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(duì)于延長礦井開采年限和實(shí)現(xiàn)高效開采同樣具有十分重要的意義。文章針對(duì)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(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TD353 文章編號(hào)：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(cuò)，可采的薄煤層儲(chǔ)量約占全國煤炭總儲(chǔ)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(gè)比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于薄煤層儲(chǔ)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(jī)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(dòng)強(qiáng)度非常大，生產(chǎn)效率低，對(duì)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(jī)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(shí)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(cuò)，可采的薄煤層儲(chǔ)量約占全國煤炭總儲(chǔ)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(gè)比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于薄煤層儲(chǔ)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(jī)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(dòng)強(qiáng)度非常大，生產(chǎn)效率低，對(duì)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(jī)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(shí)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(diǎn)，這些特點(diǎn)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(diǎn)，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(shí)而生，它有效提升了長壁開采煤礦的自動(dòng)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(jī)械（如刨煤機(jī)和采煤機(jī)等）自身擁有的定位系統(tǒng)與導(dǎo)航技術(shù)、礦巖識(shí)別技術(shù)、液壓控制技術(shù)、刮板輸送自主推移技術(shù)、自動(dòng)監(jiān)控與監(jiān)測技術(shù)、通道雙向通訊技術(shù)和計(jì)算機(jī)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(duì)其工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，自主實(shí)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(dòng)態(tài)化的生產(chǎn)流程來達(dá)到生產(chǎn)自動(dòng)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(shí)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(jī)定位與導(dǎo)航技術(shù)、采煤機(jī)調(diào)高技術(shù)、自動(dòng)識(shí)別技術(shù)、液壓控制技術(shù)、刮板推移技術(shù)、三機(jī)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(dòng)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(gè)方面的關(guān)鍵技術(shù)：

2.1 采煤機(jī)的自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)與調(diào)高系統(tǒng)

采煤機(jī)的自動(dòng)識(shí)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(jī)理，例如記憶性程序控制系統(tǒng)、振動(dòng)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?xiàng)l件比較復(fù)雜，實(shí)在難以通過人為手段對(duì)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(shí)別裝置是實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)滾筒自動(dòng)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(jì)算機(jī)控制中心結(jié)合，由此形成煤巖分界傳感裝置和識(shí)別系統(tǒng)，特別是我國在研發(fā)出大功率的自動(dòng)采煤機(jī)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(shí)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(jī)型標(biāo)配的一項(xiàng)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(xiàng)技術(shù)。

2.2 采煤機(jī)的定位系統(tǒng)

采煤機(jī)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(jī)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(jī)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)無人開采工作面的一個(gè)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(shí)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(shí)實(shí)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(shí)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(dòng)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(jī)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(duì)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(hào)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(shí)踐檢驗(yàn)。

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(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)的刪減、增項(xiàng)、查詢和預(yù)覽打印報(bào)表等功能項(xiàng)目，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)可視化技術(shù)輸入三維數(shù)據(jù)，最終實(shí)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(duì)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(shí)體拓?fù)涿枋觥⒈磉_(dá)、組織與動(dòng)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(dòng)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(shí)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(diǎn)介紹采煤機(jī)定位系統(tǒng)的各項(xiàng)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(shí)現(xiàn)“數(shù)字礦山”夯實(shí)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）