煤礦無人工作面開采技術分析

況華義

摘 要：煤礦開采中有很多區域屬于無人工作面，需要操作人員操控系統進行開采，以提高煤礦開采效率與安全系數。這項工作具有涉及面廣、工序復雜、專業技術要求高等特點。本文主要分析了煤礦無人工作面開采技術，旨在為提升煤礦無人工作面開采效率與質量，提供一定參考。

關鍵詞：煤礦開采；無人工作面；開采技術

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.11.066

煤炭開采屬于“高危行業”，終年不見天日的礦井，既黑暗潮濕，也存在水、火、煤塵、瓦斯、頂板等自然災害，對煤礦工人的生命安全帶來了嚴重威脅。在復雜的地質環境條件下，只有實現無人化開采，才能使煤礦工人從惡劣的工作環境中解放出來。無人化開采技術是指在工作面安全系統支持下，借助無線或有線方式，遠程控制井下工作面的生產設備，從而實現煤礦開采。該技術是世界煤炭開采技術發展的主流方向，有效契合了當前我國煤炭行業安全、高效生產的迫切需求。現在，我國在此技術研究方面，已走在世界前列。煤礦無人工作面開采技術現已被廣泛應用到煤礦開采實踐中，并取得了一定的效果。該系統主體框架主要包含采煤機自主定位導航系統、采煤機自動調整系統、煤巖自動識別系統及井下高速雙向通訊系統等，在運行過程中，各分項系統相互配合，高效合作，實現了工作面生產自動化、無人化，可以較好地完成煤礦開采施工，實現煤礦安全生產，并提高煤礦開采效率。

1 煤礦無人工作面開采技術特點分析

第一，能較好地適用各種煤層開采。煤層有薄、中厚、厚及特厚之分，無人工作面開采技術可以適用于任何一種煤層，應用范圍非常廣泛。例如，開采薄煤層時，可利用無人自動化刨煤機進行開采；開采中厚和厚煤層時，可利用一次采全高無人化進行開采；開采特厚煤層時，可利用無人放頂煤進行開采。

第二，安全指數高。煤礦無人工作面開采技術通過控制關鍵生產設備，實現了工作面生產作業流程的自動化、無人化，具有開采安全性高的顯著特點，可以最大程度地降低煤炭開采事故。

第三，開采技術水平先進。該項技術汲取了傳統開采技術的優點，彌補了其不足，同時，還融匯了國際上先進的工業生產技術，可以完成高瓦斯煤層瓦斯的預先釋放，利用自動控制技術以及新型開采設備，還能實現智能化煤礦開采，減少了人力采礦中出現的各種問題，使得煤礦開采效率得到極大提高，開采方式得到極大創新。

第四，實現了科學采礦。煤礦無人工作面開采技術可實時監控煤礦開采工作，提前預警災害與事故，基本能實現科學采礦，將煤礦開采安全事故降至最低甚至是零，能有效保障煤礦工人的人身安全和企業生產效益。

2 煤礦無人工作面開采技術及其應用

（1）煤巖自動識別技術。井下煤層和圍巖條件十分復雜，采用傳統技術，難以準確、可靠地判斷煤巖分界。煤巖自動識別技術借助識別系統進行煤巖自動識，該系統中包括了很多子系統，例如，振動頻譜傳感系統、記憶程序控制系統、天然γ射線、超聲波、雷達探測等，目前已有20余種煤巖分界傳感機理和系統。在具體工作中，這些系統會對煤巖的特征信息進行識別和記錄，并通過分析，顯示出哪些是所需要開采的煤層，哪些是巖石層。此外，該系統還能借助聲學及光學或雷達等原理技術，來提高識別效果的可靠性和精準度。記憶智能程控煤巖分界識別及控制系統應用范圍最廣，是目前國外機型采用最多的技術。雷達探測技術的應用前景也非常可觀。

（2）采煤機自主定位技術。高速地下通訊系統和高精度地下定位、定向系統是無人工作面技術的基礎，在地下定位技術研究方面，國內外尚處于空白。采煤機自主定位技術是一大突破，采煤機自主定位技術借助相關的定位系統，對煤層尋找以及開挖位置進行定位，在煤礦開采中具有至關重要的作用。

