智慧煤礦與智能化開采技術的發展方向

孫寶學 高帥偉

【摘 要】隨著我國經濟的快速發展，煤炭相關產業也隨之崛起，因此煤礦開采的相關技術成為了近幾年來我國研究的主要對象。現階段在我國煤炭的開采過程中仍然存在著一定問題，為了進一步提高煤礦的安全生產，煤炭的開采技術已經朝著現代化方向發展。本文作者主要討論了智慧煤礦與智能化開采關鍵核心技術。

【關鍵詞】智慧煤礦;開采;核心技術

引言

煤炭是我國的主體能源，也是最經濟和可清潔高效利用的能源。基于當前世界能源格局和我國資源稟賦以及現實經濟社會需求，未來相當長時間內，煤炭仍將在世界能源結構中占較大比例，仍將是我國主體能源。在當前第3次工業革命與第4次工業革命的歷史交匯期，應用信息技術、智能制造技術和人工智能技術發展的成果，實現煤炭安全高效綠色開采和清潔高效利用，發展智慧煤礦成為煤炭工業發展的必由之路。我國煤炭以井工開采為主，經過多年發展，我國煤炭綜采技術裝備已從依賴進口到全部國產化。近10年來，通過智能化開采技術與裝備的創新研發，突破多項關鍵技術，在薄和較薄煤層智能化綜采，大采高和超大采高智能化綜采以及特厚煤層綜放開采智能化技術與裝備方面實現領跑。已建成一批現代化特大型安全高效煤礦，為全面推進智慧煤礦建設和智能化開采發展奠定了基礎。圍繞智慧煤礦及智能化無人開采的重大技術需求，突破行業共性核心問題，加快智能、安全、高效現代煤炭生產體系建設成為主要目標。

1概述

智慧煤礦是采用現代化的理念將物聯網、云計算、大數據、人工智能等現代技術融合到煤礦的開采過程中，讓煤礦的開采變得智能化，實現煤礦安全生產全過程的自動化。智慧煤礦的主要目標是形成煤礦產業的完全智能化。另一方面，智慧煤礦還要符合我國現階段對于環境保護的要求，讓整個開采過程中實現綠色化、環保化。智慧煤礦平臺實際上是融合了8個方面的子平臺，其中包括了綜合管理平臺、煤礦井下定位導航平臺、礦井采掘運輸信息管理平臺、視頻監控及三維景象平臺、危險感知報警平臺、智能化無人工作系統管理平臺、井下機器人管理平臺以及全礦井設備管理平臺。這8個平臺在實際應用的過程中相互影響、相互聯系，工作人員通過綜合性管理平臺對這8個子平臺進行分級管理，實現煤礦開采的智能化、環保化、綠色化。

2智慧煤礦與智能化開采的關鍵技術

智能化開采是智慧煤礦平臺的核心系統，為了保障煤礦的開采效果，在智能化開采系統應用的過程中有幾項關鍵技術，下文筆者分別進行分析。

2.1精準定位系統

在進行煤礦開采的過程中為了保證煤礦開采能夠按照計劃逐步推進，必須進行精準的定位。但是眾所周知，在礦井中并沒有復雜的電磁信號也不能接收到衛星信號，因此實現定位導航的難度會有所加大。在現階段我國應用的定位系統中基于GIS的定位信息系統是運用最廣泛的技術之一，其包含了5個方面的核心技術。分別為高精度適用于復雜磁場環境的導航技術、局部定位導航芯片技術、井下高速無線通信技術、井下高精度定位技術以及井下導航避讓技術。這5個技術的應用能夠讓井下的定位系統更加精確，進一步保障煤礦的順利開采。

2.2井下環境檢測技術

對于煤礦井下來講，由于其潮濕、復雜的電磁環境會嚴重制約著探測技術的應用，因此井下環境檢測技術就成為了現階段我國煤礦行業對井下現狀分析的重要技術。環境檢測、振動探測等識別技術已經成為了我國煤礦井下環境感知的核心技術，這些技術主要包含了4個方面。分別為高精度穿透技術、煤炭探測傳感器、基于網絡的采掘裝備傳感器以及特定物理環境探測儀。這4種技術相互聯系、相互工作，進而能夠更加精確的將井下復雜、極端環境信息傳輸到地面，實現煤礦開采過程中的直接探測。

