬于非制造環(huán)境下的特種機器人，也可稱機器人化的采礦機器。采礦機器人技術(shù)是提升 礦山工程機械化、自動化水平的重要手段，是代替人類從事有毒、有害且危險環(huán)境下采礦工作的重要工具。8.3.1 地下采礦機器人( 1）特殊煤層采掘機器人對于薄煤層等特