1）采煤機動力學模型，從實際情況來看，采煤機工作環境復雜、惡劣，加上采煤路線、煤巖性質也會存在連續變化，這都會對采煤機的運動產生擾動，增加了準確確定某一時刻采煤機的位置、速度、加速度等的難度。因此，要根據采煤環境及采煤機工作實際，建立采煤機自主定位動力學模型，以次來分析外界因素對采煤機運動的影響程度，確保地下自主定位實現。

2）精確計算設計數據。建構模型和進行分析研究，都需要設計數據準確可靠，在計算過程中，要充分考量計算時間、坐標轉換等因素，以提高計算精度，為系統優化設計提供參考。

3）構建航位推算系統誤差補償模型。在各種誤差中，慣性傳感器的誤差對于航位推算系統精度的影響最大。因為慣性傳感器誤差是因環境因素導致的，會降低采煤機的定位準確性。在建模的過程中，如果僅依靠儀表的結構設計與制造工藝，是難以降低傳感器誤差的，必須要采用當前先進的最優估計理論與方法，來對移動目標位置進行最優估計，這樣才能有效減少隨機誤差積累，提高航位推算（DR）系統的定位精度。

4）提高航位推算系統環境適應性。由于煤礦礦井的地下工作環境非常惡劣，經常會遇到灰塵雜質、水體滲漏以及瓦斯爆炸等問題。要使航位推算系統能在井下正常工作，就要利用技術手段，來解決防爆、防水、防塵、防震動等關鍵技術問題。

5）礦井導航系統的研究。借助高精度電子地圖的軟件平臺和GIS二次開發技術，來搭建無人工作面采煤機定位系統軟件平臺。在已獲取與采煤機有關的軌道數據的基礎上，實現礦井內部各種構造的電子地圖匹配。通過比較采煤機運動路線的數學特征與地圖數據庫中的軌道特征，來準確定位采煤機的運動軌跡與位置，并將其位置在終端進行實時、直觀地顯示。

（3）井下-井上雙向高速通訊技術。操作人員在井上操作系統進行作業的過程中，需要不斷地接收井下開采系統傳來的信號。如何快速、準確、完整、清晰、實時地進行通信傳輸，以及時獲取井下各類環境指標、設備工況、調度指令及作業參數等，是非常重要的問題。利用雙向高速通訊技術，可以實現信息由井上到井下實時傳輸和反饋。而且，該技術的信息傳遞速度非常快速，在煤礦無人工作面信息傳輸中，起到了舉足輕重的作用。

（4）采礦工藝智能化技術。該種技術可以對煤礦開采過程與作業工序進行實時監控，同時，還能監測井下設備運行工況，及時發現存在的問題，方便維護人員有針對性地進行解決。采礦工藝智能化技術實現了采礦設備整體與整個作業流程中的自動控制、協調、適應、保護、調整和修復，甚至是再生，并能根據煤礦采煤具體實際，研究和設計無人工作面的新作業流程與模式。

（5）工作面組件式軟件與模型技術。各類應用軟件與相關模型是煤礦無人工作面開采技術各個系統運行、檢測等的基礎工具與支持，利用其可提高煤礦環境的安全系數。在具體實踐中，應當根據不同應用和需求，來有的放矢地建立模型，研發多品種、多型號、多功能和組件式軟件。

（6）多傳感器技術。煤礦無人工作面開采系統在運行中，需要采集大量的數據信息，例如，設備運行信息、定位信息等，這些信息必須要準確、可靠、完整，系統才能進行正確分析，并正確執行指令。多傳感器的配合使用，可以促進這一目標順利實現。

（7）無人工作面數據庫技術。煤礦無人工作面開采系統會產生大量的數據信息及中間數據等，必須要建立起相應的數據庫，以實現數據信息的增刪、修改、查詢、報表打印等，為可視化技術應用提供三維數據。需要盡快攻克3D實體拓撲描述、表達、組織與動態維護等難題，以實現工作面信息的拓撲空間查詢、分析與應用，以及采礦安全問題的模擬、分析與預測。

3 結語

綜上所述，煤礦無人工作面開采技術優勢明顯，為保證其開采工作效果，提高其應用效果，在具體實踐中，必須要針對其關鍵技術進行研究，以進一步提高煤炭資源回收率和開采效率，確保煤礦開采安全，盡快實現“數字礦山”。

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