煤礦無人工作面開采技術應用分析

摘要：薄煤層開采技術不僅有利于煤炭資源的開發利用，對于延長礦井開采年限和實現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進行了分析，介紹了薄煤層開采的螺旋鉆開采工藝。

關鍵詞：薄煤層；無人工作面開采技術；螺旋鉆開采；煤礦開采；煤炭資源 文獻標識碼：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，煤層賦存條件復雜，煤層所處的地質條件也多種多樣，不少礦井中厚煤層已近枯竭，礦產資源面臨資源短缺、供應乏力的嚴峻形勢。在我國，薄煤層分布較廣，煤質也相當不錯，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量卻只占到煤炭開采總產量的7.3%，這個比例遠遠低于薄煤層儲量所占的比例。薄煤層開采一直采用傳統的炮采工藝，少數工作面采用薄煤層采煤機采煤。傳統薄煤層炮采工藝不僅工藝復雜、單產低，而且工人勞動強度非常大，生產效率低，對于厚度較小的薄煤層炮采工藝是無法進行開采的。根據我國現有資源情況，發展薄煤層機械化開采有利于煤炭資源的開發利用，礦井開采年限的延長以及高效開采的實現。

1 傳統薄煤層開采技術中存在的問題

我國煤炭資源分布遼闊，煤層賦存條件復雜，煤層所處的地質條件也多種多樣，不少礦井中厚煤層已近枯竭，礦產資源面臨的資源短缺，供應乏力的嚴峻形勢。在我國，薄煤層分布較廣，煤質也相當不錯，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量卻只占到煤炭開采總產量的7.3%，這個比例遠遠低于薄煤層儲量所占的比例。薄煤層開采一直采用傳統的炮采工藝，少數工作面采用薄煤層采煤機采煤。傳統薄煤層炮采工藝不僅工藝復雜、單產低，而且工人勞動強度非常大，生產效率低，對于厚度較小的薄煤層炮采工藝是無法進行開采的。根據我國現有資源情況，發展薄煤層機械化開采有利于煤炭資源的開發利用，礦井開采年限的延長以及高效開采的實現。

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高效采煤方法的發展方向。鑒于我國煤礦礦區具有地質復雜的特點，采用以綜合利用資源和科學采煤為基本原則的無人工作面開采技術應時而生，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指的是在開采工作面完全處于安全系統保護下，采用切煤機械（如刨煤機和采煤機等）自身擁有的定位系統與導航技術、礦巖識別技術、液壓控制技術、刮板輸送自主推移技術、自動監控與監測技術、通道雙向通訊技術和計算機中心控制技術，以有線方式或無線方式遠端控制主要的生產設備，對其工作狀態進行監測，自主實現切煤、移架、移刮板輸送、放煤和頂板支護等關鍵工序，以完全動態化的生產流程來達到生產自動化、采煤智能化、生產管理信息化和生產無人化。只要設備出現故障，設備維保人員即可在第一時間到達工作面進行維修與保養。

按照煤礦無人工作面開采系統的模型來看，首先要分析無人工作面子系統的技術支持，主要涉及采煤機定位與導航技術、采煤機調高技術、自動識別技術、液壓控制技術、刮板推移技術、三機監測與故障診斷技術、通道雙向通訊技術、組件式礦山軟件與模型技術、數據庫技術和多傳感器技術等。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、模型和技術體系進行分析，要研發符合于我國國情的無人開采工作面，需要進一步引進現代先進技術并創新，主要涉及以下七個方面的關鍵技術：

2.1 采煤機的自動識別系統與調高系統

采煤機的自動識別系統與調高系統總共擁有20多種有關煤巖分界的傳感機理，例如記憶性程序控制系統、振動頻譜傳感系統、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、雷達探測等，但是煤礦井下的煤體和煤巖節理條件比較復雜，實在難以通過人為手段對其煤巖分界進行準確且可靠的判別，至今都不能很好地利用以上技術。因此，研發出可靠且具有一定分辨率的煤巖分界識別裝置是實現采煤機滾筒自動調高的核心內容。近些年來，采煤技術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合，由此形成煤巖分界傳感裝置和識別系統，特別是我國在研發出大功率的自動采煤機以后，更應該優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和控制裝置在煤礦開采中的應用最為廣泛，也作為國外常見機型標配的一項關鍵技術，而雷達探測系統則是未來最具前景的一項技術。

2.2 采煤機的定位系統

采煤機定位系統的應用基礎是井下雙向的通訊系統和高精度定位、定向系統，我國在這方面的技術突破仍然為零。另外，我國自主研發的采礦機器人（MR）也不能很好地解決井下定位的問題，它與GIS技術聯合的無人采礦定位技術在我國也尚未取得任何突破。因此可以說，研發具有自主定位功能的采煤機系統是實現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

煤礦礦井的通訊問題是關鍵，怎么能夠實現快速、準確、完整、清晰和即時地采集和傳送井下的各種環境指標、工況參數、生產狀況和調度指令等相關數據，同時實現井下與井上的雙向傳送，在數據傳送過程中有關信息反饋功能還需進一步改善。

2.4 智能化開采技術

開采技術方面要實現智能化開采，完成采煤設備整體和生產過程中的各種自動控制、協調組織、適應、保護和修復甚至再生，研發無人開采工作面的新生產過程和生產模式。

2.5 組件式軟件和基本模型

開采作業面智能監測系統、安全分析系統、無人采煤模擬與決策仿真系統、三機控制系統和工況檢測與診斷系統都是根據各類應用程序和基本模型作為工具，需針對不同的應用與需求建立相應的基本模型，研發出不同品種、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據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 數據庫技術

按照數據庫技術的相關理論，結合煤礦無人開采工作面的具體生產狀況，組建相關的數據庫，可以實現對采集數據的刪減、增項、查詢和預覽打印報表等功能項目，也可以實現對可視化技術輸入三維數據，最終實現開采工作面信息的拓撲查詢、數據分析與應用為煤礦開采的安全模擬、分析和預測促進應用與推廣。數據庫技術涉及的信息量很大，不但涉及地質情況和生產數據，還應包括對這些數據信息進行第一次處理而衍生的中間信息。盡快攻克諸如3D實體拓撲描述、表達、組織與動態維護以及數據庫信息的維護顯然成為數據庫技術最棘手的問題，有待解決。

3 結語

綜上所述，得出結論：（1）研究我國煤礦開采的現狀，基于綜采工作面的自動化程度，提出無人開采工作面技術是目前解決我國煤礦安全開采可持續經營的關鍵途徑；（2）分析國內外先進的無人開采技術，提出現代的煤礦無人開采工作面的概念、組件以實現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構成，重點介紹采煤機定位系統的各項子系統內容；（3）建立無人開采工作面的技術拓展體系，為今后繼續發展我國現代煤礦無人開采工作面技術提供研究的思路和理論基礎，為今后研發無人開采設備和進一步實現“數字礦山”夯實基礎。

參考文獻

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

（責任編輯：王 波）