煤礦無人工作面開采技術(shù)應(yīng)用分析

摘要：薄煤層開采技術(shù)不僅有利于煤炭資源的開發(fā)利用，對于延長礦井開采年限和實現(xiàn)高效開采同樣具有十分重要的意義。文章針對無人工作面開采技術(shù)進(jìn)行了分析，介紹了薄煤層開采的螺旋鉆開采工藝。

關(guān)鍵詞：薄煤層；無人工作面開采技術(shù)；螺旋鉆開采；煤礦開采；煤炭資源 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TD353 文章編號：1009-2374（2015）10-0164-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0933

我國煤炭資源分布遼闊，煤層賦存條件復(fù)雜，煤層所處的地質(zhì)條件也多種多樣，不少礦井中厚煤層已近枯竭，礦產(chǎn)資源面臨資源短缺、供應(yīng)乏力的嚴(yán)峻形勢。在我國，薄煤層分布較廣，煤質(zhì)也相當(dāng)不錯，可采的薄煤層儲量約占全國煤炭總儲量的18%。然而薄煤層開采的產(chǎn)量卻只占到煤炭開采總產(chǎn)量的7.3%，這個比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于薄煤層儲量所占的比例。薄煤層開采一直采用傳統(tǒng)的炮采工藝，少數(shù)工作面采用薄煤層采煤機采煤。傳統(tǒng)薄煤層炮采工藝不僅工藝復(fù)雜、單產(chǎn)低，而且工人勞動強度非常大，生產(chǎn)效率低，對于厚度較小的薄煤層炮采工藝是無法進(jìn)行開采的。根據(jù)我國現(xiàn)有資源情況，發(fā)展薄煤層機械化開采有利于煤炭資源的開發(fā)利用，礦井開采年限的延長以及高效開采的實現(xiàn)。

1 傳統(tǒng)薄煤層開采技術(shù)中存在的問題

我國煤炭資源分布遼闊，煤層賦存條件復(fù)雜，煤層所處的地質(zhì)條件也多種多樣，不少礦井中厚煤層已近枯竭，礦產(chǎn)資源面臨的資源短缺，供應(yīng)乏力的嚴(yán)峻形勢。在我國，薄煤層分布較廣，煤質(zhì)也相當(dāng)不錯，可采的薄煤層儲量約占全國煤炭總儲量的18%。然而薄煤層開采的產(chǎn)量卻只占到煤炭開采總產(chǎn)量的7.3%，這個比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于薄煤層儲量所占的比例。薄煤層開采一直采用傳統(tǒng)的炮采工藝，少數(shù)工作面采用薄煤層采煤機采煤。傳統(tǒng)薄煤層炮采工藝不僅工藝復(fù)雜、單產(chǎn)低，而且工人勞動強度非常大，生產(chǎn)效率低，對于厚度較小的薄煤層炮采工藝是無法進(jìn)行開采的。根據(jù)我國現(xiàn)有資源情況，發(fā)展薄煤層機械化開采有利于煤炭資源的開發(fā)利用，礦井開采年限的延長以及高效開采的實現(xiàn)。

2 無人工作面開采及螺旋鉆開采工藝

高度小、頂板壓力小是薄煤層開采所具有的特點，這些特點也決定了薄煤層高產(chǎn)高效采煤方法的發(fā)展方向。鑒于我國煤礦礦區(qū)具有地質(zhì)復(fù)雜的特點，采用以綜合利用資源和科學(xué)采煤為基本原則的無人工作面開采技術(shù)應(yīng)時而生，它有效提升了長壁開采煤礦的自動化水平。無人工作面開采技術(shù)指的是在開采工作面完全處于安全系統(tǒng)保護(hù)下，采用切煤機械（如刨煤機和采煤機等）自身擁有的定位系統(tǒng)與導(dǎo)航技術(shù)、礦巖識別技術(shù)、液壓控制技術(shù)、刮板輸送自主推移技術(shù)、自動監(jiān)控與監(jiān)測技術(shù)、通道雙向通訊技術(shù)和計算機中心控制技術(shù)，以有線方式或無線方式遠(yuǎn)端控制主要的生產(chǎn)設(shè)備，對其工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，自主實現(xiàn)切煤、移架、移刮板輸送、放煤和頂板支護(hù)等關(guān)鍵工序，以完全動態(tài)化的生產(chǎn)流程來達(dá)到生產(chǎn)自動化、采煤智能化、生產(chǎn)管理信息化和生產(chǎn)無人化。只要設(shè)備出現(xiàn)故障，設(shè)備維保人員即可在第一時間到達(dá)工作面進(jìn)行維修與保養(yǎng)。