2.3視頻監控技術

雖然有了相關技術設備的支持，但是為了便于管理員了解井下作業的實時情況，視頻監控技術就顯得尤為重要。對于煤礦井下視頻監控技術來講，實際上是通過指揮中心的視頻監測系統實時觀察到煤層傾角變化以及井下開采時設備的運轉情況。操作人員可以通過顯示器實時了解井下工作的具體情況，避免在生產的過程中出現問題。視頻監控技術能夠幫助工作人員進一步對煤礦開采的進程以及各種傳感器的運轉情況實時了解。視頻監控技術的應用還可以在智慧煤礦系統出現問題時通過人工干預的方式進行解決，進一步保證煤礦開采的順利進行。

3發展方向

3.1智慧煤礦物聯網技術與裝備

環境、設備狀態的感知是實現智能決策、控制的先決條件。現有煤礦各類監控系統已實現飛躍式發展，實現了對于煤礦生產關鍵信息的基本感知。然而不同廠家的產品基于本企業標準生產，其數據接口與平臺各異，數據獨立進行處理，相互之間缺乏通信與融合，數據孤島與數據碎片化現象嚴重，因而難以形成有效的數據分析模型與算法，分析結構也就缺乏準確性，難以指導生產。物聯網技術旨在打破數據壁壘，實現設備之間、設備與環境之間、設備與人員之間的數據互聯，最終實現萬物互聯。因而，物聯網技術與裝備是實現智慧煤礦的關鍵核心技術。

3.2智能化無人開采關鍵技術與裝備

隨著智能化無人開采的深入發展，更多的機械化、信息化的短板被補充完善，煤礦井下精準定位導航、圖像智能識別、智能化控制等關鍵核心技術的應用將會越來越成熟。在地質條件日益復雜、生產環境要求日益提高、安全要求日益嚴格的大趨勢下，智能化無人開采的需求將會越來越迫切。

煤礦智能化無人開采系統是要建立一個從開采準備、工藝規劃到開采過程實時控制、設備管理，直至遠程監控服務的煤炭生產全過程無人或少人的智慧生產系統。目前，針對智能化無人開采，以下5個關鍵科技問題亟待解決：①工作面有限空間內裝備位姿及運動關系精確探測;②低照度、高粉塵空間視頻監控及圖像識別;③圍巖-開采系統耦合作用規律及多機協同控制;④復雜條件下超前巷道裝備自動化技術;⑤關鍵材料、元部件及整機可靠性提升技術。

3.3煤礦機器人

煤礦生產系統龐大復雜，作業環境惡劣，靠人工操作機械的方式，無法有效減少井下一線作業人員，實現無人則安。用機器人替代井下作業、安控和應急救援人工作業是建設智慧煤礦的新要求。煤礦作業類機器人屬于重載防爆機器人，其他領域尚無可借鑒的技術和產品。煤礦安控和應急救援類機器人屬于極端復雜環境機器人，不單要有必備的感知檢控功能，還要求有可靠的防爆、運移、導航、避障、路徑規劃和抗顛覆及自救等功能。因此針對煤礦機器人，以下共性的關鍵技術成為重點研究方向：①井下機器人自適應變阻抗力跟蹤控制方法;②井下機器人自我狀態識別、避障和自主平衡;③井下長時可靠供電及自主尋徑無線快速充電技術;④井下多機器人聯合通信及協同控制平臺。

結語

1）智慧煤礦與智能化開采是煤炭工業現代化的必然趨勢，做好頂層設計是智慧煤礦與智能化開采健康發展的重要保證基礎，堅持正確的原則，科學規劃智慧煤礦的總體架構，建立完善的標準體系，是智慧煤礦與智能化開采技術發展的重要保證。

2）精準地質信息探測，物聯網技術與裝備，智能化快速掘進技術與裝備，無人開采關鍵技術與裝備以及煤礦機器人，是當前智慧煤礦建設中的重點研發方向。

參考文獻：

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[2]高有進，羅開成，張繼業.綜采工作面智能化開采現狀及發展展望[J].能源與環保，2018，40（11）：167-171.

（作者單位：河南平寶煤業有限公司）