按照煤礦無人工作面開采系統(tǒng)的模型來看，首先要分析無人工作面子系統(tǒng)的技術(shù)支持，主要涉及采煤機定位與導(dǎo)航技術(shù)、采煤機調(diào)高技術(shù)、自動識別技術(shù)、液壓控制技術(shù)、刮板推移技術(shù)、三機監(jiān)測與故障診斷技術(shù)、通道雙向通訊技術(shù)、組件式礦山軟件與模型技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和多傳感器技術(shù)等。基于我國煤礦工作面的自動化程度，并從無人工作面的概念、特性、模型和技術(shù)體系進(jìn)行分析，要研發(fā)符合于我國國情的無人開采工作面，需要進(jìn)一步引進(jìn)現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)并創(chuàng)新，主要涉及以下七個方面的關(guān)鍵技術(shù)：

2.1 采煤機的自動識別系統(tǒng)與調(diào)高系統(tǒng)

采煤機的自動識別系統(tǒng)與調(diào)高系統(tǒng)總共擁有20多種有關(guān)煤巖分界的傳感機理，例如記憶性程序控制系統(tǒng)、振動頻譜傳感系統(tǒng)、天然γ射線、測力截齒、同位素、噪聲、紅外線、紫外線、超聲波、無線電波、雷達(dá)探測等，但是煤礦井下的煤體和煤巖節(jié)理條件比較復(fù)雜，實在難以通過人為手段對其煤巖分界進(jìn)行準(zhǔn)確且可靠的判別，至今都不能很好地利用以上技術(shù)。因此，研發(fā)出可靠且具有一定分辨率的煤巖分界識別裝置是實現(xiàn)采煤機滾筒自動調(diào)高的核心內(nèi)容。近些年來，采煤技術(shù)逐步由具有一定分辨率的煤巖傳感裝置與計算機控制中心結(jié)合，由此形成煤巖分界傳感裝置和識別系統(tǒng)，特別是我國在研發(fā)出大功率的自動采煤機以后，更應(yīng)該優(yōu)先采用這種組合形式。這種組合形式中采用的記憶性智能程控分界識別系統(tǒng)和控制裝置在煤礦開采中的應(yīng)用最為廣泛，也作為國外常見機型標(biāo)配的一項關(guān)鍵技術(shù)，而雷達(dá)探測系統(tǒng)則是未來最具前景的一項技術(shù)。

2.2 采煤機的定位系統(tǒng)

采煤機定位系統(tǒng)的應(yīng)用基礎(chǔ)是井下雙向的通訊系統(tǒng)和高精度定位、定向系統(tǒng)，我國在這方面的技術(shù)突破仍然為零。另外，我國自主研發(fā)的采礦機器人（MR）也不能很好地解決井下定位的問題，它與GIS技術(shù)聯(lián)合的無人采礦定位技術(shù)在我國也尚未取得任何突破。因此可以說，研發(fā)具有自主定位功能的采煤機系統(tǒng)是實現(xiàn)無人開采工作面的一個重要突破方向。

2.3 井下與井上之間的雙向通訊技術(shù)

煤礦礦井的通訊問題是關(guān)鍵，怎么能夠?qū)崿F(xiàn)快速、準(zhǔn)確、完整、清晰和即時地采集和傳送井下的各種環(huán)境指標(biāo)、工況參數(shù)、生產(chǎn)狀況和調(diào)度指令等相關(guān)數(shù)據(jù)，同時實現(xiàn)井下與井上的雙向傳送，在數(shù)據(jù)傳送過程中有關(guān)信息反饋功能還需進(jìn)一步改善。

2.4 智能化開采技術(shù)

開采技術(shù)方面要實現(xiàn)智能化開采，完成采煤設(shè)備整體和生產(chǎn)過程中的各種自動控制、協(xié)調(diào)組織、適應(yīng)、保護(hù)和修復(fù)甚至再生，研發(fā)無人開采工作面的新生產(chǎn)過程和生產(chǎn)模式。

2.5 組件式軟件和基本模型

開采作業(yè)面智能監(jiān)測系統(tǒng)、安全分析系統(tǒng)、無人采煤模擬與決策仿真系統(tǒng)、三機控制系統(tǒng)和工況檢測與診斷系統(tǒng)都是根據(jù)各類應(yīng)用程序和基本模型作為工具，需針對不同的應(yīng)用與需求建立相應(yīng)的基本模型，研發(fā)出不同品種、不同型號和不同功能的組件式軟件。

2.6 多傳感裝置

無人開采工作面采集數(shù)據(jù)需要配置大量的傳感裝置，這些傳感裝置的使用和信息的采集融合處理還需要深入研究和實踐檢驗。

2.7 數(shù)據(jù)庫技術(shù)

按照數(shù)據(jù)庫技術(shù)的相關(guān)理論，結(jié)合煤礦無人開采工作面的具體生產(chǎn)狀況，組建相關(guān)的數(shù)據(jù)庫，可以實現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的刪減、增項、查詢和預(yù)覽打印報表等功能項目，也可以實現(xiàn)對可視化技術(shù)輸入三維數(shù)據(jù)，最終實現(xiàn)開采工作面信息的拓?fù)洳樵儭?shù)據(jù)分析與應(yīng)用為煤礦開采的安全模擬、分析和預(yù)測促進(jìn)應(yīng)用與推廣。數(shù)據(jù)庫技術(shù)涉及的信息量很大，不但涉及地質(zhì)情況和生產(chǎn)數(shù)據(jù)，還應(yīng)包括對這些數(shù)據(jù)信息進(jìn)行第一次處理而衍生的中間信息。盡快攻克諸如3D實體拓?fù)涿枋觥⒈磉_(dá)、組織與動態(tài)維護(hù)以及數(shù)據(jù)庫信息的維護(hù)顯然成為數(shù)據(jù)庫技術(shù)最棘手的問題，有待解決。

3 結(jié)語

綜上所述，得出結(jié)論：（1）研究我國煤礦開采的現(xiàn)狀，基于綜采工作面的自動化程度，提出無人開采工作面技術(shù)是目前解決我國煤礦安全開采可持續(xù)經(jīng)營的關(guān)鍵途徑；（2）分析國內(nèi)外先進(jìn)的無人開采技術(shù)，提出現(xiàn)代的煤礦無人開采工作面的概念、組件以實現(xiàn)真正意義的無人開采工作面為基本需要的基本模型和技術(shù)構(gòu)成，重點介紹采煤機定位系統(tǒng)的各項子系統(tǒng)內(nèi)容；（3）建立無人開采工作面的技術(shù)拓展體系，為今后繼續(xù)發(fā)展我國現(xiàn)代煤礦無人開采工作面技術(shù)提供研究的思路和理論基礎(chǔ)，為今后研發(fā)無人開采設(shè)備和進(jìn)一步實現(xiàn)“數(shù)字礦山”夯實基礎(chǔ)。

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作者簡介：趙建平（1963-），男，山西平遙人，太原煤氣化集團(tuán)公司生產(chǎn)技術(shù)管理部工程師，研究方向：煤礦生產(chǎn)技術(shù)管理。

（責(zé)任編輯：王 波）